1、鋼筋混凝土梁兩種常用加固方法的比較陳小健（江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）摘 要：本文主要介紹了鋼筋混凝土梁的兩種常用加固方法，粘鋼法和碳纖維法。詳細分析了兩者在方案選擇、設(shè)計計算以及施工工藝等方面的相同點和不同點，并在此基礎(chǔ)上得出了相關(guān)結(jié)論，為理論研究和實際工程應(yīng)用提供了參考。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；粘鋼加固；碳纖維加固；方法比較 Comparison of two common strengthening methods of reinforced concrete beams CHEN Xiaojian(School of Civil and Architectur

2、e Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)Abstract:This article mainly introduces the two common strengthening methods of reinforced concrete beams, that is steel adhered reinforcement and carbon fiber reinforcement.The similarities and differences of

3、the two methods in the aspect of scheme choice, design calculation and construction technology are analyzed in detail.On this basis, some related conclusions are drawn.And it provides a reference for theory and practical engineering application. Key words:reinforced concrete beams;steel adhered rein

4、forcement;carbon fiber reinforcement;method comparison 0 引言對于已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計、施工不當，外界環(huán)境的作用以及地震災(zāi)害等因素的影響，結(jié)構(gòu)常會出現(xiàn)開裂、老化等外在的損傷和缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在安全性、適用性和耐久性方面不能滿足使用要求，應(yīng)對結(jié)構(gòu)采取必要的加固措施。目前，常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方法有很多，這里主要介紹鋼筋混凝土梁的兩種常用加固方法：粘鋼法和碳纖維法（如圖1、2所示），并就這兩種加固方法在方案選擇、設(shè)計計算以及施工工藝等方面的差異進行比較。1 方案選擇的比較1.1 粘鋼法和碳纖維法適用范圍的比較11.1.1 粘鋼法和

5、碳纖維法適用范圍的共同點 圖1 粘鋼法加固效果圖 圖2 碳纖維法加固效果圖一般都適用于以承受靜力荷載為主的受彎、受拉構(gòu)件的加固。由于兩者都是用粘合劑將其粘貼在混凝土構(gòu)件的表面，使其與混凝土協(xié)同工作，而結(jié)合面的粘結(jié)強度主要取決于混凝土，因而被加固混凝土的強度等級不應(yīng)低于C15，截面處的拉應(yīng)力不得小于1.5MPa。同時，其所處的環(huán)境溫度不宜高于60，相對濕度不宜大于70%，周圍環(huán)境中無化學(xué)腐蝕性介質(zhì)。在結(jié)構(gòu)加固過程中，也可以通過與外包鋼、植筋、裂縫修補以及混凝土表面密封處理等技術(shù)相結(jié)合的辦法，來提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。1.1.2 粘鋼法和碳纖維法適用范圍的不同點粘鋼法用于受壓以及承

6、受動力較大構(gòu)件加固時，應(yīng)增設(shè)附加的錨固措施；例如每100mm設(shè)置2個植筋螺栓或穿梁、穿板對拉螺栓錨固。鋼板上可以焊接錨筋，也可鉆孔設(shè)植筋錨固，所以錨固方式較碳纖維法靈活。碳纖維一般只能通過粘膠受力，碳纖維的層數(shù)一般限定為3層以內(nèi)，最大為300g/m2。因此，在需要大幅度提高承載力的場合，粘鋼法比碳纖維法更好。粘鋼法可以適用于梁體受壓部位，碳纖維法則不能。例如框架結(jié)構(gòu)邊緣梁、邊緣板承受負彎矩，可在受壓區(qū)進行粘鋼加固。當受拉區(qū)配筋率較高，若再在受拉區(qū)增加配筋，有可能成為超筋梁時，受壓區(qū)混凝土有損傷或其它缺陷時，受拉區(qū)加固不方便時，碳纖維法基本上無法替代粘鋼法。碳纖維和鋼材相比，屬于惰性材料，不銹蝕

7、，也不易受到有害介質(zhì)的腐蝕，不用養(yǎng)護，可以在相對濕度70%以上的環(huán)境中使用。粘鋼法加固后需要進行必要的表面防護，如加環(huán)氧砂漿或水泥砂漿保護層，鋼板的銹蝕程度較難估計，降低了加固構(gòu)件的可靠性，增加了加固后的養(yǎng)護費用。同時，為便于施工過程中對鋼板加壓及防止鋼板剝離，粘鋼法加固時須采取必要的螺栓錨固措施，不可避免地對原結(jié)構(gòu)造成一定的損傷。因此，碳纖維法一般不宜用于配筋密度較大，且鋼筋走向復(fù)雜的構(gòu)件結(jié)點處的加固設(shè)計。碳纖維本身的一些缺陷，如脆性、耐火性不好等使得這種材料的應(yīng)用受到限制，粘鋼法也需考慮。1.2 材料費用的比較表1是廈門市中連結(jié)構(gòu)膠有限公司2002年粘鋼、碳纖維綜合網(wǎng)上參考報價1。表1 粘

8、鋼法加固及碳纖維法加固單價表鋼板規(guī)格/mm單價 元/m2CFRP規(guī)格/mm單價 元/m221390.760.11120031421.600.1375125041452.440.165130051483.28碳纖維的抗拉強度設(shè)計值為(14002300)MPa，鋼板的抗拉強度設(shè)計值為(230400)MPa，考慮折減,受拉加固構(gòu)件根據(jù)等量代換，0.1mm碳纖維相當于1mm粘鋼板，可以看出來，2002年粘鋼板加固法在性價比上面稍有優(yōu)勢。目前，粘鋼板的單價大概為：2mm鋼板(11001300)元/mm2, 碳纖維300g，0.165mm大概為(500800)元/mm2, 粘鋼板法加固在性價比方面已經(jīng)沒有

9、優(yōu)勢可言，而且隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，纖維的來源由原來的單純依靠進口，到國內(nèi)研究生產(chǎn)，各種不同種類的纖維產(chǎn)品的強度會更高，價錢會更低。而鋼板的強度提高有限，單價比較穩(wěn)定，因此，碳纖維加固方法隨著時間的變化在性價比方面，會越來越具有優(yōu)勢。2 設(shè)計計算的比較加固結(jié)構(gòu)的受力性能與一般普通未加固結(jié)構(gòu)的受力性能相比存在著較大的差異。主要表現(xiàn)在：加固后的結(jié)構(gòu)屬于二次受力。具有應(yīng)力、應(yīng)變的滯后性和新、舊部分的整體性兩方面的受力特征。因而需要對加固以后的構(gòu)件進行承載力計算，使其達到設(shè)計的要求。2.1 材料的錨固長度比較2 鋼板的錨固外部粘結(jié)加固法中鋼板的錨固至關(guān)重要，必須保證鋼板在拉斷之前不發(fā)生脫膠、滑移等粘結(jié)現(xiàn)

10、象。圖3為鋼筋混凝土梁鋼板結(jié)構(gòu)膠錨固示意圖。圖3 鋼板結(jié)構(gòu)膠錨固示意圖對于圖3中單純以結(jié)構(gòu)膠錨固時，錨固長度為 （1）式中：加固鋼板厚度； 加固鋼板抗拉（抗壓）強度設(shè)計值； 被粘混凝土抗剪強度設(shè)計值。 碳纖維的錨固對于梁的正彎矩進行受彎加固時，碳纖維片材應(yīng)延伸至支座邊緣。在集中荷載作用點兩側(cè)應(yīng)設(shè)置構(gòu)造碳纖維片材U型箍或橫向壓條等附加錨固措施，如圖4所示。圖4 碳纖維片材錨固示意圖碳纖維材料切斷位置與不需要纖維材料截面的距離不應(yīng)小于200mm，且與其充分利用截面的距離不應(yīng)小于 （2）式中：碳纖維片材從其利用截面起所需的錨固長度； 充分利用截面處碳纖維片材的拉應(yīng)變； 碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)強

11、度設(shè)計值； 受拉面粘結(jié)的碳纖維片材寬度（對于板，取1000mm板寬范圍內(nèi)粘結(jié)的碳纖維片材寬度）。2.2 加固梁的受彎承載力計算比較 粘鋼法加固承載力計算2鋼筋混凝土梁粘鋼加固一般采用在受拉區(qū)表面粘貼鋼板的方法，極限應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示。圖5 粘剛錨固梁的極限應(yīng)力狀態(tài)此時，矩形截面梁的正截面受彎承載力公式為： （3） （4）式中：原構(gòu)件縱向鋼筋抗拉強度設(shè)計值； 原構(gòu)件縱向受拉鋼筋截面面積； 加固鋼板抗拉強度設(shè)計值； 加固鋼板截面面積； 原構(gòu)件縱向受壓鋼筋抗壓強度設(shè)計值； 原構(gòu)件縱向受壓鋼筋截面面積； 原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值； 混凝土受壓區(qū)高度； 原構(gòu)件縱向受拉鋼筋重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距

12、離； 加固鋼板重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距離； 原構(gòu)件縱向受壓鋼筋重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距離； 原構(gòu)件矩形截面寬度。 碳纖維法加固承載力計算3實際上，碳纖維布在加固鋼筋混凝土梁中所起的作用相當于在梁底配有相同作用的鋼筋。如果把碳纖維布換算成等作用的鋼筋，則使問題有所簡化，計算公式為: （5）式中等效鋼筋面積； 碳纖維布的面積； 碳纖維布的抗拉強度； 鋼筋的抗拉強度； 碳纖維布強度折減系數(shù)，對3550MPa，13層取0.7；對1800MPa，15層取1.0； 碳纖維布與原有鋼筋共同作用系數(shù)，與碳纖維布的強度也有關(guān)系，對3550MPa，1層取1.0，3層取0.85；對1800MPa，12層取1.0

13、，35層取0.85。現(xiàn)行鋼筋混凝土梁單筋矩形截面受彎正截面理論的極限應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示。圖6 碳纖維片材錨固梁的極限應(yīng)力狀態(tài)由平衡條件可以得到承載力極限狀態(tài)的基本計算公式: （6） （7） （8）式中，符號的含義見圖6所示。為了保證梁的適筋破壞，不出現(xiàn)超筋和少筋破壞，在此，超筋相當于碳纖維布太厚或沒有必要加固，少筋相當于加固梁配筋太少，計算公式還必須滿足下列條件: （9） （10）通過對粘鋼法和碳纖維法加固的矩形截面梁正截面受彎承載力計算公式的比較，可以看出，兩者在計算過程中都考慮了附加材料對于原混凝土結(jié)構(gòu)受力的影響，在計算時都將其等效為底部的受拉鋼筋。在加固過程中，兩者都要預(yù)留一定的錨固長度

14、，必要時應(yīng)采取附加的錨固措施，以保證材料與原混凝土結(jié)構(gòu)之間的整體性，達到良好傳力效果的目的。3 施工工藝的比較3.1 粘鋼法施工工藝4（混凝土結(jié)構(gòu)物卸載）粘貼面處理加壓固定及卸荷系統(tǒng)準備（根據(jù)實際情況和設(shè)計要求，卸荷步驟有時省去）膠粘劑配制涂膠和粘貼固化、卸加壓固定系統(tǒng)檢驗維護。3.2 碳纖維法施工工藝5（混凝土結(jié)構(gòu)物卸載）粘貼面處理涂底層涂料構(gòu)件表面殘缺面的修補粘貼碳纖維片材養(yǎng)護涂裝（防老化和防火）。由施工工藝可以看出來，粘鋼法和碳纖維法的施工方法基本相同。但是，碳纖維裁剪方便，比較柔軟，施工時不需要加壓錨固系統(tǒng)。因此，碳纖維法的施工比粘鋼法的施工要方便、快捷。根據(jù)經(jīng)驗，碳纖維輕、薄，施工簡

15、便，同樣工程量，施工工期約是粘鋼法的40%。與此同時，碳纖維具有耐腐蝕、耐潮濕等優(yōu)點，后期維護費用較粘鋼加固低，比較經(jīng)濟。4 結(jié)論通過對粘鋼法和碳纖維法在方案選擇、設(shè)計理論、施工工藝等方面的比較，可得出以下幾點結(jié)論：（1）碳纖維和鋼材相比，不易受到有害介質(zhì)的腐蝕，也無需養(yǎng)護，性能穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素的影響較小。（2）兩種加固方法都存在著應(yīng)力、應(yīng)變滯后和新、舊部分整體性的問題。（3）通過對給出的加固后矩形截面梁受彎承載力計算公式分析可以看出，兩者在計算過程中都考慮了附加材料對于原混凝土結(jié)構(gòu)受力的影響，在計算時都將其等效為底部受拉鋼筋。但均未考慮粘結(jié)膠對于加固結(jié)構(gòu)的承載力影響。（4）粘鋼法對混凝土構(gòu)件表面的強度和平整度要求較高，施工前必須對鋼板和混凝土表面進行清洗，施工工序復(fù)雜6。碳纖維法，步驟簡單，施工周期短。配合使用的粘合劑要求具有強度高、耐久性好等特點。（5）從經(jīng)濟的角度考慮，碳纖維法比粘鋼法在材料以及人工