加载中…悬挑梁的设计要点及事故处理对策
(2008-08-26 15:44:43)
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分类： 建筑结构 |
１ 前言
在建筑物设计、施工乃至加固领域中，经常可遇到悬挑梁结构；因为悬挑梁在整个结构体系中的受力的特殊性，所以一旦出现质量问题，将对整幢建筑物形成极大的不安全因素。
悬挑结构常常处于室外，面对雨水、二氧化碳直接侵蚀，且其上因为用户的使用原因，荷载也存在一定的不确定性，所以一旦出现裂缝，将极有可能进一步扩展，严重的将危及建筑物的安全。
悬挑结构设计受力的合理性、设计安全储备的控制、施工质量的把握、对有质量问题的悬挑梁加固的可行性和针对性都很重要，本文将对上述问题进行深入分析与探讨。
２ 设计中的问题
２．１荷载的取值
按建筑结构荷载规范（ＧＢ５０００９－２００１）规定，应取活荷载标准值２．５ｋＮ／ｍ２∽３．５ｋＮ／ｍ２，而有的则取１．５ｋＮ／ｍ２，从而造成严重的设计隐患。
２．２设计计算失误
（１）砌体结构中对钢筋混凝土挑梁的抗倾覆验算中，挑梁计算倾覆点于墙外边缘的距离有如下规定，（见《砌体结构设计规范》（ＧＢ５０００３－２００１）应严格执行：
①当ｌ１≥２．２ｈｂ，时ｘ０可近似取ｘ０＝０．３ｈｂ，且不大于０．１３ｌ１；
②当ｌ１＜２．２ｈｂ，ｘ０＝０．１３ｈｂ。
式中ｌ１——挑梁埋入砌体的长度（ｍｍ）；
ｘ０——计算倾覆点到墙外边缘的距离（ｍｍ）
ｈｂ——挑梁的截面高度（ｍｍ）
因此，在计算外悬挑长度ｌ０时，应该是：ｌ０＝ｌ＋０．３ｈｂ。
但有些设计却直接采用ｌ０＝ｌ，这样设计控制弯矩将严重偏小。
２．３抗剪设计的失误
构造规定，悬臂梁长度大于１．５ｍ时，必须设计置一排弯起钢筋用以抗剪，如梁端遇有集中荷载时，则须配两排弯起筋。而现实中挑梁端部常因用户的需要而在梁端设有２４０ｍｍ厚围护墙的集中荷载，但设计时却可能未作考虑，因此容易忽视这个问题，从而造成质量事故。工程上很多悬挑梁质量问题往往就出在剪力不够这个问题上，而箍筋和弯起钢筋的配置是否符合要求便成为关键。
３ 施工中的问题
关于施工的问题，主要分为两个方面：
３．１ 钢筋布置不当
因为现场工人操作时容易将悬挑梁的负钢筋踩踏下去，造成梁板计算控制截面的有效高度ｈ０减小；此外，还有钢筋位置配反的情况，此种情况更加危险，拆模时就可能坍塌。
３．２混凝土强度不够及尺寸不足
这种情况亦是工程中易发生的问题，强度的不足意味着受压区面积增大而受拉主筋ｈＯ减小，主筋拉应力增大，拆模后会有较大变形及裂缝产生，从而形成日后隐患。
３．３ 其它原因
在施工过程中钢筋的少配或误配，材料使用不当或失误（例如随意用光圆钢筋代替变形钢筋、使用劣质水泥、未经设计或验算随便套用其它混凝土配合比等），都将影响构件的质量。
４ 对质量问题的处理方法
对于存在质量问题的悬挑梁，其加固方法有很多种，下面对工程中行之有效的几种方法加以探讨与分析。
４．１ 粘钢加固法
４．１．１ 粘钢加固的特点
粘钢法即采用环氧树脂建筑结构胶对原挑梁进行体外配筋，即外粘钢加固，此种方法为近年来高速发展的一项新兴技术，特点是针对性极为明确，方便适用，且现场施工简单，对原结构的损伤和扰动很小，几乎不增加原结构体积，如图１所示。
而其缺点是粘贴钢板的应力滞后现象，由于悬臂梁加固一般是在不卸载的情况下进行施工的，原梁中的钢筋中已有一定的应力存在，而所粘贴的钢板仅在后加荷载作用下才产生应力。
４．１．２粘钢加固的计算
承载力计算：ｆｃｍｂｘ＝ｆｙＡｓ＋ ｆａｙＡａ －ｆｙ ／Ａｓ ／……（１）
Ｍｕ＝ｆｃｍｂｘ（ｈ０１－ｘ／２）＋ ｆｙ／Ａｓ／（ｈ０１－αｓ ／）…（２）
ｆａｙ为加固钢板抗拉强度设计值；
Ａａ为加固钢板截面面积；
Ａｓ、ｆｙ分别为原梁纵向受拉钢筋的截面面积和抗拉强度设计值；
ｆｙ ／、Ａｓ ／分别为原梁纵向受压钢筋的截面面积
和抗拉强度设计值；αｓ ／为原梁纵向受压钢筋的保护层厚度。
４．１．３锚固粘结长度计算
锚固粘结长度Ｌ１是指原梁在不需要加固的截面以外粘贴钢板延伸长度。
Ｌ１≥２ｆａｙｔａ／ｆｃｖ………………………（３）
ｔａ为受拉加固钢板厚度；ｆｃｖ为被粘混凝土抗剪强度的设计值。
若钢板粘结长度无法满足式（３）的要求时，可在钢板的端部锚固区粘结Ｕ形箍板，也可以钢板端锚固区增设膨胀螺栓的办法加强锚固。
４．１．４斜截面受剪承载力加固
Ｖ≤Ｖ０＋２ｆａｙＡａＬＬｕ／Ｓ…………（４）
ＡａＬ为单肢箍板截面面积；Ｖ０为原构件斜截面受剪承载力设计值；Ｌｕ为单肢箍板的梁侧混凝土的粘结长度；
Ｓ为箍板轴线间距。
４．２外包改性混凝土加固
４．２．１ 外包混凝土加固的形式与特点
当悬挑梁承载力相差较大，刚度也不满足要求时，采用外包混凝土加大截面法加固比较有效。加固设计时，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。
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作用；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，增加了构件的刚度，加固效果很明显，图２就是采用三面加固的方式。
４．２．２ 加固计算方法
由于加固构件实际为叠合构件，主要表现在混凝土应变滞后，钢筋应力超前。
根据分析，增补钢筋的应力滞后于梁内原钢筋应力，因此对增补筋的抗拉强度设计值乘以０．９的折减系数。
即：ｆｃｍｂｘ＝ｆｙＡｓ＋０．９ｆｙ１Ａｓ１
Ｍｕ＝ｆｃｍｂｘ（ｈ０１－ｘ／２）式（１）可改写成
由αｓ查表得γｓ，从而得： ……（６）
ｆｃｍ为混凝土弯曲抗压强度设计值；ｆｙ为梁中原钢筋的抗拉强度；ｆｙ１为增补钢筋的抗拉强度；
ＡＳ、ＡＳ１分别为梁中原钢筋及增补钢筋或型钢的截面面积。
４．２．３混凝土施工工艺
外包改性混凝土加固方法与其它一般的加固方法比较，施工质量易于保证、加固后新旧结构共同受力比较良好。由于该法是采用改性混凝土，即混凝土内掺特殊掺合料（比如湖南大学生产的ＧＭＡ），此种混凝土具有高流动性、高强、新老混凝土面结合良好、可自流密实免振捣等特性。而在悬挑梁加固中，因为加大的截面尺寸有限，施工空间狭小，因此，对混凝土要求的正是上述性能。
在浇筑改性混凝土前，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（凿成小槽），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，原有混凝土表面应冲洗干净；浇注混凝土前，对凿出的原有钢筋及新加钢筋应采取除锈处理；在受力钢筋施焊前应尽量对悬挑梁适当卸荷（如支撑等）；焊接应分段分区进行，尽量减少焊接热量对钢筋的影响。最后，原混凝土表面应以水泥浆等界面剂进行处理。
只有按上述步骤进行，才可让新老混凝土结合良好并且协同工作（如图２所示）。
４．３ 其它方法加固
如外包碳纤维加固，碳纤维加固技术是最新兴起的建筑领域中的新技术，此前在日本和美国较为流行；现在我国也取得了长足的发展。碳纤维加固方法与外包钢类似，它比外包钢更加施工简便，且易于运送，外界条件对其几乎无腐蚀作用；不过从经济角度来说，它比外包钢成本略高一些，此外碳纤维在施工操作时对人体也有一定的损害。
此外还有预应力加固法、挖补加固法等，都是经过实践且证明可行的方法，工程中应根据自身结构的特点来选择最适合的方法进行加固处理，以达到最理想、最经济的效果。
５ 结束语
５．１由于悬挑梁在结构中的重要性、工作状况复杂性，因此要求设计必须规范合理，且应注意保证结构具有足够的安全储备。施工时也应严格按标准执行，确保达到设计的要求。
５．２上述加固方法对悬挑构件进行补强加固，在结构计算中明显反映二次受力状态，不是新旧结构简单地叠加受力，受力分布也不均匀，因此不可简单地做迭加计算。
５．３在工程检测中，发现原结构承载力达到一定变形后，加固结构才开始受力，为了使加固后的构件偏于安全，应适当加大设计的安全储备。
在建筑物设计、施工乃至加固领域中，经常可遇到悬挑梁结构；因为悬挑梁在整个结构体系中的受力的特殊性，所以一旦出现质量问题，将对整幢建筑物形成极大的不安全因素。
悬挑结构常常处于室外，面对雨水、二氧化碳直接侵蚀，且其上因为用户的使用原因，荷载也存在一定的不确定性，所以一旦出现裂缝，将极有可能进一步扩展，严重的将危及建筑物的安全。
悬挑结构设计受力的合理性、设计安全储备的控制、施工质量的把握、对有质量问题的悬挑梁加固的可行性和针对性都很重要，本文将对上述问题进行深入分析与探讨。
２ 设计中的问题
２．１荷载的取值
按建筑结构荷载规范（ＧＢ５０００９－２００１）规定，应取活荷载标准值２．５ｋＮ／ｍ２∽３．５ｋＮ／ｍ２，而有的则取１．５ｋＮ／ｍ２，从而造成严重的设计隐患。
２．２设计计算失误
（１）砌体结构中对钢筋混凝土挑梁的抗倾覆验算中，挑梁计算倾覆点于墙外边缘的距离有如下规定，（见《砌体结构设计规范》（ＧＢ５０００３－２００１）应严格执行：
①当ｌ１≥２．２ｈｂ，时ｘ０可近似取ｘ０＝０．３ｈｂ，且不大于０．１３ｌ１；
②当ｌ１＜２．２ｈｂ，ｘ０＝０．１３ｈｂ。
式中ｌ１——挑梁埋入砌体的长度（ｍｍ）；
ｘ０——计算倾覆点到墙外边缘的距离（ｍｍ）
ｈｂ——挑梁的截面高度（ｍｍ）
因此，在计算外悬挑长度ｌ０时，应该是：ｌ０＝ｌ＋０．３ｈｂ。
但有些设计却直接采用ｌ０＝ｌ，这样设计控制弯矩将严重偏小。
２．３抗剪设计的失误
构造规定，悬臂梁长度大于１．５ｍ时，必须设计置一排弯起钢筋用以抗剪，如梁端遇有集中荷载时，则须配两排弯起筋。而现实中挑梁端部常因用户的需要而在梁端设有２４０ｍｍ厚围护墙的集中荷载，但设计时却可能未作考虑，因此容易忽视这个问题，从而造成质量事故。工程上很多悬挑梁质量问题往往就出在剪力不够这个问题上，而箍筋和弯起钢筋的配置是否符合要求便成为关键。
３ 施工中的问题
关于施工的问题，主要分为两个方面：
３．１ 钢筋布置不当
因为现场工人操作时容易将悬挑梁的负钢筋踩踏下去，造成梁板计算控制截面的有效高度ｈ０减小；此外，还有钢筋位置配反的情况，此种情况更加危险，拆模时就可能坍塌。
３．２混凝土强度不够及尺寸不足
这种情况亦是工程中易发生的问题，强度的不足意味着受压区面积增大而受拉主筋ｈＯ减小，主筋拉应力增大，拆模后会有较大变形及裂缝产生，从而形成日后隐患。
３．３ 其它原因
在施工过程中钢筋的少配或误配，材料使用不当或失误（例如随意用光圆钢筋代替变形钢筋、使用劣质水泥、未经设计或验算随便套用其它混凝土配合比等），都将影响构件的质量。
４ 对质量问题的处理方法
对于存在质量问题的悬挑梁，其加固方法有很多种，下面对工程中行之有效的几种方法加以探讨与分析。
４．１ 粘钢加固法
４．１．１ 粘钢加固的特点
粘钢法即采用环氧树脂建筑结构胶对原挑梁进行体外配筋，即外粘钢加固，此种方法为近年来高速发展的一项新兴技术，特点是针对性极为明确，方便适用，且现场施工简单，对原结构的损伤和扰动很小，几乎不增加原结构体积，如图１所示。
而其缺点是粘贴钢板的应力滞后现象，由于悬臂梁加固一般是在不卸载的情况下进行施工的，原梁中的钢筋中已有一定的应力存在，而所粘贴的钢板仅在后加荷载作用下才产生应力。
４．１．２粘钢加固的计算
承载力计算：ｆｃｍｂｘ＝ｆｙＡｓ＋ ｆａｙＡａ －ｆｙ ／Ａｓ ／……（１）
Ｍｕ＝ｆｃｍｂｘ（ｈ０１－ｘ／２）＋ ｆｙ／Ａｓ／（ｈ０１－αｓ ／）…（２）
ｆａｙ为加固钢板抗拉强度设计值；
Ａａ为加固钢板截面面积；
Ａｓ、ｆｙ分别为原梁纵向受拉钢筋的截面面积和抗拉强度设计值；
ｆｙ ／、Ａｓ ／分别为原梁纵向受压钢筋的截面面积
和抗拉强度设计值；αｓ ／为原梁纵向受压钢筋的保护层厚度。
４．１．３锚固粘结长度计算
锚固粘结长度Ｌ１是指原梁在不需要加固的截面以外粘贴钢板延伸长度。
Ｌ１≥２ｆａｙｔａ／ｆｃｖ………………………（３）
ｔａ为受拉加固钢板厚度；ｆｃｖ为被粘混凝土抗剪强度的设计值。
若钢板粘结长度无法满足式（３）的要求时，可在钢板的端部锚固区粘结Ｕ形箍板，也可以钢板端锚固区增设膨胀螺栓的办法加强锚固。
４．１．４斜截面受剪承载力加固
Ｖ≤Ｖ０＋２ｆａｙＡａＬＬｕ／Ｓ…………（４）
ＡａＬ为单肢箍板截面面积；Ｖ０为原构件斜截面受剪承载力设计值；Ｌｕ为单肢箍板的梁侧混凝土的粘结长度；
Ｓ为箍板轴线间距。
４．２外包改性混凝土加固
４．２．１ 外包混凝土加固的形式与特点
当悬挑梁承载力相差较大，刚度也不满足要求时，采用外包混凝土加大截面法加固比较有效。加固设计时，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。
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作用；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，增加了构件的刚度，加固效果很明显，图２就是采用三面加固的方式。
４．２．２ 加固计算方法
由于加固构件实际为叠合构件，主要表现在混凝土应变滞后，钢筋应力超前。
根据分析，增补钢筋的应力滞后于梁内原钢筋应力，因此对增补筋的抗拉强度设计值乘以０．９的折减系数。
即：ｆｃｍｂｘ＝ｆｙＡｓ＋０．９ｆｙ１Ａｓ１
Ｍｕ＝ｆｃｍｂｘ（ｈ０１－ｘ／２）式（１）可改写成
由αｓ查表得γｓ，从而得： ……（６）
ｆｃｍ为混凝土弯曲抗压强度设计值；ｆｙ为梁中原钢筋的抗拉强度；ｆｙ１为增补钢筋的抗拉强度；
ＡＳ、ＡＳ１分别为梁中原钢筋及增补钢筋或型钢的截面面积。
４．２．３混凝土施工工艺
外包改性混凝土加固方法与其它一般的加固方法比较，施工质量易于保证、加固后新旧结构共同受力比较良好。由于该法是采用改性混凝土，即混凝土内掺特殊掺合料（比如湖南大学生产的ＧＭＡ），此种混凝土具有高流动性、高强、新老混凝土面结合良好、可自流密实免振捣等特性。而在悬挑梁加固中，因为加大的截面尺寸有限，施工空间狭小，因此，对混凝土要求的正是上述性能。
在浇筑改性混凝土前，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（凿成小槽），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，原有混凝土表面应冲洗干净；浇注混凝土前，对凿出的原有钢筋及新加钢筋应采取除锈处理；在受力钢筋施焊前应尽量对悬挑梁适当卸荷（如支撑等）；焊接应分段分区进行，尽量减少焊接热量对钢筋的影响。最后，原混凝土表面应以水泥浆等界面剂进行处理。
只有按上述步骤进行，才可让新老混凝土结合良好并且协同工作（如图２所示）。
４．３ 其它方法加固
如外包碳纤维加固，碳纤维加固技术是最新兴起的建筑领域中的新技术，此前在日本和美国较为流行；现在我国也取得了长足的发展。碳纤维加固方法与外包钢类似，它比外包钢更加施工简便，且易于运送，外界条件对其几乎无腐蚀作用；不过从经济角度来说，它比外包钢成本略高一些，此外碳纤维在施工操作时对人体也有一定的损害。
此外还有预应力加固法、挖补加固法等，都是经过实践且证明可行的方法，工程中应根据自身结构的特点来选择最适合的方法进行加固处理，以达到最理想、最经济的效果。
５ 结束语
５．１由于悬挑梁在结构中的重要性、工作状况复杂性，因此要求设计必须规范合理，且应注意保证结构具有足够的安全储备。施工时也应严格按标准执行，确保达到设计的要求。
５．２上述加固方法对悬挑构件进行补强加固，在结构计算中明显反映二次受力状态，不是新旧结构简单地叠加受力，受力分布也不均匀，因此不可简单地做迭加计算。
５．３在工程检测中，发现原结构承载力达到一定变形后，加固结构才开始受力，为了使加固后的构件偏于安全，应适当加大设计的安全储备。
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