槽型钢加固混凝土梁力学性能研究

余　琼,　孙会玲

(同济大学结构工程与防灾研究所,　上海　200092)

　　【摘　要】　从已有的正弯矩试验出发,参考钢结构设计规范中组合梁理论,给出正弯矩和负弯矩塑性分析承载力公式,正弯矩理论值与试验值吻合,负弯矩理论值与试验值相比误差较大,因此提出简化的负弯矩计算公式,并与试验对比,计算值与试验值吻合,并指出采用钢结构规范的完全抗剪的负弯矩承载力公式计算槽钢加固悬臂梁的局限性。

【关键词】　槽钢加固;正弯矩;负弯矩;抗剪连接

【中图分类号】　T U37812　　　　【文献标识码】　B　　　　【文章编号】　1001-68(2010)01-0043-03

RESEARCH ON THE MECHANICA L PR OPERTIES OF CONCRETE BEAM REINFORCE D

B Y CHANNE L STEE L

Y U Qiong,　S UN Hui2ling

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,

T ongji University,Shanghai200092,China)

　　Abstract:From the bending tests done before and according to the theories of com posite beams in the Steel Structure Design C ode,the paper suggests the formula for calculating the load capacity of the beam rein2 forced by channel steel under positive m oment and negative m oment by plastic analysis.Calculated positive m oments are well fit for tests results,but calculated negative m oments have great deviation.S o the paper sug2 gests a sim plified formula for calculating the negative m oment,and the calculated results by this sim plified formula are correspond with the test results.The limitations of the design formula in the Steel Structure Design C ode for calculating the negative m oment of the cantilever beam reinforced by channel steel are pointed out.

K ey w ords:reinforced by channel steel;positive m oment;negative m oment;shear connectors

0　引言

型钢与混凝土组合梁的研究在我国发展已日渐成熟,现行钢结构规范对组合梁的承载力、变形及构造都有详细的规定,在组合梁中,型钢梁与混凝土梁间采用抗剪栓钉连接。而在加固工程中,对于承载力不足的混凝土梁,由于构造原因,多采用槽钢梁加固,槽钢与混凝土梁是通过侧面钢板相连接的。槽钢加固混凝土梁的承载力目前多参考规范中组合梁完全抗剪连接设计,但由于组合梁的型钢是工字钢,而加固梁是槽钢;组合梁的连接件是抗剪栓钉,而加固梁是抗剪钢板,因此两者在承载力计算方面有所不同。

本文从已有的试验出发,提出槽钢加固梁的承载力计算公式。

1　承载力计算

111　正弯矩试验承载力分析与计算

目前槽钢加固梁承载力计算多假定槽钢梁与钢筋混凝土梁之间无相对滑移,加固梁是完全抗剪连接,即加固梁交界面上的抗剪连接措施能保证梁的最大受弯承载力得以充分发挥。而实际上槽钢梁与钢筋混凝土梁之间是有相对滑移的,钢板可以传递全部的剪力,梁侧螺栓却不一定能,如果为了保证无滑移,增加螺栓的数量和直径,则对梁本身会有伤害,影响梁的承载能力。

G B50017-2003《钢结构设计规范》中组合梁中型钢与混凝土梁连接是焊接于工字钢顶部的栓钉锚固于混凝土梁内,规范中规定在强度和变形满足的条件下,组合梁交界面上抗剪连接件的纵向水平抗剪能力不能保证最大正弯矩截面上抗弯承载力充分发挥时,该组合梁为部分抗剪连接,反之,为完全抗剪连接。完全抗剪连接的组合梁,钢梁与混凝土梁能很好的协同工作,钢梁塑性发展较充分。

槽钢加固混凝土梁侧面连接钢板的截面积也是按组合梁抗剪连接件的概念设计,一般情况下,钢板面积乘以钢板的抗剪强度大于或等于槽钢的拉力和

34

余　琼等:槽型钢加固混凝土梁力学性能研究

混凝土梁的压力中的较小者,但侧面固定钢板的抗剪

螺栓的设计数量较少和直径较小(以防对混凝土梁破

坏较大),结构胶承载力不够,抗剪连接件总承载力不

一定大于混凝土所承担的纵向剪力,因此在抗弯承载

力计算前不对抗剪连接件进行分析,采用完全抗剪连

接的全截面塑性进行承载力计算,得到的计算结果误

差较大。

本文参照G B50017-2003《钢结构设计规范》和美

国AISC360-05《钢结构设计规范》,考虑抗剪连接件

传递剪力的可靠性,给出槽钢加固混凝土梁的抗弯承

载力计算公式,计算简图如图1

。

图中混凝土梁压力C取下列C值中的最小值:

C=f p A(1)

C=f c bh0+f y A s+f′y A′s(2)

C=n r N c v+N p(3)

N c v=0143A r E c f c≤017A rγf(4)

式中,f p为型钢抗拉强度设计值;A为型钢梁的截

面面积;f c为混凝土受压强度设计值;b、h0分别为混

凝土梁宽度和有效高度;f y、f′y分别为混凝土梁受拉

钢筋和受压钢筋强度设计值;A s、A′s分别为混凝土梁

受拉钢筋和受压钢筋截面面积;n r为一个剪跨区的抗

剪连接件数目;N c v为每个抗剪连接件纵向抗剪承载

力;N p为混凝土梁表面粘结构胶纵向抗剪承载力;A r

为抗剪螺栓栓杆截面面积;E c为混凝土弹性模量;f为

抗剪螺栓抗拉强度设计值;γ为螺栓材料抗拉强度最

小值与屈服强度之比。

如果式(3)中的C值最小,则说明型钢加固梁为

非完全抗剪连接;反之,式(1)或式(2)中的C值最小,

则说明型钢加固梁为完全抗剪连接。

对于非完全抗剪连接(即式(3)中的C值最小)和

完全抗剪连接中混凝土梁的全截面受压的压力最小

(即式(2)中的C值最小)的情况,型钢加固梁的应力

图形如图1中的(b),塑性中和轴在型钢梁内。槽钢加

固混凝土梁的抗弯承载力计算公式为:

M u,r=(C-f′y A′s-f y A s)y+f′y A′s(y+xΠ2-

a′s)+f y A s(y+xΠ2-h+a s)+f p A c y1(5)

式中,y为混凝土受压区形心到型钢受拉区形心

距离;y1为型钢受压区形心到型钢受拉区形心距离;x

为混凝土受压区高度;抗拉强度设计值;a s、a′s分别为

混凝土梁受拉钢筋和受压钢筋保护层厚度。

对于完全抗剪连接中型钢梁的全截面受拉的拉

力最小(即式(1)中的C值最小)的情况,型钢加固梁

的应力图形如图1中的(a),塑性中和轴在混凝土梁

内。槽钢加固混凝土梁的抗弯承载力计算公式为:

M u,r=(C-f′y A′s)y+f′y A′s(y+xΠ2-a′s)-

f y A s(y+xΠ2-h+a s)(6)

槽钢是通过抗剪钢板与混凝土梁连接,钢板与槽

钢间是焊接,与混凝土梁间是通过抗剪化学锚栓或膨

胀螺栓和结构胶连接的,抗剪钢板、钢板与槽钢间的

焊缝、钢板与混凝土梁间的螺栓和连接胶是否能传递

结合面剪力是槽钢与混凝土梁是否能共同工作的关

键。文献4和文献6槽钢加固混凝土梁试验按推荐公式

计算的抗弯承载力与试验值比较见表1。

　表1　试验值与推荐公式理论值比较

极限弯矩/kN・m试验平均值理论值试验误差%

试验1(B组)35103617418

试验2(试件B5、B6)491741151615

　　可见采用推荐公式的承载力计算与实际情况较

为吻合,理论计算结果与试验值相比误差较小。

112　负弯矩试验承载力分析与计算

采用G B50017-2003《钢结构设计规范》负弯矩组

合梁计算方法计算悬臂梁负弯矩承载力,由于混凝土

梁中钢筋受拉承载力远小于槽钢受压承载力,加固梁

塑性中和轴在槽钢梁内,应力图形如图2所示,计算公

式如式(7),结果如表2所示。

44低　温　建　筑　技　术2010年第1期(总第139期)

M u ≤M s +A st f st (y 3+y 4Π2-h +a s +a ′s )+A ′st f ′st (y 3+y 4Π2)(7)

M s =(S 1+S 2)f

p

式中,M u 为负弯矩设计值,S 1、S 2分别为槽钢梁塑性中和轴以上和以下截面对该轴的面积矩;A st 、A ′st 分别为普通混凝土梁受拉钢筋和受压钢筋截面面积;

f st 、f ′st 分别为混凝土梁受拉钢筋和受压钢筋强度设计

值;y 3为受压钢筋截面形心至加固梁塑性中和轴的距离;y 4为加固梁塑性中和轴至钢梁塑性中和轴的距离。

　表2　

试验值与完全抗剪连接理论值比较

极限弯矩/kN ・m

试验值

理论值

试验误差/%

L28186111613110L3

13109

16157

2616

　　理论值比试验值大得较多,该方法偏不安全。

通过力学分析,采用简化的计算方法如下:L2、L3受拉钢筋2A8、2B12屈服时的拉力分别为:P 2=

351kN ;P 3=59153kN 。混凝土梁底和槽钢梁顶用结

构胶粘结,抗剪承载力V =142145kN 。该力大于P 2、

P 3,混凝土梁与型钢梁之间的粘结能够保证加固梁能

够共同工作,故L2、L3均为完全抗剪连接。2[5槽钢底部翼缘的轴压承载力P =1172kN 。

可见,P 比P 2、P 3都要大,安全起见,可以假定悬臂梁截面绕槽钢中性轴旋转。由此假定,得抗弯承载力公式为:

M =f ′y A ′s h a

(8)

式中,h a 为原混凝土梁中受压钢筋到型钢梁中性轴的距离。计算结果如表3所示。

　表3　

试验值与简化计算理论值比较

极限弯矩/kN ・m

试验值

理论值

试验误差Π%

L2818671541419L3

13109

12150

415

　　对比表2、表3可见,槽钢加固悬臂梁按G B 50017

-2003《钢结构设计规范》中的负弯矩区抗弯承载力计

算不安全,它是假定槽钢全截面进入塑性,而实际情况并非如此,在槽钢还处于弹性工作阶段时,混凝土梁中的钢筋就已经被拉坏,槽钢没有进入全截面塑性阶段。表3中的试验误差较小,并且理论计算值比试验值小,偏安全,当槽钢底部翼缘轴压承载力大于梁中钢筋受拉承载力时,推荐负弯矩区加固计算时采用该方法。

槽钢加固混凝土梁的加固工艺及施工要点见

(CECS25:90)《混凝土结构加固技术规范》,粘贴槽钢加

固梁的施工应严格按下列工序进行,并由专业化施工队进行:表面处理→钻孔、上膨胀螺栓→钢板条对孔

翻样→制作下部钢梁→座浆、上梁→配胶→粘贴→固定加压→固化养护→检验。

2　结语

目前,槽钢加固混凝土梁的抗弯承载力的计算尚处于探索阶段,在正弯矩区采用考虑抗剪连接计算的抗弯承载力与试验结果接近,误差较小;在负弯矩区采用文中简化的计算方法计算,与试验结果相符,计算简便,以上两种计算方法完全可以应用到实际工程中。

参考文献

[1]　徐丁.型钢加固钢筋混凝土梁的性能试验研究[D ].山东:山东

建筑大学,2006.

[2]　顾本.工字型钢外粘锚加固钢筋混凝土梁的研究[D ].湖南:湖

南大学,2006.

[3]　方超.型钢加固混凝土组合梁抗弯承载力的试验研究和理论

分析[D].天津:天津大学,2007.

[4]　胡少波1型钢加固钢筋混凝土梁的一次和二次受力构件的试

验[D]1武汉:武汉大学,2005.

[5]　周剑波,高作平,张鸣,等1钢筋混凝土悬臂梁粘接型钢加大截

面加固试验研究[J ]1武汉水利电力大学学报,1999,32(10):

183-1851

[6]　那杰.钢-混凝土梁在改造加固中应用的研究[D ].上海:同济

大学,1998.

[7]　G B 50017-2003,钢结构设计规范[S].[8]　AISC 360-05,钢结构设计规范[S].

[收稿日期]　2009-10-30

[作者简介]　余　琼(1968-),女,安徽合肥人,高级工程师,研

究方向:结构工程与防灾专业。

(编辑　李卉玉)

5

4余　琼等:槽型钢加固混凝土梁力学性能研究