型钢-混凝土组合梁在震后加固工程中的应用研究.pdf

第 3 7卷第 6期 2 0 1 1年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 05 型钢一混凝土组合梁在震后加固工程中的应用研究 伍志强， 周 杰 ( 绵阳职业技术学院， 四川 绵阳6 2 1 0 0 0 ) 摘要： 型钢一混凝土组合梁是组合梁加固技术的一种 ， 具有施工方便、 湿作业少、 周期短等优势。本文对型钢一混凝土组合 梁在汶川地震后绵阳中学某教学楼震后维修加固工程中的应用进行了研究。 关键词： 型钢一混凝土组合梁； 结构加固； 应用研究 中图分类号： T U 3 9 2 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 61 0 50 4 Re s e a r c h o f t h e s t e e l - c o nc r e t e c o mp o s i t e b e a m t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n i n e a r t h q u a k e r e i n f o r c e me nt WU Z h i q i a n g ， Z HOU J i e ( Mi a n y a n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o H e g e ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a m i s a t e c h n o l o g y b e l o n g s t o c o mp o s i t e b e a m r e i n f o r c e me n t ， i t h a s ma n y s u p e r i o r i t y s u c h a s c o n s t r u c t i o n i s c o n v e n i e n t ， l e s s we t o p e r a t i o n， s h o r t c y c l e T h i s a r t i c l e r e s e a t e d t h e s t e e l - c o n c r e t e c o mpos i t e b e a m t e c h n o l o gy a p p fi c a t i o n i n e a r t h q u a k e r e i nfo r c e me n t Ke y wo r d s ： s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e bea m； s t r u c t u r al s t ren g t h e n i n g ； a p p e d r e s e a r c h U 刖 罱 实际工程 中常遇到这样 的结构 ， 即在钢梁上铺 设钢筋混凝土板。这种结构中之所以使用钢梁， 主 要是因为其跨度大、 荷载大或者整体承重结构为钢 结构等。原来混凝 土板 只是作 为钢梁 的荷载 ， 混凝 土板与钢梁之间不存在组合作用。研究与工程实践 发现， 如果混凝土板与钢梁之间具有可靠连接 ， 使混 凝土板与钢梁组合成整体， 这不仅使梁的承载能力 显著提高， 而且梁截面刚度大大增加， 减少了梁的变 形 。这种将钢梁 、 钢筋混凝 土板及两者之间的剪切 连接件组成的梁 ， 称为钢与混凝土组合梁。组合梁 具有一系列的优点， 因而越来越广泛地在国内外被 采用。 1 型钢一混凝土组合梁加固技术 型钢一混凝土组合梁加 固技术是组合梁加固技 术 的一种 ， 它是在原有钢筋混凝土结构 的基础上 ， 依 靠焊缝和剪切连接件将型钢与被加固混凝土梁牢固 连接在一起， 最后在被加固梁与型钢间灌注高强度 结构胶， 使被加固混凝土梁和型钢形成一有机整体。 收稿 日期： 2 0 1 0 - 0 6 - 1 7 作者简介： 伍志强( 1 9 7 4 一) ， 男， 四川内江人， 高级工程师， 一级建造 师， 主要从事建筑施工技术及项目管理方面的教学与研究。 E m a i l ： wz q O 5 3 1 6 3 C O rn 在一些需要在框架梁上增加较大荷载或在承重墙上 开洞 、 扩大空间 的改造加 固工程 中， 这种将原有粱 ( 或圈梁) 改造成为型钢一混凝 土组合加 固梁 的加 固方法便发挥了很大作用。与其他加固方法相比， 型钢一混凝土组合加 固梁充分发挥 了混凝土和钢材 的有利性能， 因此具有以下优点 ： 1 ) 充分利用原有结构， 尽量不拆 或少拆原有结 构， 符合可持续发展的要求， 是一种“ 环保” 型的加 固改造方法。 2 ) 将原结构钢筋混凝土梁( 或圈梁 ) 与型钢组 合成整体， 使钢筋混凝土梁( 或圈梁) 成为组合梁的 一 部 分 ， 因此 比按 非 组合 梁考 虑 ， 承 载能 力显 著 提高。 3 ) 钢筋混凝土梁 ( 或圈梁 ) 组合成为全梁的一 部分， 因此在同样大小钢梁的情况下 ， 组合梁 比非组 合梁的竖向刚度及侧向刚度都有明显提高。 4 ) 混凝土处于受压区( 正弯矩 区段 ) ， 型钢主要 处于受拉区， 两种不同材料都能充分发挥各 自的长 处 ， 受力合理 ， 节约材料 。 5 ) 由于处于受压区的钢筋混凝土梁( 或圈梁) 刚度较大， 对避免钢梁的整体与局部失稳有着明显 的作用。从另一个角度讲， 将使钢梁用于防止失稳 方面的材料( 包括按计算及构造要求) 大为节省。 6 ) 降低梁高与房屋总高。这是由于在同等强 度与刚度的情况下， 型钢一混凝土组合梁的截面大 1 0 6 四川建筑科学研究 第 3 7卷 小及其高度比钢筋混凝土梁小。根据计算， 梁高大 致可减小 1 0 或更多， 这将增加净空， 或降低房屋 的总高度和建筑体积。 2 型钢一混凝 土组合加 固梁 的计算 方法 2 1 设计原则及基本假定 据 国内外实验结果证实 ， 组合梁在达到承载能 力极限状态时， 型钢基本可达到全部屈服 ， 即假定钢 梁全截面应力均达到其抗拉强度设计值 ， 混凝土受 压区均达到其抗压强度设计值。 截面抗弯强度按照塑性方法计算时， 必须满足 两个条件： 1 ) 型钢各板件在达到极限状态前不 发生局部 屈 曲； 2 ) 截面屈 服以后 ， 必须有足够 的转动能力 ， 即 在截面尚未达到屈服前 ， 不发生 因混凝土梁( 圈梁 ) 压碎而破坏。 型钢一混凝土组合加固梁截面按塑性理论进行 分析时， 分塑性 中和轴在钢筋混凝土梁 ( 或圈梁) 内 和在型钢 内两种情 况考 虑， 分别计 算并 作 出如下 假定： 1 ) 同时考虑全截面塑性 发展钢材强 度折减和 钢筋混凝土梁( 或圈梁) 侧面焊接钢板的贡献， 型钢 的抗弯强度设计值取 为f p = f o 。 2 ) 塑性 中和轴以下的全 部型钢截 面面积为拉 应力且达到 ； 塑性中和轴以上的全部型钢截面面 积为压应力且达到 。 3 ) 对 G B J 1 7 8 8 钢结构设计规范 采用将受 压区混凝土应力 图形化为等效应力 图形 的计算方 法 ， 由于考虑 了侧 面焊接钢板对钢筋混凝土梁 ( 或 圈梁) 的约束， 不考虑对受压区高度的折减。本文 建议， 对规范中取值 B=1 0 ， V=1 0 ， 这样 ， 混凝土 的弯曲抗压强度： =y c r 0 =1 2 5 f c 4 ) 塑性 中和轴以下 的混凝土是开裂 的， 不考虑 其受力； 以上的混凝土应力达到其弯曲抗压强度设 计值 。 5 ) 考虑钢筋混凝土梁( 或圈梁) 内钢筋屈服后 的强度， 受拉及受压极限强度均取为 。 2 2 正截面设计计算方法 当型钢一混凝土组合加固梁达到正截面强度极 限状态时 ， 塑性 中和轴可能在钢筋混凝 土梁 ( 或圈 梁) 内， 也可能在型钢中。这两种受力情况的界限 是组合梁达到极限状态时 ， 塑性 中和轴在钢筋混凝 土梁( 或 圈 梁 )的底 面。此 时 ， 根 据 力 的平 衡 条 件有 ： 4 厂 D=厂 6 + ( A 。 +A ) ( 1 ) 式中A 型钢的全截面面积； 塑性设计 时采用的型钢抗拉强度设计 值， 取为I厂 ； b ， 钢筋混凝土梁 ( 或圈梁) 的宽度 和 高度； 厂 混凝 土弯 曲抗压 强度设计 值， ， =1 2 5 f o ； A 。 ， A 钢筋混凝土梁 ( 或圈梁 ) 的受拉 区、 受 压区的钢筋截面面积； 钢筋的屈服强度。 根据式( 1 ) 来判断两种不同的受力情况。当 4 厂 0 f 。 b h+ ( A 。+A ) ( 2 ) 塑性中和轴在钢筋混凝土梁( 或圈梁) 内通过。当 a f pf b h+ 厂 v ( A 。 +A ) ( 3 ) 塑性中和轴在型钢 中通过。下面 ， 根据两类受力情 况来分别叙述型钢一混凝土组合加固梁的正截面强 度计算。 1 ) 当塑性 中和轴在钢筋混凝土梁 ( 或圈梁) 内 时 ， 其极限状态的应力如图 1 所示。 图 1 塑性中和轴在混凝土梁内的极限状态应力 Fi g 1 Li mi t s t a t e s t r e s s ma p o f p l a s t i c n e u t r a l a x i s i n t h e c o n c r e t e b e a ms 此时 ： A f pf 。 b h+ 厂 v ( A 。+A ) f 。 b x y + ( 。一 ) 一 f b 式中 全部荷载产生的最大弯矩 ； 中和轴到受压边缘的距离； y 型 钢 中 心 到 混凝 土 受 压 区 中 心 的 距离 。 2 ) 当塑性中和轴在型钢 内时 ， 其极 限状态的应 力如图 2所示。 此时： a f p厂。 b h+ f y ( A 。 +A ) M ( 厂 b h+ L A + 厂 v A ) Y 1 + A J p Y 2 2 0 1 1 N o 6 伍志强， 等： 型钢一混凝土组合梁在震后加固工程中的应用研究 1 0 7 图 2 塑性中和轴在 型钢 内时的极限状态应力 F i g 2 Li mi t s t a t e s t r e s s m a p o f p l a s tic n e u t r a l a x i s i n t he s e ct i o n A ： 0 5 一 一 丛 1 L ) p ) p 式中A 型钢受压 区面积 ； ， ， 型钢受压区中心到型钢塑性中和轴的 距离 ； y ： 混凝土受压区中心到型钢塑性 中和轴 的距离。 2 3剪切强度计算 在进行型钢一混凝土组合加固梁的剪切强度计 算时， 不考虑钢筋混凝土梁( 或圈梁) 的抗剪作用， 认为截面上的垂直剪力全部 由型钢腹板承受。一般 的型钢一混凝土组合加固梁处于弯剪共同作用 的状 态， 而弯剪共同作用将使梁的抗弯强度和抗剪强度 降低， 理论上讲， 应当考虑弯矩和剪力的相互影响。 但是， 国内外的实验证明， 当剪力较小时， 或者钢筋 混凝土梁 ( 或圈梁) 中的配筋量不是很小时 ， 即满足 ( A + A ： ) t0 1 5 时， 按照纯弯、 纯剪分别计算 梁的抗弯强度和抗剪强度与实验结果基本符合。因 此， 型钢一混凝土组合加固梁按照纯剪状态来计算 剪切强度 ， 可按下式进行计算 ： h w 。 ( 4 ) 式中 全部荷载产生的最大剪力设计值； 钢梁腹板高度； 钢梁腹板厚度 ； 塑性设计 时采用的钢材抗剪强度设计 值 ， 取 = 0 。 2 4 剪切连接件的计算 由型钢一混凝土组合加固梁弯矩最大截面到弯 矩零点之 间钢筋混凝 土梁 ( 或圈梁) 与钢梁界 面上 的剪力为： 当塑性中和轴在钢筋混凝土梁( 或圈梁) 内时， V= + 当塑性中和轴在型钢内时， = 厂 ： 她 因而， 型钢一混凝土组合加固梁最大弯矩截面 到弯矩零点截面之间的区段内所需剪切连接件总 数为 ： N= ： 式中 型钢一混凝土梁组合加固梁弯矩最大 截面到弯矩零点截面之间的区段内， 钢筋混凝土梁( 或圈梁) 与钢梁界面上 的纵 向剪力 ； 上述 区段内所需剪切连接件总数 ； 剪切连接件的抗剪承载力设计值， 即 一 块钢板与混凝土接触面下的混凝土 抗剪承载力设计值 。 同时， 在剪力较大区段 ， 可以适 当增多侧面钢板 条， 以保证可靠连接， 控制滑移影响。 3 型钢一混凝土组合梁在震后加 固 工程中的应用研究 3 1 工程概 况 绵 阳市绵 阳中学某 3层砖混结构教学楼 ， 层高 3 6 m。原设计 3 楼为一般教室， 已建成使用多年。 根据绵阳中学震后重建的要求， 3楼拟改为图书室， 需要将部分承重墙体拆除， 如图3 所示。根据原有 设计图纸及现场检测结果 ， 该房屋为现浇钢筋混凝 土楼板 ， 屋面板底设置有现浇钢筋混凝土圈梁， 混凝 土强度等级为 C 2 0一C 2 5之间。受绵阳中学委托， 我们对该房屋进行 了改造加固设计。 墙体拆除 加固圈粱 包钢加固柱 图 3 绵阳中学某教 学楼 3楼楼面加 固平面 F i g 3 Re i n f o r c e me n t g r o u n d p l a n o f t h e t l l i r d fl o o r o f M i a n y a n g m i d d l e s c h o o l 3 2 方案选择 为使该工程加固做到技术可靠、 经济合理、 施工 便捷和确保质量 ， 对 目前常用的混凝土结构加固方 法进行 了分析对 比。 1 ) 加大截面加固法 ： 根据本工程特点 ， 采用 此 法有如下不足之处： 一是由于该工程施工时正值冬 季， 混凝土的养护期比较长， 整个工期将受影响； 二 是新旧混凝土交界面处理比较困难， 施工难度较大， 质量难以保证； 三是梁高较高， 楼层净空将受到 影响。 2 ) 外贴纤维加固法： 在本工程中， 若直接在钢 1 0 8 四川建筑科学研究 第3 7卷 筋混凝土圈梁表面粘贴碳纤 维增强塑料 ， 由于圈粱 的抗弯刚度较小， 碳纤维增强塑料对其抗弯刚度增 量很小， 加 固后 ， 整个梁的挠度不能满足要求。 3 ) 外包钢加固法 ： 若直接在钢筋混凝土圈梁表 面包 以钢板加固， 同样会存在抗弯刚度不足 的缺点 。 4 ) 型钢一混凝土组合梁加固法 ： 这种方法具有 比强度高 、 刚度大、 施工便捷 、 周期短等优点， 既满足 了强度和刚度的要求 ， 又满足了工期要求 。 经综合比较 ， 最终选择型钢一混凝 土组合梁进 行本工程加固设计。 3 3 加固设计与施工 3 3 1加 固 方 法 考虑到原有圈梁混凝土等级较低 ， 先对该 圈梁 进行外包钢加固( 计算时， 偏于安全起见， 不考虑两 侧钢板受力) ， 然后， 在其下部焊接“ 上” 型焊接型 钢， 整体上形成一个“ 工” 字形截面， 如图4 所示。 图 4 3楼楼面梁加 固 F i g 4 Re i n f o r c e me n t p l a n o f t h e flo o r b e a m o f t h e t h i r d flo o r 3 3 2 计算分析 此处从略， 具体计算方法详见本文第2 部分。 3 3 3施 工工 艺 该改造加固工程的施工工艺流程 为： 卸荷 、 支 撑、 拆墙一混凝土梁及钢板表面处理一钢材下料 、 配 置结构胶一固定加压一焊接钢板一灌注结构胶。包 钢加固技术要求详见 C E C S 2 5 ： 9 0 混凝土结构加固 技术规范 。根据本工程特点 ， 施工 时需严格控制 如下几点： 1 ) 将屋面荷载卸除 ， 在待拆除墙体两侧楼板底 部做好可靠支撑 ， 拆除该处墙体。 2 ) 混凝土表面凿除平整， 用电动金钢砂磨片粗 磨( 清除浮浆层或碳化层) ， 再用电动钢丝圈细磨。 3 ) 钢材下料 ， 与混凝土面接触的钢板表面应打 磨至本色 ， 其打磨纹路与钢板受力方向垂直。 4 ) 配置结构胶 ， 钻好锚栓孔( 间距 5 0 0 m m错开 布置 ) 并清孑 L 。将下好的钢板按既定位置 固定于结 构上 ， 锚栓就位紧固， 使钢板与混凝土表面间隙尽量 减小 。 5 ) 焊接“=” 型钢。 6 ) 灌注结构胶 ， 采用“ 低压低速注浆法” ， 即尽 量采用“ 多孔缓流注浆法” 、 “ 吊浆法 ” ， 缓慢地将结 构胶注人钢板与混凝土表面之间 ， 提高其密实性 和 浸润性。 4 结 论 型钢一混凝土组合梁加固方法能显著提高加固 对象建筑的强度和刚度， 且施工方便、 湿作业少、 周 期短， 具有很好的应用前景。在加固后投入使用半 年使用状况良好， 没有发生任何异常现象， 得到了建 设方 的好评 。 参 考 文 献： 1 罗福午 建筑结构缺陷事故的分析及防治 M 北京： 清华大 学 出版社 ， 1 9 9 6 2 C E C S 2 5 ： 9 0混凝土结构加固 技术规范 s 3 范锡盛， 曹薇， 岳清瑞 建筑物改造和维修加固新技术 M 北京 ： 中国建材工业出版社 ， 1 9 9 8 4 C E C S 7 8 ： 9 6砖混结构房屋加层技术规范 s 5 王晓呜 住宅可靠性与维修决策理论及其应用 D 武汉： 武 汉工业大学 ， 1 9 9 9 6 G B 5 0 0 2 3 9 5建筑抗震鉴定标准 s f 7 J G J 1 1 6 9 8建筑抗震加固技术规程 S 一