組合加固混凝土懸挑梁力學(xué)性能研究

羅永成， 譙旭東， 郭 川， 吳 兵， 楊健兵

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司， 成都 610031)

0 概述

建筑功能發(fā)生變化時(shí)，構(gòu)件可能不滿足安全性、適用性和耐久性的基本要求。因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或加固，使其可靠度得到保證。目前針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法主要有增大截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法及碳纖維加固法等[1]。

戴俊偉[2]對(duì)4組采用增大截面加固后的混凝土梁進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，增大截面法是一種有效的加固方法，處理后的新、舊混凝土結(jié)合面協(xié)同變形能力較好，不會(huì)發(fā)生滑移。黃建鋒[3]對(duì)采用增大截面加固后的混凝土框架進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，加固后框架的承載力、延性及耗能性能均有一定程度的提高。

陳軒[4]對(duì)外包鋼加固鋼筋混凝土梁承載能力和破壞模式進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，結(jié)果表明，加固前后梁的破壞模式相同，均為角鋼屈服導(dǎo)致的彎曲破壞；加固后梁的極限承載力和初始剛度顯著提高。徐銓彪[5]運(yùn)用有限元軟件對(duì)外包鋼加固法行分析，結(jié)果表明，通過外包鋼加固后，梁的承載力和延性均明顯提高。

張繼文[6]對(duì)10組預(yù)應(yīng)力加固后的混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了預(yù)應(yīng)力加固對(duì)梁正截面及斜截面承載力的提升情況。結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力加固后，梁的正截面承載力和斜截面承載力都有一定程度提高，控制預(yù)應(yīng)力的大小可調(diào)整提高比例。李忠獻(xiàn)[7]針對(duì)碳纖維加固法，推導(dǎo)了彎、剪、扭復(fù)合受力下梁加固后承載力的計(jì)算公式。方超[8]通過試驗(yàn)證明，型鋼加固法可提高混凝土梁的抗彎承載力，構(gòu)件支座處混凝土受拉、鋼梁受壓，是組合梁設(shè)計(jì)的控制截面。唐煜[9]對(duì)碳纖維加固、預(yù)應(yīng)力加固以及組合加固后的6組構(gòu)件進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，組合加固法可有效提高混凝土梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和抗彎剛度。韓大江[10]采用角鋼+鋼板帶的方式加固混凝土柱，采用下翼緣板下方焊接T形加固件的方式加固吊車梁，結(jié)果表明，加固后的構(gòu)件承載力和安全性均滿足要求，且加固施工過程未影響正常生產(chǎn)。

不同的加固方法已廣泛應(yīng)用于工程。本文主要根據(jù)某加固項(xiàng)目，提出幾種可行的加固方法，根據(jù)實(shí)際條件選取型鋼支撐加固鋼筋混凝土組合梁的組合加固方案，并對(duì)加固后的構(gòu)件進(jìn)行研究。

1 工程概況

某混凝土改造工程為42層框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度為163.9m，底部8層建筑功能為商業(yè)，層高均為6.0m；9～42層建筑功能為住宅，層高均為3.4m，標(biāo)準(zhǔn)層(9～42層)結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2為3層中庭位置的結(jié)構(gòu)布置圖，該位置原混凝土梁懸挑長(zhǎng)度為4.9m，與框架柱相連的懸挑梁截面尺寸為500mm×1 000mm。改造方案中要求將懸挑長(zhǎng)度增加至10.0m。

圖2 結(jié)構(gòu)局部平面布置圖(改造后)

2 方案比選

拆除原結(jié)構(gòu)梁并重新設(shè)計(jì)、施工，周期較長(zhǎng)且會(huì)造成浪費(fèi)。中庭的框架柱均為型鋼混凝土柱，新增梁在型鋼混凝土柱上植筋時(shí)，植筋深度較難達(dá)到要求。根據(jù)此項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)和工期要求，提出了增大截面、屋面吊掛、增設(shè)拉桿以及增設(shè)型鋼支撐這幾種加固方案。

2.1 增大截面加固方案

增大截面加固方案是直接增大原懸挑梁的截面，使其承載力滿足要求，如圖3所示。在原挑梁根部新增一定高度的混凝土現(xiàn)澆段，其長(zhǎng)度略大于原挑梁。在新增梁端部進(jìn)行豎向截面收進(jìn)形成楔形以減輕自重。經(jīng)過計(jì)算，梁高需增加0.65m，此種加固方案影響了商業(yè)凈空，同時(shí)施工難度較大，梁端撓度也不能滿足規(guī)范要求。

圖3 梁增大截面方案局部立面布置圖

2.2 屋面吊掛加固方案

屋面吊掛加固方案是通過高強(qiáng)拉桿將加長(zhǎng)后的懸挑梁端部逐層連接，并最終吊掛于屋面相應(yīng)位置的大型鋼桁架上，如圖4所示。屋面吊掛加固方案能控制挑梁的截面、配筋及撓度，但對(duì)屋面大型鋼桁架要求較高。經(jīng)過計(jì)算，鋼桁架高度需達(dá)到3.0m才能滿足剛度和承載力的要求。鋼桁架對(duì)屋面下層空間的影響較大，施工也較為復(fù)雜。

圖4 屋面吊掛方案局部立面布置圖

2.3 增設(shè)拉桿加固方案

增設(shè)拉桿加固方案是通過高強(qiáng)拉桿將挑梁中部逐層斜拉于框架柱上，以減小懸挑梁的根部彎矩及配筋，如圖5所示。增設(shè)拉桿加固方案能很好地控制梁的截面、配筋及撓度。新增挑出部分梁的縱筋可通過植筋植入原結(jié)構(gòu)梁中。

圖5 增設(shè)拉桿方案局部立面布置圖

2.4 增設(shè)型鋼支撐加固方案

增設(shè)拉桿加固方案對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷較小且施工方便，但上部受拉節(jié)點(diǎn)不易實(shí)現(xiàn)。因此將增設(shè)拉桿加固方案中的拉桿改為斜撐，在滿足結(jié)構(gòu)需求的同時(shí)，對(duì)建筑空間的影響也較小。

在YJK模型中將斜撐建入模型并進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)斜撐對(duì)該結(jié)構(gòu)整體參數(shù)幾乎沒有影響，僅對(duì)懸挑附近的梁柱配筋影響明顯。為研究增設(shè)型鋼支撐方案對(duì)懸挑梁靜力荷載作用下承載力的影響和節(jié)點(diǎn)的可靠程度，本文對(duì)增設(shè)型鋼支撐后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力分析。

3 結(jié)構(gòu)分析及有限元驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過計(jì)算并不斷調(diào)整斜撐的截面和斜撐的角度，最終梁頂計(jì)算配筋值小于原設(shè)計(jì)配筋。充分利用原懸挑梁的鋼筋，除加支撐外可不采取其他加固措施，極大地節(jié)約了成本及工期。此外，框架柱的配筋未明顯增加，通過外包鋼加固即可滿足要求。

3.2 有限元模型

為驗(yàn)證斜撐(圖6)分析結(jié)果的正確性，基于ABAQUS軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬加載，分析節(jié)點(diǎn)混凝土及鋼筋的塑性發(fā)展過程。型鋼和混凝土采用實(shí)體單元模擬，鋼筋采用T3D2單元(兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架)模擬。鋼筋與混凝土的相互作用設(shè)定為嵌入式約束，不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移。如圖7所示，型鋼端部與混凝土的相互作用假定為嵌入式約束，斜撐與牛腿通過綁定進(jìn)行約束。型鋼為Q355鋼材，混凝土梁鋼筋選用HRB400級(jí)鋼筋，本構(gòu)均采用雙折線本構(gòu)模型，彈性模量E=2.06×105N/mm2，屈服后模量Et=0.01E，泊松比μ=0.3。有限元模型只考慮斜撐的靜力性能，鋼材定義為各項(xiàng)同性并采用von Mises屈服準(zhǔn)則。

圖6 有限元模型

圖7 型鋼梁與混凝土梁嵌入連接示意

網(wǎng)格劃分時(shí)主要考慮模型節(jié)點(diǎn)中主表面和從表面對(duì)網(wǎng)格的要求不同，對(duì)受力復(fù)雜的面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。節(jié)點(diǎn)的邊界條件為：約束圖6中柱下端E的所有自由度；約束圖6中A，B，C，D處的平動(dòng)自由度。

3.3 結(jié)果分析

節(jié)點(diǎn)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，型鋼及鋼筋的von Mises應(yīng)力如圖8所示。由圖8可以看出，與型鋼連接處，梁底部縱筋的von Mises應(yīng)力達(dá)到了300N/mm2，但未達(dá)到屈服強(qiáng)度。

圖8 型鋼及鋼筋von Mises應(yīng)力云圖/(N/mm2)

設(shè)計(jì)荷載下型鋼及鋼筋的塑性應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。可以看出，型鋼處于彈性受力狀態(tài)，與型鋼相連接的混凝土梁下部縱筋部分進(jìn)入塑性，但塑性應(yīng)變較小，說明此方案中型鋼的設(shè)計(jì)是偏于安全。

圖9 型鋼及鋼筋塑性應(yīng)變開展云圖

圖10給出了設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)混凝土的受拉和受壓損傷云圖?？梢钥闯?，混凝土梁的受壓損傷并不嚴(yán)重，梁根部上側(cè)受拉損傷較為明顯。

圖10 混凝土損傷云圖

對(duì)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)加載，混凝土受拉損傷的范圍沒有擴(kuò)大，說明結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，混凝土梁支座可能會(huì)出現(xiàn)一定的受拉裂縫，但繼續(xù)加載后裂縫不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，具有較好的延性。

圖11給出了設(shè)計(jì)荷載及1.2倍設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖11可以看出，在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，混凝土梁根部上側(cè)塑性應(yīng)變較大；當(dāng)達(dá)到1.2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)(圖11(b))，混凝土梁根部上側(cè)塑性應(yīng)變逐漸加大，但節(jié)點(diǎn)的其他部分仍然處于彈性工作狀態(tài)。綜合判斷該節(jié)點(diǎn)的加固方案是安全的。

圖11 混凝土塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖12(a)為節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線。由圖12(a)可以看出，加載初期，節(jié)點(diǎn)端部的位移隨著荷載增長(zhǎng)呈近似線性增加，節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)；在荷載接近設(shè)計(jì)荷載時(shí)，曲線相應(yīng)地出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)，但并沒有影響該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)承載的能力，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的豎向位移如圖12(b)所示；隨著荷載繼續(xù)增加至2.1倍設(shè)計(jì)荷載，荷載變化不大而位移迅速增加，說明節(jié)點(diǎn)達(dá)到了其極限承載能力，但此時(shí)其極限承載力已遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載，說明節(jié)點(diǎn)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

4 施工技術(shù)及技術(shù)難點(diǎn)

插入式型鋼混凝土斜撐作為重要的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)施工精度要求較高，施工時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：1)斜撐與混凝土柱相連節(jié)點(diǎn)承受斜撐傳遞的豎向剪力，需嚴(yán)格控制柱表面的鑿毛和植筋質(zhì)量；2)原混凝土挑梁頂有3排負(fù)筋，導(dǎo)致型鋼不易插入，施工較為困難。經(jīng)過計(jì)算，型鋼與混凝土梁相交部分保留第一排負(fù)筋及第二排角筋可滿足計(jì)算要求；3)由于懸挑跨度較大，需要保證懸挑部分的舒適度，通過MIDAS Gen軟件分析得到，結(jié)構(gòu)自振頻率及豎向加速度均滿足規(guī)范要求。施工完成后，多人跳躍實(shí)測(cè)，未感覺明顯振動(dòng)。加固完成后節(jié)點(diǎn)實(shí)景照片如圖13所示。

圖13 加固完成后節(jié)點(diǎn)實(shí)景照片

5 結(jié)論

根據(jù)項(xiàng)目條件和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)本改造工程提出了幾種可行的加固方案，對(duì)比各加固方案優(yōu)缺點(diǎn)后最終選擇了型鋼支撐加固方案，并對(duì)采用型鋼支撐加固方案后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力性能分析。主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)確定加固方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及施工周期選擇合理的加固方案，經(jīng)過加固改造后的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有足夠的安全性和適用性。

(2)經(jīng)過計(jì)算并不斷調(diào)整型鋼斜撐截面及角度，可使梁頂計(jì)算配筋值小于梁原有配筋值，此方法可充分利用原梁鋼筋，極大地節(jié)約成本和工期。

(3)對(duì)加固后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析得出，節(jié)點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，鋼筋和型鋼的塑性應(yīng)變均較小，節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)；繼續(xù)加載，節(jié)點(diǎn)仍有足夠的承載能力，說明節(jié)點(diǎn)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

(4)采用型鋼支撐加固方案加固鋼筋混凝土梁，具有濕作業(yè)較少、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，加固后的支撐剛度較大，能夠使結(jié)構(gòu)在懸挑加長(zhǎng)后仍滿足承載力及舒適度的相關(guān)要求，能較好地解決在原有懸挑梁的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)再次大懸挑的問題，可以為類似工程提供參考。