钢2混凝土组合结构在加固工程中的应用

[摘要] 结合某工程实际介绍了钢2混凝土组合结构在加固改造工程中的应用,对其工程背景、加固方案的比选、设计及施工方法进行了详细的介绍分析。结果表明,采用钢2混凝土组合结构的加固方法具有大幅度提高承载力,减小挠度,施工方便快捷等优点,值得推广应用。

[关键词] 加固;组合梁;工程应用

[中图分类号] TU74613 [文献标识码] A 　　　　[文章编号] 100228498 (2007) 0520026203

　　采用有效的加固方法对存在问题的建筑物进行加固处理,恢复和提高其承载能力以满足使用要求,可以给国家带来巨大的经济效益和社会效益。用于混凝土结构加固的方法很多,需要根据加固结构的特点进行选择,对于使用荷载大幅增加的结构,更要慎重选择加固方法[1] 。在诸多的加固方法中,采用钢2混凝土组合结构对混凝土梁、板进行加固处理,可以显著提高其承载能力,在技术、施工、综合效益上有突出优势。该方法的现场工作量小、施工周期短、对结构净空影响小、方便快捷,值得推广应用。本文结合某加固工程实例,详细介绍了钢2混凝土组合结构在加固工程中的应用。

1 　工程概况

　　本工程由主楼和住宅楼两部分组成。其中主楼建筑面积约为19 000m2 ,主楼为地上20 层、地下1 层的框架筒体结构,楼板均为现浇混凝土板。该工程主楼于1995 年开工,2000 年竣工。由于种种原因,后期工程没有跟上,成为烂尾楼。2005 年新的业主对该楼进行开发利用,部分结构的使用功能发生改变。

　　本工程加固改造中, lu～lx轴与X ～ a 范围内的大约300m2 的房间,由以前设计的办公用房改为库房(见图1) ,使用活荷载由2kNPm2 增加到12kNPm2 。根据检测鉴定报告和计算分析:一方面使用荷载增加后受影响的剪力墙部分可以满足承载力要求,受影响的柱子经过简单的加固处理后,也可以满足承载力要求;另一方面该部分的楼板在荷载增加后,抗弯承载力和刚度不满足要求,混凝土框架梁及次梁抗弯承载能力和刚度严重不足,抗剪截面不足。根据以上的计算分析重点,需要对梁、板结构进行加固处理。

2 　改造加固方案的选择

　　针对由于使用功能改变,需要大幅度提高楼板和梁的承载力和刚度的问题,同时提出了4 种解决方案:①采用后浇混凝土叠合层方法加固混凝土梁、板; ②采用粘贴碳纤维或钢板的方法加固混凝土梁、板; ③拆掉原混凝土梁、板,重新浇注混凝土; ④采用钢2混凝土组合结构加固混凝土梁、板。

　　采用方案①对混凝土改变使用功能部分的梁板进行加固,可以有效地提高梁、板的承载能力和刚度,而且耐久性好,安全可靠。但是该方法的现场湿作业工作量大,养护周期长,影响房屋的外观尺寸和净空。方案②是目前加固行业中经常用到的加固方法,在梁板的上、下表面粘贴钢板或碳纤维,可以有效地提高截面的抗弯承载力,但是不能无限提高抗弯承载能力[2] (粘碳纤维抗弯承载能力提高不宜超过40 % ,粘钢类似) ,此外该方法无法提高截面刚度,耐久性和耐高温性较差,并且造价较高。采用方案③可以彻底解决梁、板的承载力和刚度问题,但是工程量大,施工周期长,对原有结构的影响大,而且没有充分利用原有结构的承载能力,浪费很大,造价较高。采用方案④对梁、板进行加固,可以有效地解决梁、板的承载能力和刚度问题,而且现场工作量小,施工周期短,对结构净空影响小,造价适中。其它方案如采用体外预应力、改变受力体系等,经过技术经济效果分析,均不大理想。对比分析认为,采用钢2混凝土组合结构,对本工程梁、板进行加固的方法在技术和经济上均优于其它方法,故最后确定采用方案④。

3 　加固设计

　　在加固改造之前,对影响到的梁、板进行重点的检查和分析,发现框架梁和次梁主体未发生破损,部分现浇板、梁有裂缝出现。计算分析认为混凝土梁、板的承载能力没有降低,裂缝是由于混凝土硬化收缩和多年风吹日晒造成的,加固计算中可以考虑现有截面的抵抗作用。

　　原混凝土楼板为6 000mm ×3 000mm的单向板,为了提高其承载能力和刚度,采用在楼板下增加H 形钢梁,平面布置如图2 中的新GCL。两主梁之间楼板从原来的1 根混凝土次梁支承转变为2 根H 形钢梁和1根混凝土次梁共同支承,板的跨度从3m 降低到1. 5m。跨度的减小有效地降低了混凝土楼板的设计内力,加固后的楼板可以满足荷载增加后的承载力和刚度要求。新GCL有效地分担了由混凝土楼板传来的荷载,

混凝土次梁承担的荷载显著减少,不需要再做特别的加固处理。

　　原混凝土框架梁的截面为200mm×500mm,为了提高其承载能力和刚度,满足截面抗剪要求,采用在混凝土梁底沿其轴线方向增加H 形钢梁,形成钢2混凝土组合结构的方法,对混凝土梁进行加固处理。平面布置如图2 中的新GL。

　　根据文献[ 324 ] 对加固后的梁、板进行计算分析。计算分析显示,加固后梁、板的抗弯、抗剪承载能力均满足结构抗力要求,跨中挠度和裂缝宽度验算满足规范要求,并且具有一定的安全储备。

4 　加固的实施及工艺流程

4．1 　加固的实施

　　混凝土楼板加固采用钢梁的规格为H350 ×200 ×8×14 ,Q235 钢。钢梁与混凝土楼板交界面作粘钢处理,端部与混凝土框架梁采用节点板连接固定。梁端与框架梁连接处各设置一400mm ×400mm,厚度为16mm 的钢垫板,采用M22 的化学锚栓固定于混凝土框架梁两侧,垫板上再焊接钢板,焊接钢板与H 形钢梁采用高强螺栓连接,连接详图如图3 所示。

　　混凝土框架梁加固采用钢梁的规格为H350 ×200×8 ×14 ,Q345 钢,布置如图2 中的新GL 所示。为了保证质量,减少现场工作量,在钢梁的两端各设置一个015m长的短梁。短梁一端与节点板在构件厂焊接,另一端采用高强螺栓与中间部分钢梁在现场拼接。加固楼板的新GCL 在端部作为一集中力加到主梁上,为了避免局部失稳,在新GCL 与新GL 交接处中设置横向加劲肋,如图3 所示。梁端与框架柱的连接详图如图4所示。采用2M12 @300 (加密区为2M12 @150) 的化学锚栓作为抗剪连接件,以保证混凝土梁和钢梁协调变形共同工作,化学锚栓的布置如图5所示。

4．2 　加固的工艺流程

　　1) 混凝土楼板加固流程　型钢梁准备→卸荷→基底处理→梁端节点板制作安装→配胶→粘贴→梁端连接→固定及加压→固化→检查→耐火防锈处理。

　　2) 混凝土框架梁加固流程　型钢梁准备→卸荷→基底处理→打孔→梁端节点板(带短梁) 制作安装→长梁固定→高强螺栓与短梁连接→植化学锚栓→检查→耐火防锈处理。

　　本文在此对混凝土框架梁加固中打孔顺序作一说明,其余参考相关规范。混凝土框架梁加固中需要使用化学锚栓作为抗剪连接件,由于混凝土框架梁受力钢筋的影响,通常首先在混凝土梁上打孔,再根据混凝土梁上孔的位置返到钢梁翼缘上,以保证化学锚栓安装位置的准确性。

5 　结语

　　本工程的改造加固实践证明,采用钢2混凝土组合结构大幅度提高梁、板的承载能力,是一种方便有效的加固方法。该加固方法可以很好地解决改造加固工程中荷载大幅度提高的工程问题,技术经济效益和社会效益显著,对加固技术的发展具有重要的参考借鉴意义,符合我国基本建设和加固改造并举的国情,值得推广应用。

参考文献:

　　[1 ] 　Trikha ND , Jain CS , Hall KS. Repair and strengthening of damagedconcrete beams[J ] . Concr. Int . , 1991 , (6) :539.

　　[2 ] 　滕锦光. FRP 加固混凝土结构[M] . 北京:中国建筑工业出版社,2005.

　　[3 ] 　中华人民共和国建设部. GB5001022002 混凝土结构设计规范[ S] . 北京:中国建筑工业出版社,2002.

　　[4 ] 　中华人民共和国建设部. GB5001722003 钢结构设计规范[ S] . 北京:中国计划出版社,2003.