h型钢加固混凝土梁技术在工程结构改造中的应用_何嵘

'H型钢加固混凝土梁技术在工程结构改造中的应用_何嵘何　嵘：Ｈ型钢加固混凝土梁技术在工程结构改造中的应用Ｈ型钢加固混凝土梁技术在工程结构改造中的应用何　嵘（）陕西煤业化工集团（上海）胜帮化工技术有限公司，上海　２０１２０３摘　要：工业建筑结构改造加固工程中常需大幅度提高梁的承载力，普通粘钢板加固方法应用受到限制，而通过螺栓锚固Ｈ型钢使其与混凝土梁共同工作来扩大结构受力截面可满足这一要求。以某具体加固工程为例介绍了Ｈ型钢加固混凝土梁技术的设计、构造和施工工艺。关键词：钢筋混凝土梁；Ｈ型钢；加固；共同作用；锚固：／．ｉｓｓｎ．１００７ＤＯＩ１０．３９６９９９６３．２０１３．０８．０１２－ｊＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＨＳＥＣＴＩＯＮＳＴＥＥＬＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤＣＯＮＣＲＥＴＥＢＥＡＭ　　－　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＴＨＥＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬＴＲＡＮＳＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯＦＰＲＯＪＥＣＴＳＨｅＲｏｎ　ｇ（），）ＳＨＣＣＩＧ（ＳｈａｎｈａｉＳａｎＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏＣｏ．ＬｔｄＳｈａｎｈａｉ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ　　ｇｐｇｇｙｇ　　 ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｂｅａｒｉｎｃａａｃｉｔｏｆｔｈｅｂｅａｍｏｆｔｅｎｎｅｅｄｓｔｏｓｉｎｉｆｉｃａｎｔｌｉｍｒｏｖｅｉｎｔｈｅｒｅｆｏｒｍｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｇｐｙｇｙｐｌａｔｅｂｕｉｌｄｉｎｓ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｏｆｓｔｒｅｎｔｈｅｎｉｎｗｉｔｈｅｘｔｅｒｎａｌｌｂｏｎｄｅｄｓｔｅｅｌｉｓｖｅｒｌｉｍｉｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏａｃｔｉｏｎｏｆ　　－　ｐｇｇｙｇｇｙｙ　Ｈ－ｓｅｃｔｉｏｎｓｔｅｅｌａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍｓｔｏｅｎｌａｒｅｆｏｒｃｅｄｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｓａｉｄｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔ．ａｎｃｈｏｒｅｄ　ｇｑＴｈｅｄｅｓｉｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆＨ－ｓｅｃｔｉｏｎｓｔｅｅｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍｔｅｃｈｎｏｌｏａｒｅｃｌａｒｉｆｉｅｄｗｉｔｈａ　　ｇｇｙ　ｓｔｒｅｎｔｈｅｎｅｄｒｏｅｃｔ．ｓｅｃｉｆｉｃ　　ｇｐｊｐ：；Ｈ－；；；ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳＲＣｂｅａｍｓｓｅｃｔｉｏｎｓｔｅｅｌｓｔｒｅｎｔｈｅｎｃｏａｃｔｉｏｎａｎｃｈｏｒａｅ　　－ｇｇ０　引　言 钢筋混凝土梁在使用过程中由于各种原因引起其承载力不足时常常需要对其进行加固补强。在实际结构加固改造过程中通过结构胶粘结钢板加固钢筋混凝土梁技术由于其自重轻，所占空间小，施工周期短等优点已经得到广泛应用，但是这种粘钢板加因此使用这固技术对粘结的钢板数量有一定限制，种常规的粘钢加固方法对加固梁的抗弯承载力和抗剪承载力的提高都比较有限，只适合受力较小的构件采用。为了较大幅度提高加固后梁的抗弯承载力和抗剪承载力可以采用在原钢筋混凝土梁底部粘结型钢组合构件，通过增加梁的抗弯截面高度和利用型钢腹板的强度使得构件抗弯能力和抗剪能力均显著提高。１　工程概况某化工厂生产厂房为４层现浇混凝土框架结平面见图１，全楼无围护墙，基础为桩基础；混凝构，土强度等级为Ｃ场４０。设计抗震设防烈度为７度，，地类别为Ｉ特征周期０该厂房为乙类建Ｖ类，．９ｓ／筑，抗震等级为二级。厂房楼面活荷载为１０ｋＮ２。该厂房建于２在３层楼面上（ｍ００３年，１７．６００ｍ平面）③－⑦轴之间已经放置生产设备，①－③轴之因扩大生产需要，在①－③轴和间为预留扩建用；布置如图２所示，每台?－?轴之间增设两台储罐，，，储罐质量为１物料质量为４较原６５３７ｋ３４９９ｋ　　ｇｇ 设计预留设备的荷载有较大提高，并且罐体直径也有所增大，需在原楼板开孔，将Ｌ新增混凝１截断，－通过复核验算，土梁Ｌ－Ａ、ＬＢ，ＫＬ１、ＫＬ２、ＫＬ３、－－－－ＫＬ４的承载力设计值小于荷载效应组合的设计值，－正常使用极限状态下裂缝和挠度均超过限值，因此需对ＫＬ１—ＫＬ４进行加固。－－２　加固设计２．１　加固方案混凝土结构的加固可分为直接加固和间接加固两类；直接加固宜根据工程的实际情况选用增大截面加固法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、外粘贴纤维复合材加固法、绕丝加固法粘钢板加固法、或高强度钢丝绳网片－聚合物砂浆外加层加固法等；间接加固宜根据工程的实际情况选用外加预应作　者：何嵘，男，工程师。１９８０年出生，：Ｅｍａｉｌｎｏｒｅｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ＠ｈｇ收稿日期：２０１３－０３－０６），ＶＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１３（８ｏｌ．２８，Ｎｏ．１７５　４７工程设计图１　３层平面布置图３　梁加固示意 图２　３层平面改造示意１］。本工程已经投入力加固法或增设支点加固法等［图４　梁与柱的连接示意生产，厂房各层楼面布置较多生产设备，各层管道纵横交错，布置比较密集；业主要求改造加固尽量减少对生产的影响；若采用增设支点加固法需对基础进而且必然会影响一层设备的使用造成较长行改造，时间的停产；常用的碳纤维加固方法主要用于提高混凝土构件的承载力，对提高混凝土构件的刚度作２］。因此，用不大，尤其是荷载变化较大的情况［本工力、应变水平一般都很高。然而，型钢加固后并不立即分担荷载，而是在新增荷载下，即第二次加载情况整个加固结构在第二次荷载下才开始受力。这样，钢板的应力、应变始终滞后于原结构的受力过程中，累积应力、应变。破坏时钢板可能没有屈服，其潜力得不到充分利用。其次，加固结构属于二次组合结构，原结构与钢板之间存在整体工作共同受力问题。整体工作的关键，主要取决于结合面的构造处理及施工做法。《加固结构参照Ｇ混凝土结构设Ｂ５００１０－２０１０　［４］计规范》的基本假定，在计算加固结构截面承载力程采用型钢来加固混凝土梁，以ＫＬ２为例加固示－ 意见图３。在混凝土梁底部设置焊接Ｈ型钢，通过并Ｕ型螺栓使得Ｈ型钢与混凝土梁底面紧密结合，在混凝土梁底部设置化学螺栓用于抵抗加固梁在弯矩作用下混凝土梁与Ｈ型钢之间相对滑移而产生的剪应力和正应力。在加固梁外包Ｃ４０细石混凝土并配置钢筋网以防止混凝土产生过大裂缝。梁与柱的连接采用化学螺栓将连接钢板固定在柱子上，通过钢牛腿与Ｈ型钢焊接，如图４所示。２．２　加固构件受力性能和基本假定粘钢加固结构受力性能与一般未经加固的普通３］。首先，结构有较大差异［加固结构属于二次受力时还按下列假定进行计算分析：）不考虑混凝土的抗拉强度，混凝土受压区为１均匀受压，并达到轴心抗压强度设计值；）为均匀受力并达到钢材的２Ｈ型钢全部受拉，抗拉强度设计值；）加固后的梁斜截面的受剪承载力假定由原混３凝土梁的斜截面承载力和Ｕ型螺栓的斜截面承载力以及Ｈ型钢腹板抗剪承载力等部分组成。）不考虑钢筋与混凝土之间相对滑移，不考虑４Ｈ型钢与混凝土之间的滑移。钢结构　２０１３年第８期第２８卷总第１７５期　，结构，加固前原结构已经承受荷载（即第一次受力）尤其是当结构因承载能力不足进行加固时，截面应４８ 何　嵘：Ｈ型钢加固混凝土梁技术在工程结构改造中的应用２．３　加固构件抗弯承载力计算当梁的加固满足构造要求时，其正截面和承载力可按Ｇ混凝土结构加固设计规Ｂ５０３６７－２００６《　第１但应将对应的钢板截范》０章的要求进行计算，５］。面改为型钢截面［以Ｋ新Ｌ２为例，ＫＬ２截面尺寸及配筋见图５，－－增设备后跨中最大弯矩为１６９１ｋＮ·ｍ。　图６　梁加固详图２．４　加固构件抗剪承载力计算受剪承载力近似计算可以由以下４部分共同承图５　梁跨中配筋示意受：混凝土部分、原梁中箍筋、Ｕ型螺栓和Ｈ型钢２］。腹板［）加固前Ｋ可按如下１Ｌ２跨中抗弯承载力，－计算。以Ｋ新增设备后ＫＬ２为例，Ｌ２支座最大剪力－－为１３６７ｋＮ。　ｈ８１０ｍｍ０＝ Ａｓ．８１％＞ρ＝０ｍｉｎρ＝ｂｈ０ｙ．１２７＜ξ．５５＝０ｂ＝０ξ＝ραｆ１ｃ则：Ｍｕ＝αｂｈ２１－０．５ｆ１ｃ０ξ（ξ）＝６７０．７ｋＮ·ｍ＜１６９１ｋＮ·ｍ　）加固所需的型钢截面积计算。２［］依据Ｇ不在梁顶Ｂ５０３６７－２００６规范１公式，　／），粘钢板，取Ａ′Ａ′ｈ改为（ｈ＋ｈ２ｓｏ＝０，ｓａｐ＝０，考虑施工方便，混凝土梁下Ｈ型钢取高度ｈａ＝Ｖ０＝０．７ｂｈ０１．２５ｆｆｔｃ＋ｖｙＡｓＡｄｖｂ２ｆｔ０ｃ＋（０ｃ＋ｓａ００Ａｎ７６４．６ｋＮ＞Ｖ＝１３６７ｋＮ　　ｆｖ）μ＝１２．５　共同工作加固受力时，尤其是当结构临近破坏时结合面６］。特别是受会出现拉、压、弯、剪等复杂应力状态［有时可能相当大，加固结构弯或偏压构件的剪应力， 新旧两部分整体工作的关键主要在于结合面能否有效地传递和承担这些应力。结合面混凝土所具有的粘结抗剪和抗拉能力有时远不能满足受剪和受拉承载力要求。加固梁承载力计算假定型钢与钢筋混凝土梁之间无相对滑移，加固梁是完全抗剪连接，即加固梁交界面上的抗剪连接措施能保证梁的最大受弯承载力得以充分发挥，因此需要对其进行锚固处理。本工程构件的加固过程中通过拧紧Ｕ形螺栓以及在Ｈ型钢和混凝土梁底面接触处设置化学螺栓使得Ｈ型钢与混凝土梁紧密结合，增加抗剪和抗拉能力以保证型钢和混凝土梁无滑移，从而使得钢－混凝土组合梁达到提高承载力和提高刚度的目的。３　施工技术要求加固构件构造处理及施工做法是加固效果好坏４９２００ｍｍ。ｈｈ０ａＭ≤Ｍｕ＝αｂ（ｈ＋－）－ｆ１ｃξｈ０２２ｈａＡｓ＋ａｆｓ）ｙ２解得ξ＝０．３２＜ξｘ＝ξｈ０＝２５７ｍｍｂ，考虑到Ｈ型钢与混凝土底接触处在实际受弯时有可能产生微小的相对滑动从而降低承载力，所以取ψ．７。ｓｐ＝０ｂｘ＝ψＡｓＡｓαｆｆ１ｃ０ｓｓ０ｏｐｐｐ＋ｆｙ２则：Ａｓ８０６．７ｍｍ　ｐ＝８２ ，跨中加固截面见图６，实际Ａｓ８３６８ｍｍ　ｐ＝１算得Ｍｕ＝２７３８．５ｋＮ·ｍ＞１６９１ｋＮ·ｍ。　　），ＶＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１３（８ｏｌ．２８，Ｎｏ．１７５　工程设计的关键，因此在加固施工中应满足以下技术要求：）在需开孔洞处凿除现有混凝土梁和楼板，留１。之出钢筋用于锚固，同时需做必要的支护（图７）在钻孔之前后在混凝土梁上钻孔用于穿Ｕ型螺栓，需用钢筋探测仪测定钢筋位置，避免打断原有梁纵向钢筋。本工程楼面做法为随打随抹，因此需在梁顶面开宽５深３０ｍｍ，５ｍｍ的槽用于放Ｕ型螺栓。柱侧也应钻孔用于设置牛腿。图８　拧紧Ｕ型螺栓图７　凿除楼板）铲除混凝土梁粉刷层，梁底必须铲平使得Ｈ２型钢与梁能够紧密结合，铲除粉刷层后在梁底钻孔用于设置化学螺栓。）应在加固用的钢梁加工前，在现场实测所需３不以原设计图纸尺寸下料，对钢梁钻孔钢梁长度， 的位置应以在混凝土楼板及梁底的实际钻孔位置为准，在准确测量孔的位置后，再依此对钢梁钻孔，这样可以避免现场组装时混凝土楼板和梁上的孔与Ｈ型钢上的孔位置不符，Ｕ型螺栓歪斜和无法设置化学螺栓而导致混凝土梁和Ｈ型钢无法紧密结合。）在Ｈ型钢吊装到位后拧紧Ｕ型螺栓，４Ｕ型，螺栓必须采用双螺母（图８）只有把螺栓拧紧才能从而使Ｈ型钢和使Ｈ型钢对梁有足够大的压力，混凝土梁底面之间在纵向产生较大摩擦力，必要时可在Ｈ型钢与梁接触处涂灌浆料。Ｕ型螺栓的螺纹长度要适当加长，以防由于混凝土楼板钻孔开槽深度不准确等原因使螺栓伸过Ｈ型钢太长，导致出现螺母虽拧紧但混凝土梁和Ｈ型钢却没有紧密结合的现象。）在梁端柱侧用化学螺栓将牛腿连接板固定在５，并在连接板上设置钢牛腿（图９）在加固好柱子上，的梁侧设置钢筋网后浇灌混凝土。图９　设置钢牛腿）在混凝土梁加固完毕且外包细石混凝土达到　　６增加楼面荷载。设计强度才能在楼面上安装设备，４　结　语 本工程改造与加固过程中，型钢和钢筋混凝土梁能够有效地形成整体，共同变形、共同受力，梁的承载力可以得到大幅度提高。整个加固过程湿作业少，施工周期短。该工程加固完毕至今已５年，通过对所加固构件在新荷载作用下工作状态的监测表所加固构件工作正常，采用型钢对混凝土梁的加明，固取得了良好的效果。参考文献［］］１Ｂ５０３６７－２００６　混凝土结构加固设计规范［Ｓ．　Ｇ　［］崇晓飞，钟振洲．工程结构常见弊病与防治［北京：２Ｍ］．　张荣山，中国建筑工业出版社，２００７．［］粘钢加固钢筋混凝土结构三维线性有限元程序的分３　苏丽莉．南京：东南大学，析［Ｄ］．２００６．［］］４Ｂ５００１０－２０１０　混凝土结构设计规范［Ｓ．　Ｇ　［］周靖，叶蓁．混凝土结构加固设计规范算例［北京：５Ｍ］．　卜良桃，中国建筑工业出版社，２００８．［］王敦强．钢－混凝土组合结构设计与施工［济南：６Ｍ］．　周学军，山东科学技术出版社，２００４．５０钢结构　２０１３年第８期第２８卷总第１７５期　'