倒U型箍新型加固梁的原理及應用

李國俊 馬天銀 周杰

摘要：本文分析了傳統鋼筋混凝土梁加固方法的不足，提出了倒U型螺桿加固鋼筋混凝土梁的新型方法，可顯著提高梁的承載力，且傳力明確、工藝簡單、施工方便。通過對倒U型螺桿新型加固方法在某辦公樓中的應用介紹，可為類似工程的加固提供參考。

關鍵詞：荷載增加;鋼筋混凝土梁;倒U型螺桿;新型加固方法

Abstract： A new RC beam reinforcement method， inverted U-shaped screw member was proposed， considering the disadvantage of traditional of RC beams reinforcement methods. The flexural strength of RC beam was enhanced obviously with the help of inverted U-shaped screw member， and the new reinforcement method has many advantage， e.g.， clear force-transferring path， simple technology， convenient in construction， etc. A practical construction reinforcement by the new inverted U-shaped screw member introduced， which can provide references for similar project about design and construction.

Keywords： increasing load; RC beam， inverted U-shaped screw member; new reinforcement methods

混凝土結構存在因使用功能改變、結構荷載增加，而需要加固的問題。結構加固方法可以分為兩類，即直接加固法和間接加固法。工程中常用的鋼筋混凝土梁的加固方法有[1]：加大截面加固法、外包鋼加固法、粘鋼加固法等。這些加固方法主要存在以下不足：尺寸增加較大，加固效果較差;工藝復雜，施工困難;傳力復雜，耐久性差。本文提出一種鋼筋混凝土梁的新型加固方法，可保證角鋼與梁的緊密結合，該加固方法傳力明確、可靠，可大幅提高結構承載力，且工藝簡單，施工方便。鋼筋混凝土梁的新型加固方法，已獲得實用新型專利，專利號：ZL201120165733.2。

1 鋼筋混凝土梁的一般加固方法

對受彎構件進行加固，主要提高受彎構件的抗彎、抗剪承載能力，增加剛度，以達到對受彎構件加固、補強的目的。

本文依據《混凝土結構構造手冊》[1]中提供的混凝土梁加固方法，分析傳統加固方法的不足。

1.1 U型箍加固

圖1所示為U型箍加固的簡圖，該加固方式主要存在如下不足：①梁底部扁鋼條與兩角鋼焊接，沿梁軸線的扁鋼箍或鋼筋箍與梁下角的角鋼也采用焊接。焊接一方面易使角鋼變形，導致角鋼與梁不能緊密粘結甚至粘結失效，另一方面焊接也容易咬傷受力構件，影響加固效果。②角鋼與梁用乳膠水泥、環氧樹脂化學灌漿等方法粘結，易老化，其耐久性難以保證。

1.2 斜倒U型箍加固

圖2所示為倒U型箍加固，該加固方式主要存在如下不足：①梁的斜截面采用倒U形箍筋，斜U型箍彎折處難以形成直角，而梁底一般為直角，即使在被加固梁的下側設鋼墊板，在U形箍轉折處依然會造成梁底角的破損，且工藝復雜。②倒U形箍與斜截面相交設置，需在板中打斜向孔洞，施工困難。

1.3 U型箍板加固

附加錨固扁鋼加固（圖3），主要存在如下不足：①梁底加固鋼板與梁間的粘接劑易老化，加固耐久性難以保證。②梁底粘鋼只可增加40%的承載力，加固能力有限。③梁斜截面粘接并聯U形箍板進行加固，用膠粘貼在梁上，其結合程度難以控制。④ 為了錨固U型箍板，需在上端粘貼縱向鋼壓并以膨脹螺栓錨固于梁上，傳力不直接，且工藝繁瑣。⑤ U型箍板高度僅延伸至梁板底，影響整體加固效果。

2 鋼筋混凝土梁的新型加固方法

針對現有上述常用加固方法的不足，依據鋼筋混凝土梁的受力機理，結合工程的實際，參照《混凝土結構加固構造》[2]及《鋼結構設計規范》[6]，對傳統加固方法進行改進，提出一種鋼筋混凝土梁的新型加固方法-倒U型螺桿新型加固法。

2.1 倒U型螺桿新型加固法

作為鋼筋混凝土梁新型加固方法，主要特征如圖4所示。

新型加固方法采用兩角鋼分別粘貼于梁底角，將倒U型螺桿向下依次穿過上部鋼墊板和樓板，在梁的底角通過鎖緊螺母固定在下部鋼墊板之上。之后在樓板上澆筑鋼筋混凝土保護層，覆蓋U型螺桿和上部鋼墊板，提高了樓板的承載力，達到樓面外表面的美觀性要求。

2.2 倒U型螺桿新型加固法的優點

倒U型螺桿加固鋼筋混凝土梁提供了一種保證角鋼與梁緊密結合的方式。與現有技術相比，倒U型螺桿加固法具有如下優點：

1）角鋼與梁間粘結力、倒U型螺桿施加給角鋼的預應力使得角鋼與梁的緊密結合得到了雙重保障。

2）梁底的下部鋼墊板、角鋼、倒U型螺桿形成了鋼構套骨架，通過對梁施加預應力而形成一個受力整體，可明顯提高結構承載力，不僅傳力明確，而且避免了傳統焊接時角鋼產生變形及咬傷。

3）倒U型螺桿穿過樓板，固定于梁底的下部鋼墊板上，即實現對梁斜截面的全高加固，又避免了對梁底直角棱的破損。

4）倒U型螺桿從上往下穿插，并采用螺栓連接，工藝簡單、方便施工。

3 工程應用

3.1 工程概況

重慶市北部新區某商務中心辦公樓建于2007年，為21層框架剪力墻結構，建筑總高度79.8m，A級高度。辦公樓投用后，第13層的B-13、B-14兩條軸線之間的整跨，由原來的辦公用房改變為檔案庫使用，其柱距9.3m×8.1m，總面積約286m2，層高3.6m。原設計的辦公用房樓面活荷載標準值為2.0kN/m2，而現用途的檔案庫樓面活荷載標準值增大到7.5kN/m2。為確保安全，需對改變房間功能后原樓柱、梁、板的安全性進行評價，必要時進行加固改造。

3.2 計算分析

原結構按照結構安全等級為二級，構件抗震等級為三級、6度抗震設防、第1組、III類場地，室內環境類別為一類。原結構混凝土為C30，鋼筋混凝土主、次梁截面分別為：350×700mm、250×500mm，主、次梁梁底主受力筋分別為4C25、3C16，端部負彎矩分別為6C25、3C20，主筋鋼筋等級為HRB400，箍筋鋼筋等級為HPB235。

采用中國建筑科學研究院編制的SATWE程序對結構進行計算分析。依據原設計圖紙在SATWE計算模型中輸入結構構件幾何參數，活荷載取按建筑功能改造改變后的樓面活荷載標準值7.5kN/m2。計算分析表明：梁的配筋不能滿足承載力要求[3][4]，板的跨中及支座配筋均不能滿足承載力要求和正常使用要求[3][4]。因此需要對梁和樓板進行加固處理。

3.3 加固方案及驗算

3.3.1 加固措施

樓板采用板底粘貼碳纖維復合材和板頂澆筑混凝土的混合加固方法，具體的加固計算和操作詳見文獻[5]。主梁和次梁的加固即采用本文提出的倒U型螺桿新型加固方法，如圖6（a）所示，為了滿足防火要求，所有外露鋼構件據均采用熱鍍鋅、并刷防火涂料的措施（圖6（b））。

主梁梁底兩角的角鋼采用L140×10，倒U型螺桿采用A20@200，下部和上部鋼墊板分別采用鋼板-14×100×500mm、-14×100×480mm，鋼材為Q235B，倒U型螺桿用HPB300。梁端負彎矩處澆筑鋼筋混凝土，其中受力鋼筋增加4C25，新澆筑60mm厚的C35混凝土層。

次梁梁底兩角的角鋼采用L100×10，倒U型螺桿采用A12@300，下部和上部鋼墊板分別采用鋼板-10×80×320mm、-10×80×300mm，鋼材用Q235B，倒U型螺桿用HPB300;梁端負彎矩處新澆筑50mm厚的C35混凝土層。

3.3.2 加固后結構承載力的驗算

辦公用房因使用功能改變而增載后，主梁跨中正彎矩為609kNm，端部最大負彎矩為732kNm，依據《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）[7]計算加固后結構的承載力。對于矩形截面受彎構件的受拉面外包型鋼進行加固時，加固后正截面的承載力要滿足：

類似可驗算主梁抗剪和次梁承載力均滿足要求。

主梁采用倒U型螺桿新型加固方法加固后，梁的承載力為加固前的近4倍，大大提高了構件的承載力，較好的滿足了檔案庫的承載力要求。

3.4 加固效果

本檔案庫已投運了9年，經檢測加固后的梁板沒有不良反應，使用狀況良好，取得了理想的加固效果。且在在加固施工中，不需要支底模，倒U型螺桿由上往下穿、螺栓連接，大大方便了施工，現場工期不到傳統技術方案的一半，綜合造價節省了約30%。

4 結語

倒U型螺桿新型加固方法提供了一種保證角鋼與梁緊密結合的鋼筋混凝土梁加固形式。該加固方法傳力明確、可靠，可明顯提高結構承載力，且工藝簡單，施工方便，易于推廣。

該加固方法已用于辦公樓檔案庫的加固，加固效果好，達到了預期目的，為類似現澆混凝土梁結構加固改造設計提供了一種參考。

參考文獻：

[1]王文棟等. 《混凝土結構構造手冊》（第三版）[M]. 中國建筑工版社 2008.

[2]06SG311-1-2006 混凝土結構加固構造[S].

[3]GB50010-2010. 混凝土結構設計規范[S].

[4]GB50009-2012. 建筑結構荷載規范[S].

[5]李國俊.周杰.碳纖維與增大截面混合法加固樓板結構的計算及應用[J]. 工業建筑，2015，45：327-330.

[6]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].

[7]GB50367-2013. 混凝土結構加固設計規范[S].

作者簡介：馬天銀，男，1976年出生，工程師。

國核電力規劃設計研究院重慶有限公司 重慶 401121;重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074