孫 方，敬登虎

（東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

混凝土結(jié)構(gòu)是我國建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，隨著使用時間的逐漸增加，混凝土結(jié)構(gòu)加固已成為我國建筑業(yè)中一個新的發(fā)展熱點(diǎn)。目前常用的混凝土加固方法主要有以下幾種[1]：（1）增大截面加固法；（2）置換混凝土加固法；（3）外包型鋼加固法；（4）粘貼鋼板加固法；（5）粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法；（6）繞絲加固法；（7）鋼絞線（鋼絲繩）網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法；（8）增設(shè)支點(diǎn)加固法；（9）預(yù)應(yīng)力加固法；（10）結(jié)構(gòu)體系加固法。其中，外包型鋼加固法是一種既可靠、又能大幅度提高原結(jié)構(gòu)承載力的加固技術(shù)，按其與原構(gòu)件連接方式分為有粘結(jié)外包型鋼加固（濕式外包型鋼加固法）和無粘結(jié)外包型鋼加固法（干式外包型鋼加固法）。

使用結(jié)構(gòu)膠黏劑的加固法可能會存在一些問題，不使用結(jié)構(gòu)膠黏劑的干式加固法與其相比有一定的優(yōu)勢。濕式外包鋼采用結(jié)構(gòu)膠黏劑時，結(jié)構(gòu)膠黏劑存在耐久性和耐火性的問題[1]。并且，結(jié)構(gòu)膠黏劑粘貼的加固質(zhì)量很大程度上取決于膠黏劑的材料和施工工藝水平高低。對于粘貼鋼板而言，施工后一旦發(fā)現(xiàn)空鼓,進(jìn)行補(bǔ)救比較困難[2]。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為通過化學(xué)錨栓固定鋼板加固梁的施工工藝較簡單，其加固質(zhì)量比粘貼的要好。此外，干式加固法可能表現(xiàn)出較好的延性，粘鋼容易使加固后的構(gòu)件在粘結(jié)界面上發(fā)生脆性的剝離破壞[4-5]。文獻(xiàn)[6]和[7]中使用螺栓在梁側(cè)面錨固鋼板對RC梁進(jìn)行抗彎加固，試驗(yàn)結(jié)果表明梁在極限狀態(tài)下并未發(fā)生剝離破壞。文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)對比也認(rèn)為采用化學(xué)錨栓固定鋼板加固梁的延性優(yōu)于粘貼鋼板加固梁。

一般的外包鋼加固法（無論干式還是濕式）在加固時都得對混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行處理?；炷翗?gòu)件在表面打磨時，容易引起嚴(yán)重的灰塵污染，對施工人員的身體造成的一定的傷害。

結(jié)合上述各種加固方法中存在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出一種新型干式外包型鋼加固法，即通過對拉螺栓（完全機(jī)械錨固的方式）將槽鋼與原混凝土梁連接成一個整體進(jìn)行工作。該項(xiàng)加固技術(shù)具有環(huán)保(無需進(jìn)行表面處理)、避免有機(jī)結(jié)構(gòu)膠老化等優(yōu)勢，同時可以在不顯著增大梁高的情況下，較大程度地提高加固梁的承載力和剛度。由于僅采用螺栓完成連接，施工相對較簡便。此外，由于型鋼自身有較大的剛度和承載力，這種加固方法不僅可用于加固損傷較小的梁，同時也可用于加固損傷較大甚至已經(jīng)發(fā)生破壞的梁。

1 試件概述

1.1 試件制作

試件B1是1根對比RC梁，T型截面，混凝土選用C30商品混凝土，保護(hù)層厚度取20 mm，構(gòu)件詳圖如圖1所示。

圖1 試件B1的構(gòu)件詳圖

試件B2是在B1加載結(jié)束后采用文中所述的方法進(jìn)行加固，具體的加固詳圖見圖2所示。其中，槽鋼選用Q235鋼材，[36a截面；鋼板選用Q235鋼材，厚度均為10 mm；螺栓為10.9級螺栓，直徑為14、20、24 mm；焊條選用E43型焊條，角焊縫的焊腳尺寸hf=5 mm。

圖2 試件B2的構(gòu)件詳圖

圖2 中的加固方法是在原梁兩側(cè)各加一個槽鋼梁，在支座附近和梁跨內(nèi)適當(dāng)位置（如加載點(diǎn)對應(yīng)位置）分別用螺栓將原梁與槽鋼連接。梁跨內(nèi)混凝土梁底面與螺栓之間墊一塊鋼板，并且在此處鋼板與螺栓、鋼板與槽鋼腹板之間用角焊縫連接。支座附近通過在原梁和槽鋼上開孔用螺栓連接，槽鋼與支座不直接接觸。

在對試件B1的加載結(jié)束后，梁發(fā)生了彎曲破壞并產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余變形，卸載后梁跨中的殘余撓度在50 mm以上。為了使加固后的梁能滿足正常使用的要求并確保施工的方便，在加固前，將梁翻身并利用反力架將存在嚴(yán)重的殘余變形、彎曲明顯的梁在跨中一點(diǎn)頂起，使梁基本平直，如圖3所示。在頂平梁的過程中，原梁產(chǎn)生新的損傷，梁底一處（約在梁長的三等分點(diǎn)位置）的混凝土保護(hù)層被壓碎，縱筋屈曲，如圖4所示。加固方案中梁底螺栓位置已避開縱筋屈曲位置，如圖5所示。加固完成后的試件B2如圖6所示。

圖3 梁的頂平

圖4 頂平產(chǎn)生的新的損傷

圖5 試件B2一處螺栓與梁底縱筋屈曲處的相對位置

圖6 加固完成后的試件B2

1.2 材性試驗(yàn)

試驗(yàn)中所用混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測的平均值為33.3 MPa，縱筋屈服強(qiáng)度實(shí)測的平均值為471 MPa。

1.3 加載方案

試件采用單調(diào)加載模式，具體的加載方式如圖7所示。

圖7 加載方式

2 加固的定性分析

2.1 加固后的梁的整體受力機(jī)理

如果對試件B2進(jìn)行加載，加在混凝土梁上的部分力會通過梁底的螺栓和鋼板傳到槽鋼上，再由槽鋼傳到支座附近螺栓，最后通過支座附近的混凝土傳到支座，從而提高原梁的承載力和剛度，混凝土梁和槽鋼的受力狀態(tài)如圖8所示（只考慮豎向相互作用）。

通過受力機(jī)理分析可知，為了確保加固效果，需要做的以下幾點(diǎn)： （1）鋼梁要有一定的剛度和承載力；（2）槽鋼與原梁之間的連接要有一定的可靠性。關(guān)于（1），由于采用了截面慣性矩和抵抗矩都較大的槽鋼截面，因此已經(jīng)滿足了。接下來，具體分析連接的可靠性。

圖8 試件B2中混凝土梁與槽鋼的受力狀態(tài)

2.2 梁底的連接

考慮到在混凝土上開洞會進(jìn)一步增加混凝土損傷和施工難度，為盡量避免在混凝土上開洞，文中設(shè)計了圖9中所示的連接方式，結(jié)合了螺栓連接和焊接兩種傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)連接方法，試件B2中的最終連接效果如圖10所示。

圖9 梁底連接方案

圖10 試件B2梁底的連接效果

圖9 中連接的施工工藝如下：在布置好全梁的螺栓后（梁底螺栓與混凝土梁底之間預(yù)留空隙），使全梁的螺母處于較松的狀態(tài)，從梁長度方向?qū)摪迦M(jìn)預(yù)留的空隙中（鋼板厚度宜略小于實(shí)際的空隙大小使鋼板剛好可以塞進(jìn)空隙），然后擰緊所有螺母，這樣可以使梁底螺栓緊貼鋼板、鋼板緊貼混凝土梁底，最后利用角焊縫將螺栓與鋼板、鋼板與槽鋼腹板連接。

當(dāng)可以選用足夠厚的鋼板和足夠粗且強(qiáng)度足夠高的螺栓桿時，圖9中所示方案可不用角焊縫，僅僅利用螺栓來傳遞豎向的相互作用，此時鋼板僅起到墊板的作用。但就文中研究中的情況而言，槽鋼截面高度不宜比混凝土梁腹板高度大太多（考慮到實(shí)際工程中建筑凈空的要求），故試件B2中槽鋼選[36a的截面。槽鋼截面高度為360 mm且其翼緣厚16 mm，混凝土梁腹板高度為300 mm，槽鋼上翼緣頂面貼在板底，則鋼板和螺栓只有44 mm的安裝空間，如圖11所示，故不宜選用過厚的鋼板或過粗的螺栓。

圖9中的方案同時利用螺栓和角焊縫傳力，當(dāng)螺栓直徑較小時焊縫可以對連接起到“補(bǔ)強(qiáng)”的作用。并且，由于傳遞的力部分通過梁側(cè)有一定長度的角焊縫傳遞，而并非僅通過螺栓兩端的兩個“點(diǎn)”，鋼板與混凝土底面之間的接觸應(yīng)力趨于均勻，這對解決梁底混凝土局部受壓的問題是有利的。

2.3 支座附近的連接

考慮到實(shí)際工程中很難將后加的槽鋼伸入支座并形成有效的支承，文中采用螺栓錨固的方法將槽鋼懸掛在梁支座附近（見圖12），在受力過程中，槽鋼始終不與支座直接接觸。

圖 11 試件B2梁底螺栓、鋼板、砼、槽鋼的相對位置

圖12 試件B2槽鋼與支座的相對位置

由于在翼緣處采用螺栓連接，該螺栓主要承受拉力，而螺栓的抗拉強(qiáng)度較高，故此處螺栓不易破壞；當(dāng)拉力傳到混凝土梁頂面使混凝土局部受壓時，采用鋼墊板分散應(yīng)力，可以避免混凝土局部受壓破壞，故支座附近采用的連接有一定的可靠性。

此外，加固已經(jīng)發(fā)生彎曲破壞的簡支梁時，雖然梁大部分區(qū)域混凝土開裂嚴(yán)重，損傷較大，但支座附近局部混凝土損傷較小，如圖13所示，仍可利用其進(jìn)行傳力。

圖13 受彎破壞的RC梁的損傷分布

3 試驗(yàn)的結(jié)果與分析

試件B1、B2的荷載位移曲線如圖14所示。圖中荷載表示2個加載點(diǎn)荷載之和，試件B2的撓度表示混凝土部分的跨中位移。

圖14 荷載位移關(guān)系曲線

試件B1是1根普通RC梁，由于梁底縱筋較少，彎剪段配箍率較大，最終發(fā)生彎曲破壞并表現(xiàn)出較好的延性，加載結(jié)束時的狀態(tài)可參考圖15。圖14中試件B1的荷載位移曲線可以近似看做由3條直線組成。當(dāng)圖中荷載達(dá)到220 kN以后，試件B1的受拉縱筋逐步屈服，曲線緩緩上升，曲線的切線斜率迅速下降并趨近于零。在加載的后期，梁的變形較大使加載點(diǎn)處的墊塊在靠近跨中一側(cè)與梁頂面脫開，如圖16所示，實(shí)際的加載點(diǎn)向支座移動，故試驗(yàn)所測得的有較大變形時承載力可能偏大，故取“水平線”的起點(diǎn)（7.28，222）作為試件B1承載力和剛度的參考點(diǎn)。該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)即相應(yīng)的割線柔度（其物理意義為單位荷載產(chǎn)生的跨中撓度的大?。?.032 8 mm/kN，這可以作為試件B1剛度的參考指標(biāo)。當(dāng)荷載達(dá)到222 kN后，試件B1的荷載增加緩慢并存在測量值偏大的可能性，故近似取222 kN作為試件B1的承載力。

圖15 試件B1的破壞形態(tài)

圖16 試件B1有較大變形時墊塊一側(cè)與梁頂面脫開的現(xiàn)象

在試件B2的試驗(yàn)中，當(dāng)荷載達(dá)到圖14中的峰值時，支座處的混凝土被壓碎、碎片向周圍飛出，同時伴有較大聲響，然后荷載迅速下降。在破壞發(fā)生前無明顯預(yù)兆，屬于脆性破壞。試驗(yàn)最終因支座處混凝土發(fā)生局部受壓破壞而終止，槽鋼、槽鋼與RC梁的連接沒有發(fā)生破壞（見圖17）。圖14中試件B2的荷載位移曲線在達(dá)到峰值點(diǎn)之前基本是線性的且在達(dá)到220 kN之前，試件B1與試件B2的曲線基本重合，圖中試件B2曲線上的（8，221）點(diǎn)對應(yīng)的割線柔度為0.036 2 mm/kN，比試件B1對應(yīng)的柔度大10%，可以認(rèn)為試件B1與試件B2的剛度基本相等。當(dāng)荷載達(dá)到峰值點(diǎn)678 kN時，試件B2在支座處發(fā)生破壞，該點(diǎn)為試件B2受彎承載力的下限值，比試件B1的承載力高出205%。

圖17 試件B2的破壞形態(tài)

試件B2在加固之前，RC梁部分先發(fā)生受彎破壞并產(chǎn)生較大的殘余變形，后被頂平并導(dǎo)致梁底縱筋屈曲，可以認(rèn)為在加固前RC梁已經(jīng)基本喪失了承載力和剛度，即試件B2表現(xiàn)出的承載力和剛度全部為加固的成果。加固完成后，如圖16所示，加固使試件恢復(fù)了一定的剛度和承載力，且試件B2的剛度和承載力均不小于無損傷的對比梁B1。

本次試驗(yàn)中加固后的試件最終在支座處發(fā)生脆性破壞，主要有以下幾點(diǎn)原因：

（1）支座處有效的支承面積不夠大。為了保證簡支梁在支座處是理想的鉸支，試驗(yàn)中采用了圖18所示的支座，圖中圓鋼和混凝土之間的鋼墊板的厚度僅為18 mm，支座反力通過墊板傳至混凝土表面上的分布面積有限，應(yīng)力比較集中，容易造成支座處的破壞。這與實(shí)際工程中的支承情況是不同的。

圖18 支座

（2）梁的跨度比較小。試驗(yàn)中RC梁的計算跨度與梁高的比，比實(shí)際工程中大部分RC梁小。如果改用跨度較大的梁，在同樣的荷載（或支座反力）下，跨中的彎矩就更大，則梁的抗彎承載力就可能小于支座處的局部受壓承載力，采用對拉螺栓錨固槽鋼加固的梁就可能發(fā)生受彎破壞。

4 結(jié)論

基于定性的理論分析和相應(yīng)的試驗(yàn)研究，可以初步得到以下結(jié)論：

（1）對拉螺栓錨固槽鋼加固RC梁的加固方法具有很好的可行性，能夠較大地提高被加固梁的承載力和剛度，甚至可以使已經(jīng)發(fā)生破壞的梁完全恢復(fù)承載力和剛度。

（2）文中所采用的連接方法，特別是在梁底同時利用螺栓和角焊縫進(jìn)行傳力的方法，有一定的可靠性。

（3）對拉螺栓錨固槽鋼加固RC梁的方法在加固跨度較短或支座處承載力較低的梁時，應(yīng)加強(qiáng)局部受壓承載力的計算，避免加固后梁發(fā)生支座處的脆性破壞。

（4）文中的試驗(yàn)研究沒有做出加固后的梁的彎曲破壞形態(tài)，后期的試驗(yàn)研究方案有待進(jìn)一步改進(jìn)。