混凝土梁、板加固设计

混凝土梁、板加固设计

1混凝土梁、板承载力不足的原因及表现承载力不足的外观表现是构件的挠度偏大，裂缝过宽、过长，钢筋严重锈蚀或受压区混凝土有压碎迹象等。1.1梁、板承载力不足的原因1.施工方面原因钢筋少配或误配。施工中，材料使用不当或失误是造成建筑物承载力不足的又一原因。随意用光圆钢筋代替变形钢筋；使用受潮或过期水泥；未经设计或验算，随便套用其它混凝土配合比；砂、石中的有害物质含量太大等，都将影响构件质量,导致承载力不足。最近笔者遇到多个工程，在竣工使用四、五年之后，发现梁、板多处爆裂，查其原因是碱骨料反应或骨料中含有害杂质方镁石（）等，方镁石吸水生成水镁石（）时体积膨胀，导致混凝土爆裂。2.设计方面原因引起梁、板等受弯构件承载力不足的原因，在设计方面最主要的原因是计算简图与梁、板实际受力情况不符合，或者荷载漏算、少算等。3.使用方面原因使用过程中严重超载；改变使用功能；4.其他原因（l）地基的不均匀沉降，产生附加应力。（2）采用不成熟的构件。（3）构件形式带来的影响。（4）构件耐久性不足导致钢筋严重锈蚀，甚至锈断1.2正截面破坏特征适筋梁超筋梁少筋梁图3-l为超筋梁、适筋梁和少筋梁的挠度与荷载关系曲线。在加固梁、板之前，首先应区分原梁是适筋梁还是超筋梁或少筋梁。如果是少筋梁，必须进行加固。加固方法选用本节所述的在拉区增补钢筋的方法,包括粘贴钢板。如果是适筋梁，则可根据裂缝宽度、构件挠度和钢筋应力来判定是否进行加固。裂缝宽度与钢筋应力之间基本呈线性关系：裂缝愈宽，裂缝处钢筋应力愈高。用本节中所述的各种方法，当采用在拉区增加钢筋的方法加固时，应注意加筋后不致成为超筋梁。如果是超筋梁，由于在拉区进行加筋补强不起作用，因此必须采用加大截面的办法或采用增设支点的办法进行加固。1.3斜截面破坏特征梁的斜截面抗剪试验表明，斜裂缝有两种情况，一种是在构件受拉边缘首先出现垂直裂缝，然后在弯矩和剪力的共同作用下斜向发展；另一种是腹剪斜裂缝,常发生于T形、工形等腹板较薄的梁。箍筋配置的数量，对梁的剪切破坏形态和抗剪承载力有着很大的影响。当箍筋的数量适当时，斜裂缝出现后，箍筋限制了斜裂缝的开展，使荷载仍能有较大的增长。当荷载增加到某一数值时，会在几根斜裂缝中形成一条主要的斜裂缝（称为“临界斜裂缝”）。临界斜裂缝形成后，梁还能继续增加荷载。腹剪－多发生于薄腹梁中箍筋过多箍筋适当箍筋太少当与临界斜裂缝相交的箍筋屈服后，箍筋不再能控制斜裂缝的开展，致使截面压区混凝土在剪压作用下达到极限强度而发生剪切破坏。因此，斜截面的抗剪承载力，主要取决于混凝土强度、截面尺寸和箍筋数量。另外，剪跨比和纵筋配筋率对斜截面抗剪承载力也有一定的影响。当箍筋配置数量过多时（尤其对于薄腹梁），箍筋有效地制约了斜裂缝的扩展，因而出现了多条大致相互平行的斜裂缝，把腹板分割成若干个倾斜受压的棱柱体。最后，在箍筋未达到屈服的情况下，梁腹斜裂缝间的混凝土由于主压应力过大而发生斜压破坏。因此，这种梁的抗剪承载力，是由构件截面尺寸及混凝土强度所决定的。

当箍筋的配置数量过少时，斜裂缝一旦出现，箍筋承担不了原来由混凝土所负担的拉力，箍筋应力立即达到并超过屈服点，并产生脆性的斜拉破坏。综上所述，配置箍筋的多少，决定了梁的剪切破坏形态。配置箍筋的数量，在规范中有明确的界限。（l）配置箍筋的上限（最大配箍率）为（）（3.4）当箍筋数量较多，即梁的截面尺寸已不符合式（3.4）的条件时，增加的腹筋不能充分发挥作用，即梁剪坏时，附加箍筋的应力达不到屈服强度。遇到这种情况时，应采用增大截面法进行加固。对于薄腹梁等斜裂缝开展较大的构件，上述条件还应控制严一些，即式（3.4）应为

（）（3.5）（2）配置箍筋的下限（最小配箍率）为

(3.6)当配箍率小于式（3.6）时，梁一旦出现斜裂缝，箍筋立即达到屈服强度，不再能阻止斜裂缝的开展，导致突然的斜拉破坏。对于这种构件，宜采用增加箍筋的办法进行加固。当配箍率在上下限之间，偏于下限时，宜优先采用增配腹筋的办法加固；当配筋率偏于上限时，宜以增大截面为主，同时加配一定数量的箍筋。2增大截面加固法2.1概述混凝土梁、板当其承载力相差较大，且其刚度也不满足要求时，采用加大截面来加固较为有效。梁、板采用加大截面法加固时，可根据原构件的受力性质，构造特点和现场条件，选用三面加厚、两面加厚或单面加厚等构造形式，如图3.2所示。图3.2加大截面法当在连续梁（板）的全长上部补浇混凝土时，后补浇的混凝土在跨中处于受压区，而在支座却处在受拉。当在梁、板下面加厚时，情况正好相反。当补浇的混凝土处在受拉区，它对补加的钢筋起到粘结和保护的作用；当补浇的混凝土处在受压区时，增加了构件的有效高度，从而提高了构件的抗弯、抗剪承载力，增强了构件的刚度，因此，较有效地发挥了后浇混凝土层的作用，其加固的效果是很显著的。在实际工程中，在受拉区补浇混凝土层的情况是比较多的。图3-2中的T形梁，原配筋率较低，其混凝土受压区高度较小，因此，在受拉区增补纵向钢筋并补浇混凝土层是提高该梁抗弯承载力的有效办法。又如，阳台、雨篷、檐口板的加固，可在原板的上面（受拉区）补配钢筋和补浇混凝土。加固设计时，应验算原构件的应力水平（值），若值超出表3-1的限值，宜在加固前进行卸荷。表3-1原构件应力水平限值应力种类

应力水平限值

轴心受压、斜截面受剪0.70小偏心受压、受扭、局部受压0.75大偏心受压、受弯、受扭、偏心受拉0.80图3.3a所示为焊接法将补加的U形箍焊接在原有箍筋上，焊缝长度不小于5d（d为U形箍直径）。图3.3b所示为U形箍焊接在增设的锚钉上的连接措施。锚钉直径d不小于10mm，锚钉距构件边缘不小于3d，且不小于40mm；锚钉锚固深度不小于10d，并采用环氧胶泥或环氧砂浆将锚钉锚固于原梁的钻孔内。钻孔直径应比锚钉直径大4mm，另外也可不用锚钉而用上述方法直接将U形箍筋伸进锚孔内锚固。梁、板采用加厚截面加固方法，只要采用必要的构造措施和施工工艺，就能确保新旧混凝土整体工作，整体工作比单体的叠加更为有效。为了确保新旧混凝土的整体工作，必须：（1）将原构件与新混凝土粘结部位的表面凿毛，具体要求是：板表面不平度大于4mm，梁表面不平度大于6mm，并在原构件的浇筑面上每隔一定距离凿槽，以使新浇混凝土形成剪力键。（2）将原构件浇筑面凿毛、冲洗干净，并涂覆丙乳水泥浆（或107胶聚合水泥浆），同时浇筑混凝土。丙乳水泥浆的强度是普通砂浆强度的2～3倍，其配合比及其性能见使用说明书或其它有关资料。107胶聚合水泥浆是在水泥中加入107胶并搅拌后形成的。（3）当在梁上作后浇层时，除按上述两条之一处理原构件表面外，还应在后浇层中加配箍筋及负弯矩钢筋（或架立筋），并注意其连接。加固的受力纵筋与原构件的受力纵筋采用短筋焊接，尤其在加固筋的两端及其附近处必不可少。2.2计算方法1.受力特征图3.4表示了叠合构件各阶段的受力特征。由图3.4d见，叠合构件的应力图与一次受力构件的应力图有很大的差异，主要表现有以下两点：（l）混凝土应变滞后叠合构件与截面尺寸、材料、加荷方式等均相同的整浇梁相比，叠合构件的叠合层是在加固后的荷载作用下才开始参加工作的。因此，叠合层的压应变小于对应整浇梁的压应变。这种现象称为“混凝土压应变滞后”。混凝土压应变滞后带来的结果是在受压边缘的混凝土被压碎时，构件的挠度、裂缝都较整浇梁大得多。（2）钢筋应力超前在第一阶段受力过程中，由于构件的截面高度较对应整浇梁的截面高度小，所以在弯矩作用下，在原构件上产生的钢筋应力、挠度都较对应的整浇梁构件大得多。叠合构件的中和轴上移，使第一阶段受压区部分变为第二阶段受力过程中的受拉区。于是原受压区的压力对叠合构件的作用，相当于预应力构件中的预压应力作用，称为“荷载预应力”。荷载预应力可以减少在弯矩作用下引起的钢筋应力增量和挠度增量。尽管在作用下，钢筋应力和挠度增量都小于相应的整浇梁，但终因在作用下，原构件中的应力较整浇梁大得多，使叠合构件的钢筋应力、挠度和裂缝宽度在整个受力过程中，始终较相应的整浇构件大，以致受拉钢筋的应力比整浇梁在低得多的弯矩作用下，就可能达到流限。这种现象称为“钢筋应力超前”。2.使用阶段钢筋应力的计算及控制由于叠合梁中钢筋应力的超前，有可能使梁的挠度和裂缝在使用阶段就超过允许值，也可能使构件的受拉钢筋在使用阶段就处在高应力状态，甚至达到流限。因此，验算使用阶段的钢筋应力，使其不超过允许的应力，是叠合构件计算中的一个很重要的内容。在使用阶段，叠合构件受拉钢筋应力可按下式计算：(3.7a)

(3.7b)(3.7c)

－反应荷载预应力影响的叠合特征系数。

3.承载力计算当采用加大截面加固混凝土受弯构件时，可按现行国家标准《混凝土结构设计规范》及《混凝土结构加固技术规范》的有关规定进行验算：（1）构件截面加大后，其相对界限受压区高度应按下列公式确定。(3.8)(3.9)

(3.10)式中：

－计算系数，当混凝土强度等级≤C50，0.8;C80，0.74；C50~C80间，线性插入。－混凝土极限压应变，取0.003；－增钢筋位置处，按平截面假设的的初始应变值；当新增主筋与原主筋的连接采用短筋焊接时，

可近似取－加固前，受弯构件验算截面上原作用的弯矩标

准值；－加固前，在初始弯矩作用下原受拉钢筋的应变值。

当在受拉区加固矩形截面受弯构件时（图5.2.3），其正截面受弯承载力应按下式确定：（5.2.3-1）（5.2.3-2）（5.2.3-3）式中—构件加固后弯矩设计值

—新增钢筋强度利用系数，取=0.9；

—新增钢筋的抗拉强度设计值；

—新增受拉钢筋的截面面积；

—构件加固后和加固前的截面有效高度；

—等效矩形应力图形的混凝土受压区高度，

简称混凝土受压区高度；

—原钢筋的抗拉、抗压强度设计值；

——原钢筋的抗拉、抗压强度设计值；

——纵向受压钢筋合力点至混凝土受压边

缘的距离；

——受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗拉压强度设计值的比值；当混凝土强度等级不超过C50时，取=1.0；当混凝土强度等级为C80时，取=0.94；其间按线性内插法确定；

——原构件混凝土轴心抗压强度设计值；

——矩形截面宽度；

——构件增大截面加固后的相对界限受压区高度，按本规范第5.2.4条的规定计算。（2）对受压区增浇叠合层的情况，在确定作用效应时，应按该规范关于叠合式受弯构件的规定执行。（3）对受拉区加厚并加配筋的情况，验算正截面承载能力时，其新增纵向钢筋的抗拉强度设计值应乘以0.9的强度利用系数。（4）当验算加固构件的斜截面受剪承载能力时，其新加混凝土和钢筋的强度利用系数，应分别取等于0.75和0.85，若新增箍筋为非封闭的U型箍，在计算受剪承载能力时，不应考虑其作用。2.3构造规定1.新增混凝土的最小厚度，加固板时不应小于40mm，加固梁时不应小于60mm，用喷射混凝土施工时不应小于50mm。2.石子宜用坚硬耐久的卵石或碎石，其最大粒径不宜大于20mm。3.加固板的受力钢筋直径宜用6～8mm；加固梁的纵向受力钢筋宜用变形钢筋，钢筋最小直径对于梁不宜小于12mm；最大直径不宜大于25mm；封闭式箍筋直径不宜小于8mm，U型箍筋直径宜与原有箍筋直径相同。4.加固的受力钢筋与原构件的受力钢筋间的净距不应小于20mm，并应采用短筋焊接连接，箍筋应采用封闭箍筋或U型箍筋，并按照现行国家标准《混凝土结构设计规范）对箍筋的构造要求进行设置。（1）当加固的受力钢筋与原构件的受力钢筋采用短筋焊接时，短筋的直径不应小于20mm，长度不小于5d（d为新增纵筋和原有纵筋直径的较小值），各短筋的中心距不大于500mm（图3.5a）。（2）当用单侧或双侧加固时，应设置U型箍筋（图3-5b）。a.U型箍筋应焊在原有箍筋上，单面焊缝长度为l0d，双面焊缝为5d（d为U型箍筋直径）。b.U型箍筋可焊在增设的植筋或锚钉上，也可直接植入锚孔内（图3.5c），植筋或锚钉直径d不应小于10mm，锚钉距构件边缘不小于3d，且不小于40mm，锚钉锚固深度不小于10d，并采用环氧树脂浆或环氧树脂砂浆将锚钉锚固于原有梁柱的钻孔内，钻孔直径应大于锚钉直径4mm。5.梁的纵向加固受力钢筋的两端应可靠锚固。2.4施工要求1.加固混凝土结构的施工应遵循下列工序和原则：（1）应对原构件混凝土存在的缺陷清理至密实部位，并将表面凿毛或打成沟糟，沟槽深度不宜小于6mm，间距不宜大于箍筋间距或200mm，被包的混凝土棱角应打掉，同时应除去浮碴、尘土。（2）原有混凝土表面应冲洗干净，浇注混凝土前原混凝土表面应以新鲜水泥浆或其它界面剂进行处理。2.对原有和新设受力钢筋应进行除锈处理；在受力钢筋上施焊前应采取卸荷或支撑措施，并应逐根分区分段分层进行焊接，尽量减少焊接热量对钢筋的影响。3.模板搭设、钢筋安置以及新混凝土的浇注和养护，应符合现行国家标准《混凝土工程施工及验收规范》的要求。例3-2某办公楼不上人屋面为预制钢筋混凝土板，跨度L0=3m，板厚100mm，C20混凝土，配Ф8@120钢筋，板面抹20mm厚水泥砂浆找平层，二毡三油防水层，架空隔热层，板底抹白灰砂浆20mm厚。因使用需要，要在屋面上加一层为会议室，要求对原屋面板进行加固处理。

【解】经荷载计算，原屋面荷载为：恒载gk=3.5kN/mm2，可变荷载qk=0.7kN/mm2。

改建时（施工阶段）打掉屋面找平层、防水层、架空隔热层后，加上40mm混凝土叠合层，恒载gk1=3.8kN/mm2，可变荷载qk1=0.5kN/mm2。

使用时，加上水磨石地面，增加恒载gk2=0.65kN/mm2，可变荷载qk2=2kN/mm2。

（1）原屋面板承载力验算：

原设计跨中弯矩（取1m板宽计算）

2.5计算实例原配筋Ф8@120，As=419mm2，fy=210N/mm2，C20，fc=9.6N/mm2,板厚h=100mm，取h0=100-25=75mm，则受压区高度能承受弯矩

(满足要求)但是若荷载改变，则弯矩为承载力不足，需要加固，现在决定加厚40mmC25混凝土，叠合层处理好，可整体工作。（2）加固施工阶段验算：由恒载gk1=3.8kN/mm2，可变荷载qk1=0.5kN/mm2跨中弯矩由上述计算，Ф8@120可承担弯矩（系数0.9是考虑重要性系数在施工阶段可以降低一级）（3）加固后承载力验算：由恒载gk2=0.65kN/mm2，可变荷载qk2=2kN/mm2跨中弯矩叠合层结合好，取，C25，fc=11.9N/mm2

于是，能承担弯矩

(满足要求)（4）叠合层面受剪强度验算：结合面经凿毛处理按C20取(满足要求)

例3-3某宾馆4层楼会议室楼板为单向板，板厚80mm，混凝土为C20，跨度为2m，跨中配筋为Ф6@150，现在欲改为康乐室，活荷载为4kN/mm2，要求对楼板进行加固处理。【解】(1)加固方案选择：增加叠合层不可盲目加厚，最大的加厚值是使原配筋成为最小配筋率。原配筋Ф6@150，，若取板的最小配筋率为则,

即最大只能加厚达总高为126mm（即加厚46mm），这时截面承载力为而改变用途后，跨中最大弯矩可见不能满足要求。改为分离式设计，即在叠合层底部也适当配筋，分担总的弯矩。现决定加