既有建筑物的功能提升是目前建筑业越来越普遍的问题,但使用功能改变后,楼面荷载可能会大幅度增加,原有楼板的承载力、变形等性能将不能满足新的功能要求。因此,需要对原有楼板进行加固处理,从而提高混凝土板的承载力,减小混凝土板的变形。

　　 目前对楼板进行加固的方案主要有:1)增加楼板厚度。在楼板上部后浇混凝土层,形成叠合板,提高板的承载力和刚度。该方案会减小房间的净空,有时会影响使用功能,可能不可取。2)板底粘贴碳纤维或粘贴钢板。但当楼板荷载增加较大或增加集中荷载时,该方案也无法实现。3)楼板下增设钢筋混凝土梁或钢梁。通过增设梁,减小楼板的跨度,从而减小板的内力,使其满足承载能力要求。若在楼板下增设钢筋混凝土梁,在施工时需要在楼板顶面钻孔,浇筑混凝土或灌浆料,施工难度较大,湿作业工作量大,施工周期长,造价高。在楼板底面直接设置H型钢梁,施工速度快,造价低。在楼板下设置H型钢梁的加固方法,在工程中已广泛应用。目前采用该方案加固设计时通常仅考虑钢梁的单独作用,虽然型钢梁与楼板间采取了一些连接措施,但也未考虑型钢梁与混凝土板共同工作,原因是后加型钢梁与混凝土楼板形成的组合结构受力性能有待进一步研究。

　　 文献[1,2,3,4,5,6,7,8]对预制混凝土构件与钢构件形成的组合结构进行了一些理论分析和试验研究,取得了一定成果。研究表明,后加型钢梁与混凝土板并非完全意义上的组合梁。本文对此做了更深入的试验研究,重点研究了H型钢梁与混凝土板采用不同的连接方式,组合梁的受力性能,为采用型钢梁加固混凝土楼板考虑二者共同工作提供设计依据。

　　 本试验共设计了12个试件,试件施工图见图1,试件主要参数见表1。试件设计时混凝土板和型钢梁间考虑了两种连接方式:植栓连接和贯穿楼板的螺栓连接。采用植栓连接的植栓深度考虑了60,120mm两种情况,锚栓数量参照一般组合梁对锚钉的要求设置,两种连接方式的锚栓间距均考虑了150,250mm两种情况,螺栓均为4.6级、直径12mm。螺栓间距为250mm时,型钢与混凝土板间抹结构胶。螺栓间距为150mm时,型钢与混凝土板间抹水泥砂浆找平。另外对螺栓的预紧力进行了控制。

　　 楼板混凝土强度等级采用C30,混凝土板跨度为3 400mm,宽度为500mm,板厚为120mm或150mm; 20号H型钢(截面为H200×100×7×11.4),钢材为Q235,长度3 400mm。连接锚栓钢材为Q235,直径12mm,螺栓双排布置。贯穿连接的构件板顶螺栓垫片尺寸为100×50×5。混凝土板受力筋与分布筋分别为■8@150,■8@250。为保证施加荷载时构件的稳定性,在试件的端部设有与试件浇筑在一起的混凝土支座的厚度为200mm。实测混凝土板立方体抗压强度为29.4MPa,H型钢屈服强度实测值为265MPa,极限强度实测值为405MPa,锚栓屈服强度实测值为269MPa,极限强度实测值为410MPa,板内纵向钢筋屈服强度为460MPa,极限强度为603MPa。

　　 利用液压千斤顶对试件施加荷载,采用两点加载方式,分级加载,每级20kN。加载装置见图2。

　　 试验中对控制截面上楼板混凝土应变、板内钢筋应变、型钢梁应变进行了量测,以了解构件的受力性能。各控制截面上应变测点布置见图3,同时量测了构件的跨中位移。

　　 由试验结果得到,各试件的破坏过程基本相同,当施加的荷载较小时,混凝土板与型钢梁共同工作。当荷载达到一定值时,型钢全截面受拉,中和轴位于混凝土板内,部分混凝土板进入受拉区,在加载点及跨中首先产生板底垂直于跨度方向的裂缝和板侧面的垂直裂缝。继续施加荷载,试件两端弯剪区段型钢与混凝板结合面处产生微小的纵向裂缝。随着荷载增加,混凝土板上已有垂直裂缝不断发展并产生新的垂直裂缝,型钢下翼缘达到屈服强度。继续施加荷载,型钢腹板逐渐达到屈服强度,在试件两端弯剪区混凝土板与型钢梁结合面处有明显的滑移迹象,此时混凝土板产生斜裂缝,最终部分板产生较大垂直裂缝,板顶混凝土被压碎发生破坏,部分混凝土板则发生剪切破坏。破坏时锚栓间距大或锚栓预紧力比较大的试件,试件两端剪弯段部分锚栓被剪断。

　　 试件典型破坏形态见图4。部分试件在加载点处型钢梁上翼缘有局部屈曲失稳现象,见图4(h)。由于构件两端的混凝土支座受到H型钢梁传来的集中荷载作用,支座产生冲切破坏,见图4(f)。

　　 由试件破坏过程可以看出,各种连接方式在型钢与混凝土板结合面处均会产生相对滑移变形,此时试件的内力分布规律将会发生改变,在剪压区板和型钢梁除了有共同工作的内力外,各自存在局部的内力,局部内力的大小与结合程度有关,当端部锚栓发生剪切破坏,内力分布产生突变,局部内力增大。板与型钢各自的内力大小与其刚度有关,板的刚度较大,所分担的内力大,所以最终楼板发生破坏。型钢梁在加载点处上翼缘发生屈曲,属于局部屈曲失稳破坏,因此,实际工程中采用该加固处理措施时,如受集中荷载作用,应在集中荷载作用点处设置缀板。

　　 试件开裂及极限承载力试验结果见表2。由表2可知,混凝土板厚度为150mm的试件极限承载力略大于厚度为120mm试件,锚栓设置多的试件承载力大,但差别不大,即锚栓的数量对承载力影响不大,虽然破坏时部分构件锚栓被剪断,说明本次试验锚栓的设置非常接近该结构保证锚栓不破坏所需要的极限数量值。锚栓的数量可根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[9]对组合梁锚钉的要求进行设计,但在实际工程应用时,应适当增加锚栓数量,原因是该结构锚栓的受力与一般组合梁锚钉的受力不同,锚栓由于预紧要受到拉力作用,即锚栓既要受到外部荷载作用时在结合面处产生的剪力,又要受到拧紧螺帽产生的拉力。通过比对结合面开裂荷载,对于结合面采用结构胶的试件,结合面处出现微裂缝时的荷载明显大于结合面采用水泥砂浆抹平的试件,但试件的极限承载力与结合面的处理方式没太大关系。植栓深度为60mm的试件与植栓深度为100mm的试件承载力基本相同,因此植栓深度不小于5倍锚栓直径,则可保证锚栓不发生锚固破坏,从而影响试件承载力。

　　 各试件在整个加载过程中截面的应变变化规律基本相同,典型构件控制截面应变测试结果见图5,6。由图5,6可以得到,对纯弯区段的跨中截面,截面的应变基本按直线分布,符合平截面假定,说明纯弯区段型钢与混凝土板能够作为整体结构共同受力。对于既有剪力又有弯矩的剪弯段,当荷载较小时,截面应变基本按直线分布,符合平截面假定,见图6(a); 当荷载达到一定值时,结合面产生裂缝,应变分布规律将发生变化,型钢梁上翼缘拉应力减小,甚至由受拉变为受压,见图6(b),说明型钢与混凝土板出现滑移现象,内力产生重分布。产生滑移后试件并未发生破坏,可继续施加荷载。钢梁上翼缘压应变远小于下翼缘的拉应变,说明设置螺栓连接的组合梁产生滑移后,由于锚栓的作用,钢梁与混凝土板仍具有一定整体工作性能。接近极限荷载时,钢梁受压区压应变变化较快,说明整体工作性能减弱。

　　 另外由试验结果还可以得到,在结合面抹结构胶的试件整体工作性能要优于结合面采用水泥砂浆抹平的试件,原因是结合面抹结构胶的试件产生滑移相对要晚。采用植栓方式连接的试件整体性要好于穿透楼板连接的试件,原因是穿透楼板连接的试件,孔洞内未进行灌实,螺栓杆与混凝土板间有缝隙,钢梁与混凝土板的相对滑移量大。

　　 各试件荷载-挠度曲线见图7,由图可得如下结论:1)各构件在试验前期荷载与挠度基本为直线关系,构件处于弹性阶段,随着荷载的持续增加,各构件挠度加大,荷载与挠度不再是直线关系,刚度开始逐步下降,原因有两个:一是构件材料产生塑性变形,二是钢梁与混凝土板产生滑移,整体刚度降低。不同构件刚度下降速度有所不同:板厚150mm构件刚度下降速度最慢,板厚120mm构件中锚栓贯穿,构件刚度下降速度明显快于植栓深度为60mm构件。说明对于板厚120mm构件,取植栓深度60mm时刚度性能优于锚栓贯穿时。2)对各构件挠度峰值进行对比发现:当采用植栓连接时,结合面为结构胶的构件挠度峰值明显小于结合面为水泥砂浆的构件挠度峰值,说明使用结构胶连接板与钢梁可有效减小构件挠度,增大构件刚度。

　　 由试验结果知,采用H型钢加固混凝土楼板,所采用的各种连接方式,均不能保证H型钢与混凝土楼板在整个受力过程完全整体共同工作,但也并非两个独立构件,具有一定共同工作能力。假设试验所采取的各种连接方式均能保证混凝土板与型钢梁完全共同工作,按照我国现行《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[9],将试验构件作为组合梁进行承载能力计算,公式如下:

　　 $\begin{array}{l}{\rm M}\le b{}_{\text{e}}xf{}_{\text{c}}y(1)\\ x=Af/(b{}_{\text{e}}f{}_{\text{c}})(2)\end{array}$

　　 式中:b_e为混凝土翼板有效宽度;A为钢梁截面面积;x为混凝土翼板受压区高度;f为H型钢的抗拉强度; f_c为混凝土轴心抗压强度; y为钢梁截面应力的合力至混凝土受压区截面应力的合力间的距离。

　　 根据实测材料强度指标,按规范给定的承载力计算公式计算得到的各构件承载力理论计算值及试件承载能力试验值与理论计算值比值见表3。如果不考虑钢梁与混凝土板的共同作用,仅考虑钢梁的作用,钢梁的承载力计算值为165kN。

　　 仅考虑H型钢梁计算的极限承载力为165kN。由表3可知,试件的承载力远大于H型钢梁的承载力。各构件承载能力试验值与按组合梁计算的理论计算值的比值绝大部分小于1,即构件的实际承载能力小于按照规范计算的组合梁承载能力,原因是与一般的组合梁相比,钢梁与混凝土板不能完全共同工作。因此,当采用型钢梁加固混凝土板时,通过设置螺栓连接件将型钢梁与混凝土板形成整体,可按组合梁进行计算,但应将承载力乘以一个折减系数,折减系数建议取0.85。

　　 (1)采用型钢梁加固混凝土板,通过采用植栓或穿过楼板设置螺栓连接件的方式,可使型钢梁与混凝土板具有一定的共同工作性能,形成组合梁,其承载力远大于钢梁的承载力。

　　 (2)加固后的组合梁,在荷载作用下型钢与混凝土板在结合面处会产生滑移,影响两者的共同工作性能。产生滑移后构件内力分布将发生变化,截面既有整体弯矩,型钢与板又存在局部内力,构件在整体弯矩及局部内力作用下板顶混凝土压碎发生破坏,或混凝土在剪力作用下发生剪切破坏。

　　 (3)当采用植栓的方式进行连接时,植栓深度不小于锚栓直径的5倍,可保证锚栓不发生锚固破坏。

　　 (4)当采用型钢梁加固混凝土板,通过设置螺栓连接件将型钢梁与混凝土板形成整体,可按组合梁进行计算,但应将承载力乘以一个折减系数,建议取0.85。

　　 (5)加固时的后加锚栓,其受力与组合梁的锚钉不同,不仅受剪力作用,同时受拧紧螺帽时产生的预拉力,实际工程应用时锚栓的数量可参照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)对组合梁锚钉设置的要求进行设置,但应适当增加。

　　 (6)在结合面的粘贴处理方式对结合面产生滑移的荷载大小有影响,对试件的承载力没有影响。