一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法与流程

本发明属于混凝土结构加固技术领域，涉及一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法。

背景技术：

钢筋混凝土结构是目前最广泛使用的一种结构形式。荷载作用下，混凝土构件有多种基本的破坏形式。其中，直剪破坏是较为常见的一种形式，常发生在：(1)存在细小裂缝或材料突变的截面(如新老混凝土交界面)；或是(2)承受较大剪力传递的截面。目前我国正在大力推行的预制混凝土结构中大量存在属于(1)的截面。如果因房屋功能提升等原因导致构件直剪承载力不足，常规的解决办法是提高混凝土构件的直剪承载力。

现有加固钢筋混凝土构件直剪力的方法有：公开号为cn106567555a，发明名称为一种表面斜贴纤维复合材提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法通过将纤维复合材料与直剪面斜向黏贴的方法提高直剪力；公开号为cn104153594a，发明名称为一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法通过将纤维复合材料与直剪面垂直黏贴的方法提高直剪力。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法能够精确的确定用于加固钢筋混凝土构件的钢板的面积及厚度，加固效果高效。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，通过将钢板固定在钢筋混凝土构件的预加固直剪面部位的表面以提高该钢筋混凝土构件的直剪承载力，所述钢板的截面积根据未加固钢筋混凝土构件的直剪承载力和加固后钢筋混凝土构件需达到的直剪承载力来确定，并根据所述钢板的截面积和所述直剪面的长度确定所述钢板的厚度；

所述钢板的截面积ap的确定公式如下：

ap＝(verc-vrc)/(1.083σp+τp)

其中，verc表示加固后钢筋混凝土构件需达到的直剪承载力(n)，vrc表示未加固钢筋混凝土构件直剪承载力(n)，σp表示所述钢板的横向拉应力(mpa)；τp表示所述钢板的竖向切应力(mpa)。

所述未加固钢筋混凝土构件直剪承载力vrc的确定公式如下：

vrc＝0.097acvfc+0.752avffy，

其中，vrc表示未加固钢筋混凝土构件直剪承载力(n)，acv表示直剪面处混凝土的截面面积(mm²)，avf表示直剪面处直剪钢筋的截面面积(mm²)，fc表示混凝土抗压强度(mpa)；fy表示钢筋屈服强度(mpa)。

所述钢板的横向拉应力σp和所述钢板的竖向切应力τp的确定公式分别如下：

σp＝epεp＝ep(108+28.6ρ+12.9λ)，

τp＝gpγp＝gp(306+94.1ρ-34.4λ)，

其中，ep表示所述钢板的弹性模量(mpa)，gp表示所述钢板的剪切模量(mpa)，εp表示所述钢板的有效横向拉应变，γp表示所述钢板的有效竖向切应变，ρ表示直剪面处直剪钢筋的配筋率，λ＝ap/a表示钢板加固率，a表示直剪面面积(mm²)。

所述钢板的厚度w的确定公式如下：

w＝ap/l

其中，l是直剪面长度(mm)。

所述钢板通过加固螺栓固定在所述钢筋混凝土构件的直剪面处，所述加固螺栓为两个以上；

所述钢板为两块，所述加固螺栓贯穿所述钢筋混凝土构件将两块钢板固定在所述钢筋混凝土构件两侧。

所述加固螺栓布置在直剪面两侧距离直剪面80～200mm的位置，每个加固螺栓之间的间距为50～100mm。

优选地，所述加固螺栓布置在直剪面两侧距离直剪面100mm的位置，每个加固螺栓之间的间距为60mm。

所述加固螺栓与所述钢筋混凝土构件的接触面填充有植筋胶。

经所述钢板加固后的钢筋混凝土构件置于干燥空气中，常温下静置24～36小时，待植筋胶硬化后，所述钢板和所述钢筋混凝土混凝土构件方可共同受力。

所述钢板通过加固螺栓固定在所述钢筋混凝土构件的直剪面处的步骤包括：

第一步，平整混凝土表面，在所述钢筋混凝土构件的直剪面两侧混凝土表面使用圆盘式打磨机打磨平整，并用吹风机吹去表面浮尘；

第二步，定位打孔及清孔，按照所述加固螺栓布置在直剪面两侧距离直剪面处80～200mm的位置，每个加固螺栓之间的间距为50～100mm的方法，对所述加固螺栓进行定位，定位处先使用小直径钻头对所述钢筋混凝土构件打对穿孔，然后用大直径钻头进行扩孔，最后采用气泵和吹气嘴清理孔内灰尘和孔壁浮尘；

第三步，黏贴密封垫片，在孔洞四周涂抹适量透明硅胶，并粘贴硅胶垫片，以防止注胶时植筋胶侧漏；

第四步，安装加固零部件，将所述钢板连同所述加固螺栓、注胶环等零部件安装于所述钢筋混凝土构件表面，钢板位置调整准确，加固螺栓暂时紧固以固定钢板；

第五步，施加预紧力，使用扭矩扳手拧紧加固螺栓，施加预紧力；

第六步，注胶，使用注胶枪通过垫片进行植筋胶注射，胶体从一侧注胶环的注胶孔注入，从所述钢筋混凝土构件另一侧注胶环的注胶孔溢出，注胶完成后对所述钢筋混凝土构件的表面进行清洁清理即可。

所述钢板的材质优选为q345钢材。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述的方法通过将钢板固定在钢筋混凝土构件的预加固直剪面部位的表面以提高该钢筋混凝土构件的直剪承载力，根据待加固钢筋混凝土构件的各物理参数以及需要达到的加固效果，精确的定量确定用于加固的钢板的用量，加固效果高效，方法简单明了易于使用。

附图说明

图1为未加固钢筋混凝土构件的主视图。

图2为加固后钢筋混凝土构件的主视图。

图3为加固后钢筋混凝土构件的侧视图。

图4为加固后钢筋混凝土构件的俯视图。

附图标记：

钢筋混凝土构件1、直剪面2、直剪钢筋3、钢板4、加固螺栓5、植筋胶6、注胶孔7。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法通过将钢板固定在钢筋混凝土构件的预加固直剪面部位的表面以提高该钢筋混凝土构件的直剪承载力，根据待加固钢筋混凝土构件的各物理参数以及需要达到的加固效果，精确的定量确定用于加固的钢板的用量，以提高钢筋混凝土构件的直剪承载力。

本实施例以采用钢板对z型钢筋混凝土构件的直剪力进行加固的原理如下：

当钢筋混凝土构件在某竖向截面发生直剪破坏时，必然伴随两个反应，即该截面附近区域混凝土的横向水平膨胀变形，以及直剪面左右两侧因滑移而产生的竖向位移，相应地，钢筋混凝土构件直剪抗力来源于5个分量：骨料与砂浆之间界面的粘聚力和摩擦力、骨料咬合力、因横向膨胀变形导致的剪胀力以及钢筋的销栓作用。

将钢板通过加固螺栓锚固在钢筋混凝土构件表面后，钢筋混凝土构件在直剪荷载下的两个反应也影响钢板的受力和变形，一方面，钢板产生横向水平约束力，限制钢筋混凝土构件横向水平膨胀变形，此横向水平约束力产生横向夹紧力，引起直剪抗力的前4个分量增加，从而间接地增大了直剪抗力；另一方面，钢板直接产生竖向抗力，抵抗直剪面左右两侧因滑移而产生的竖向位移，提供直剪抗力。

可见，采用本发明的方法对钢筋混凝土构件进行加固，直接明了，效果显著。

具体说明如下：

如图1所示，竖直方向的带箭头的实线表示在z型钢筋混凝土构件1上施加的直剪力f，直剪面2如图1中虚线所示。在直剪力的作用下，z型钢筋混凝土构件1将发生横向膨胀变形以及直剪面左右两侧的相对竖向位移，变形的方向分别如图1中水平和竖向的带箭头虚线所示。

如图2所示的加固后钢筋混凝土构件的主视图上，钢板4通过加固螺栓5锚固在钢筋混凝土构件的表面，图2中粗实线表示钢筋混凝土构件内置的直剪钢筋3，钢板4受到变形，水平夹紧力引起直剪抗力的前4个分量增加，从而间接地增大了直剪抗力。钢板4同时还产生竖向抗力直接抵抗外部荷载。

如图3和图4所示的加固后钢筋混凝土构件的结构，加固螺栓5对穿钢筋混凝土构件，将两块钢板4分别锚固在钢筋混凝土构件的两侧，加固螺栓5自身通过周围的植筋胶6与混凝土相连，植筋胶6通过注胶孔7注入，加固螺栓5不会在外力作用下产生滑移，从而保证了加固螺栓5与周周混凝土牢固结合。

基于上述原理和图示，采用螺栓锚固钢板提高钢筋混凝土构件直剪承载力的的方法包括如下步骤：

(1)钢板确定步骤：根据未加固钢筋混凝土构件直剪承载力和拟加固效果，根据未加固钢筋混凝土构件直剪承载力和加固后钢筋混凝土构件需达到的直剪承载力，确定固定在所述钢筋混凝土构件的直剪面处钢板的截面积，并根据所述钢板的截面积和所述直剪面的长度确定所述钢板的厚度；本实施例选用的钢板材质为q345钢材。

(2)平整混凝土表面，在所述钢筋混凝土构件的直剪面两侧混凝土表面使用圆盘式打磨机打磨平整，并用吹风机吹去表面浮尘；

(3)定位打孔及清孔，本实施例中将所述加固螺栓布置在直剪面两侧距离直剪面100mm的位置，每侧各布置4个加固螺栓。每个加固螺栓之间的间距为60mm，定位处先使用小直径钻头对所述钢筋混凝土构件打对穿孔，然后用大直径钻头进行扩孔，最后采用气泵和吹气嘴清理孔内灰尘和孔壁浮尘；

(4)黏贴密封垫片，在孔洞四周涂抹适量透明硅胶，并粘贴硅胶垫片，以防止注胶时植筋胶侧漏；

(5)安装加固零部件，将钢板连同所述加固螺栓、注胶环等零部件安装于所述钢筋混凝土构件表面，钢板位置调整准确，加固螺栓暂时紧固以固定钢板；

(6)施加预紧力，使用扭矩扳手拧紧加固螺栓，施加预紧力；

(7)注胶，使用注胶枪通过垫片进行植筋胶注射，胶体从一侧注胶环的注胶孔注入，从所述钢筋混凝土构件另一侧注胶环的注胶孔溢出，注胶完成后对所述钢筋混凝土构件的表面进行清洁清理。

(8)养护，加固后的钢筋混凝土构件置于干燥空气中，常温下静置48小时，待植筋胶硬化后，加固钢板和钢筋混凝土构件方可共同受力。

其中，步骤(1)包括以下步骤：

第一步，所述未加固钢筋混凝土构件直剪承载力按照下式确定；

vrc＝0.097acvfc+0.752avffy

其中，vrc表示未加固钢筋混凝土构件直剪承载力(n)，acv表示直剪面处混凝土的截面面积(mm²)，avf表示直剪面处直剪钢筋的截面面积(mm²)，fc表示混凝土抗压强度(mpa)；fy表示钢筋屈服强度(mpa)；

第二步、所述钢板的截面积ap的确定公式如下：

ap＝(verc-vrc)/(1.083σp+τp)

其中，verc表示加固后钢筋混凝土构件需达到的直剪承载力(n)，vrc表示未加固钢筋混凝土构件直剪承载力(n)，σp表示所述钢板的横向拉应力(mpa)；τp表示所述钢板的竖向切应力(mpa)；

所述钢板的横向拉应力σp和所述钢板的竖向切应力τp的确定公式分别如下：

σp＝epεp＝ep(108+28.6ρ+12.9λ)，

τp＝gpγp＝gp(306+94.1ρ-34.4λ)，

其中，ep表示所述钢板的弹性模量(mpa)，gp表示所述钢板的剪切模量(mpa)，εp表示所述钢板的有效横向拉应变，γp表示所述钢板的有效竖向切应变，ρ表示直剪面处直剪钢筋的配筋率，λ＝ap/a表示钢板加固率，a表示直剪面面积(mm²)；

所述钢板的厚度w的确定公式如下：

w＝ap/l

其中，l是直剪面长度(mm)。

实施例

如图2、图3和图4所示，采用z型试件，将钢板通过加固螺栓锚固在钢筋混凝土构件表面。该构件直剪面长度320mm，宽度210mm，直剪配筋率0.46％-1.2％。采用钢板厚度6mm和8mm，钢板加固率3.57％-5.95％。螺栓锚固位置距离直剪面100mm，螺栓间距60mm。试验得到该钢筋混凝土构件加固前和加固后的直剪承载力。表1给出了通过加固螺栓锚固钢板以加固钢筋混凝土直剪力的加固效果并与已有方法进行比较。

表1

由表1可知，本发明采用的将钢板通过加固螺栓锚固在钢筋混凝土构件表面以有效提升钢筋混凝土构件直剪性能，针对配筋率0.46％-1.20％的构件，直剪承载力提高了25％-57％；与水平粘贴cfrp方法相比，本发明所采用的方法加固效果更为显著，且高配筋率下同样获得了良好的加固效果；与斜贴cfrp方法相比，本发明所采用的方法加固效果与最优角度下加固效果相当，且避免了斜贴cfrp时cfrp四面包覆混凝土的施工需求。与现有加固方法相比，本发明的方法具有加固效果好、粘钢和原结构整体性好、钢板不易损、造价低廉等特点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。