钢筋混凝土梁两种常用加固方法的比较

钢筋混凝土梁两种常用加固方法的比较陈小健（江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江212003）摘要：本文主要介绍了钢筋混凝土梁的两种常用加固方法，粘钢法和碳纤维法。

详细分析了两者在方案选择、设计计算以及施工工艺等方面的相同点和不同点，并在此基础上得出了相关结论，为理论研究和实际工程应用提供了参考。

关键词：钢筋混凝土梁；粘钢加固；碳纤维加固；方法比较Comparison of two common strengthening methods of reinforcedconcrete beamsCHEN Xiaojian(School of Civil and Architecture Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu212003,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 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 reinforcement;carbon fiber reinforcement;method comparison 0引言对于已有的钢筋混凝土结构，由于设计、施工不当，外界环境的作用以及地震灾害等因素的影响，结构常会出现开裂、老化等外在的损伤和缺陷，导致结构在安全性、适用性和耐久性方面不能满足使用要求，应对结构采取必要的加固措施。

目前，常用的钢筋混凝土结构加固方法有很多，这里主要介绍钢筋混凝土梁的两种常用加固方法：粘钢法和碳纤维法（如图1、2所示），并就这两种加固方法在方案选择、设计计算以及施工工艺等方面的差异进行比较。

1方案选择的比较1.1 粘钢法和碳纤维法适用范围的比较[1]1.1.1 粘钢法和碳纤维法适用范围的共同点图1粘钢法加固效果图图2碳纤维法加固效果图一般都适用于以承受静力荷载为主的受弯、受拉构件的加固。

由于两者都是用粘合剂将其粘贴在混凝土构件的表面，使其与混凝土协同工作，而结合面的粘结强度主要取决于混凝土，因而被加固混凝土的强度等级不应低于C15，截面处的拉应力不得小于1.5MPa。

同时，其所处的环境温度不宜高于60℃，相对湿度不宜大于70%，周围环境中无化学腐蚀性介质。

在结构加固过程中，也可以通过与外包钢、植筋、裂缝修补以及混凝土表面密封处理等技术相结合的办法，来提高混凝土结构的安全性、适用性和耐久性。

1.1.2 粘钢法和碳纤维法适用范围的不同点粘钢法用于受压以及承受动力较大构件加固时，应增设附加的锚固措施；例如每100mm 设置2个植筋螺栓或穿梁、穿板对拉螺栓锚固。

钢板上可以焊接锚筋，也可钻孔设植筋锚固，所以锚固方式较碳纤维法灵活。

碳纤维一般只能通过粘胶受力，碳纤维的层数一般限定为3层以内，最大为300g/m2。

因此，在需要大幅度提高承载力的场合，粘钢法比碳纤维法更好。

粘钢法可以适用于梁体受压部位，碳纤维法则不能。

例如框架结构边缘梁、边缘板承受负弯矩，可在受压区进行粘钢加固。

当受拉区配筋率较高，若再在受拉区增加配筋，有可能成为超筋梁时，受压区混凝土有损伤或其它缺陷时，受拉区加固不方便时，碳纤维法基本上无法替代粘钢法。

碳纤维和钢材相比，属于惰性材料，不锈蚀，也不易受到有害介质的腐蚀，不用养护，可以在相对湿度70%以上的环境中使用。

粘钢法加固后需要进行必要的表面防护，如加环氧砂浆或水泥砂浆保护层，钢板的锈蚀程度较难估计，降低了加固构件的可靠性，增加了加固后的养护费用。

同时，为便于施工过程中对钢板加压及防止钢板剥离，粘钢法加固时须采取必要的螺栓锚固措施，不可避免地对原结构造成一定的损伤。

因此，碳纤维法一般不宜用于配筋密度较大，且钢筋走向复杂的构件结点处的加固设计。

碳纤维本身的一些缺陷，如脆性、耐火性不好等使得这种材料的应用受到限制，粘钢法也需考虑。

1.2 材料费用的比较表1是厦门市中连结构胶有限公司2002年粘钢、碳纤维综合网上参考报价[1]。

表1 粘钢法加固及碳纤维法加固单价表钢板规格/mm单价元/m2CFRP规格/mm单价元/m22 1390.76 0.11 12003 1421.60 0.1375 12504 1452.44 0.165 13005 1483.28碳纤维的抗拉强度设计值为(1400～2300)MPa，钢板的抗拉强度设计值为(230～400)MPa，考虑折减,受拉加固构件根据等量代换，0.1mm碳纤维相当于1mm粘钢板，可以看出来，2002年粘钢板加固法在性价比上面稍有优势。

目前，粘钢板的单价大概为：2mm钢板(1100～1300)元/mm2, 碳纤维300g，0.165mm 大概为(500～800)元/mm2, 粘钢板法加固在性价比方面已经没有优势可言，而且随着生产技术的发展，纤维的来源由原来的单纯依靠进口，到国内研究生产，各种不同种类的纤维产品的强度会更高，价钱会更低。

而钢板的强度提高有限，单价比较稳定，因此，碳纤维加固方法随着时间的变化在性价比方面，会越来越具有优势。

2设计计算的比较加固结构的受力性能与一般普通未加固结构的受力性能相比存在着较大的差异。

主要表现在：加固后的结构属于二次受力。

具有应力、应变的滞后性和新、旧部分的整体性两方面的受力特征。

因而需要对加固以后的构件进行承载力计算，使其达到设计的要求。

2.1 材料的锚固长度比较[2]2.1.1 钢板的锚固外部粘结加固法中钢板的锚固至关重要，必须保证钢板在拉断之前不发生脱胶、滑移等粘结现象。

图3为钢筋混凝土梁钢板结构胶锚固示意图。

图3钢板结构胶锚固示意图对于图3中单纯以结构胶锚固时，锚固长度1l 为cv a ay f t f l /21≥ （1）式中：a t ——加固钢板厚度；ay f ——加固钢板抗拉（抗压）强度设计值； cv f ——被粘混凝土抗剪强度设计值。

2.1.2 碳纤维的锚固对于梁的正弯矩进行受弯加固时，碳纤维片材应延伸至支座边缘。

在集中荷载作用点两侧应设置构造碳纤维片材U 型箍或横向压条等附加锚固措施，如图4所示。

图4 碳纤维片材锚固示意图碳纤维材料切断位置与不需要纤维材料截面的距离不应小于200mm ，且与其充分利用截面的距离不应小于cfcf cfcf cf d b A E l τε=（2）式中：d l ——碳纤维片材从其利用截面起所需的锚固长度； cf ε——充分利用截面处碳纤维片材的拉应变； cf τ——碳纤维片材与混凝土之间的粘结强度设计值；cf b ——受拉面粘结的碳纤维片材宽度（对于板，取1000mm 板宽范围内粘结的碳纤维片材宽度）。

2.2 加固梁的受弯承载力计算比较 2.2.1 粘钢法加固承载力计算[2]钢筋混凝土梁粘钢加固一般采用在受拉区表面粘贴钢板的方法，极限应力状态如图5所示。

图5 粘刚锚固梁的极限应力状态此时，矩形截面梁的正截面受弯承载力公式为：)2(22'''01011s s y a a ay y y a x A f x h A f x h A f M -+-+-≤）（）（ （3）bx f A f A f A f c s y a ay y y α=+''111- （4）式中：1y f ——原构件纵向钢筋抗拉强度设计值； 1y A ——原构件纵向受拉钢筋截面面积； ay f ——加固钢板抗拉强度设计值； 1a A ——加固钢板截面面积；'y f ——原构件纵向受压钢筋抗压强度设计值； 's A ——原构件纵向受压钢筋截面面积； c f ——原构件混凝土轴心抗压强度设计值； x ——混凝土受压区高度；0h ——原构件纵向受拉钢筋重心至混凝土受压区边缘的距离； a h 0——加固钢板重心至混凝土受压区边缘的距离；'s a ——原构件纵向受压钢筋重心至混凝土受压区边缘的距离； b ——原构件矩形截面宽度。

2.2.2 碳纤维法加固承载力计算[3]实际上，碳纤维布在加固钢筋混凝土梁中所起的作用相当于在梁底配有相同作用的钢筋。

如果把碳纤维布换算成等作用的钢筋，则使问题有所简化，计算公式为:y f s s f f A A /2121ββ= （5）式中 1s A ——等效钢筋面积； 2s A ——碳纤维布的面积； f f ——碳纤维布的抗拉强度； y f ——钢筋的抗拉强度；1β——碳纤维布强度折减系数，对3550MPa ，1～3层取0.7；对1800MPa ，1～5层取1.0；2β——碳纤维布与原有钢筋共同作用系数，与碳纤维布的强度也有关系，对3550MPa ，1层取1.0，3层取0.85；对1800MPa ，1～2层取1.0，3～5层取0.85。

现行钢筋混凝土梁单筋矩形截面受弯正截面理论的极限应力状态如图6所示。

图6 碳纤维片材锚固梁的极限应力状态由平衡条件可以得到承载力极限状态的基本计算公式:s y c A f bx f =α （6）)2(2)2(021x h A f x h A f x h bx f M s y s y c u -+-=-≤）（α （7）21s s s A A A += （8）式中，符号的含义见图6所示。

为了保证梁的适筋破坏，不出现超筋和少筋破坏，在此，超筋相当于碳纤维布太厚或没有必要加固，少筋相当于加固梁配筋太少，计算公式还必须满足下列条件:0h x b ξ≤ （9）0min bh A s ρ≥ （10）通过对粘钢法和碳纤维法加固的矩形截面梁正截面受弯承载力计算公式的比较，可以看出，两者在计算过程中都考虑了附加材料对于原混凝土结构受力的影响，在计算时都将其等效为底部的受拉钢筋。

在加固过程中，两者都要预留一定的锚固长度，必要时应采取附加的锚固措施，以保证材料与原混凝土结构之间的整体性，达到良好传力效果的目的。