CN105863289B - 一种加固用钢结构空间体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加固用钢结构空间体系及其施工方法，主要应用于建筑科学技术领域的建筑结构加固改造中。其结构包括钢板，所述钢板包括板顶钢板和板底钢板，所述板顶钢板位于混凝土楼板的顶面上，所述板底钢板位于混凝土楼板的底面上，所述板顶钢板和板底钢板在纵向上对齐，所述板顶钢板和板底钢板固定安装在所述混凝土楼板上开洞部位的边缘处以实现混凝土楼板的加固；所述板顶钢板和板底钢板之间设有将两者连接起来的刚性连接装置。本发明的钢结构空间体系与混凝土楼板结合为一体，锚固效果好，承载力及刚度可以得到较大程度的提高；施工安装方便，解决了钢板锚固问题；不占用使用空间，用钢量少、成本低。

Description

一种加固用钢结构空间体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑科学技术领域，具体地说是一种加固用钢结构空间体系及其施工方法，主要应用于建筑结构加固改造中。

背景技术

混凝土结构工程加固改造项目中，有时因为出于安装设备、后加楼梯等考虑，需要在混凝土楼板上开洞。楼板开洞破坏了原来楼板的整体性，降低了楼板的承载能力；而安装的设备、楼梯等增加了楼板上的荷载，必须进行加固才能保证结构的安全性和适用性。

在国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中，对于新建工程，当混凝土现浇板上预留洞口时，洞口周边一般需要增设配筋，当洞口较大时，可增设混凝土梁。

在国家标准《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013没有对后设洞口的处理方法，在现有的加固方法中，只有增大截面法、表面粘贴钢板或复合纤维材料(FRP)法能够适用。

现有加固方法中，有增设型钢梁加固的方法，该方法是将型钢置于板底，用于承担板面传来的荷载，可以提高结构承载力，但该方法降低了使用净空，且型钢梁两端需要增设支座。

现有加固方法中，有板表面粘贴钢板的加固方法，该方法中板顶和(或)板底钢板随板的变形而变形并产生一定的拉压力，用以提高板的承载力，但该方法中钢板仅依附于楼板的变形而变形，不能形成相对独立的空间体系，对楼板的刚度增加影响较小，且提高承载力的程度有限。

而增大截面法不可避免地要牺牲使用空间，表面粘贴等方法对楼板刚度增加较小，且提高承载力有限。

现有一种屋面加固防漏装置，采用屋面防漏技术充分利用对夹式法兰对屋面加固，使洞口切割的边由线接触转化为面接触，增大了接触面积，从而达到板式屋面抗压且防漏的目的；现有一种结构加固工程中预应力楼板开洞的施工方法在新增洞口内侧增设钢构件支垫，安装锚具并张拉，用于预应力楼板开洞时预应力筋的截断与锚固；现有技术中针对剪力墙开洞，有采用角钢进行加固改造的，但剪力墙受力与楼板受力不同，而且其改造方法不能较好地解决因开洞后对楼板两侧造成的应力集中问题。

以上现有技术均不能起到加固楼板、使其增大承载能力，以及帮助消除预应力的作用。

发明内容

针对上述问题，为了弥补在混凝土结构加固改造中，混凝土楼板开洞后承载力的不足，保证混凝土楼板开洞后的结构安全性、适用性，本发明的目的在于提供一种加固用钢结构空间体系及施工方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案包括：一种加固用钢结构空间体系，包括钢板，所述钢板包括板顶钢板和板底钢板，所述板顶钢板位于混凝土楼板的顶面上，所述板底钢板位于混凝土楼板的底面上，所述板顶钢板和板底钢板在纵向上对齐，所述板顶钢板和板底钢板固定安装在所述混凝土楼板上开洞部位的边缘处以实现混凝土楼板的加固；所述板顶钢板和板底钢板之间设有将两者连接起来的刚性连接装置，刚性连接装置上设有两个上下对称设置的栓帽，栓帽嵌于混凝土楼板内，栓帽靠近楼板顶面或底面的一端的尺寸大于另一端的尺寸，为减少连接处的应力集中现象，特设置栓帽，因洞口的设置，洞口周围混凝土楼板应力较为集中，尤其是楼板的顶部和底部，采用一端大于另一端的栓帽，较好地将应力通过栓帽分散到钢结构空间体系上，有效保证了开洞楼板的使用年限。

从经济性、实用性以及连接的可靠性等角度考虑，进一步的技术方案为：所述的刚性连接装置为钢栓，所述钢栓的两端设有螺纹，所述钢栓同时穿过所述板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板，所述钢栓的两端通过螺母锁紧。

进一步的技术方案为：所述钢板与钢栓的连接处分别设有栓帽，所述栓帽为钢板与钢栓间的锥形连接件，所述栓帽设在与螺母相对的一侧，为加工方便，栓帽可以为锥形，外表设有花纹或者螺纹以增大与楼板的接触面积。

为了进一步的约束钢板和混凝土楼板间的相对位移，避免钢板与混凝土楼板间的滑脱破坏，进一步的技术方案为：所述钢板与混凝土楼板的连接处设有结构胶，所述钢栓与混凝土楼板之间的缝隙内设有结构胶。

进一步的技术方案为：所述钢板沿混凝土楼板的开洞部位单向或者双向布置。当混凝土楼板按单向板设计时，可采用单向布置的钢结构空间体系，所谓单向布置，即钢板在开洞部位两侧沿混凝土楼板计算跨度方向布置；当混凝土楼板按双向板设计时，可采用双向布置的钢结构空间体系，所谓双向布置，即沿混凝土楼板开洞部位的四周同时布置横向和纵向钢板。

为了保证加固效果的可靠，进一步的技术方案为：所述钢板的两端延伸至其所处的混凝土楼板的端部上。

加固用的钢板优选使用条形钢带。

本发明解决其技术问题的技术方案还包括：一种加固用钢结构空间体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤1)：在混凝土楼板上开洞部位的外侧设置钢板安装位置的定位线；

步骤2)：按照所述定位线在混凝土楼板的顶面和底面均设置钢板，楼板顶面的钢板为板顶钢板，楼板底面的钢板为板底钢板；

步骤3)：通过刚性连接装置将板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板固连为一体。

进一步的技术方案为：所述板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板之间通过钢栓和结构胶相连接，连接方法包括以下步骤：

步骤a：在混凝土楼板上需要安装钢板的位置钻孔，在钢板上也钻出相同直径和间距的孔；

步骤b：打磨混凝土楼板上需要安装钢板的位置，使其达到粘贴钢板的要求；

步骤c：在钢板的粘贴面除锈；

步骤d：粘贴板底钢板，采用锥形栓帽将钢栓与板底钢板连接好，然后向钢栓与混凝土楼板上安装钢栓的孔之间注入结构胶，再粘贴板顶钢板，并采用栓帽连接钢栓与板顶钢板，所述栓帽为钢板与钢栓间的锥形连接件。

为了发挥出最佳的加固效果，进一步的技术方案为：所述定位线位于混凝土楼板上开洞部位的外侧50mm～100mm的位置。

为保证钻孔过程中不受现有钢筋影响，进一步的技术方案为：所述步骤a中，在混凝土楼板上钻孔的孔径比钢栓的直径大4mm～6mm，间距为混凝土楼板中钢筋间距的1～3倍。

本发明的有益效果是：

1、通过刚性连接装置将钢结构空间体系和混凝土楼板结合为一体，锚固效果好，承载力及刚度可以得到较大程度的提高；同时，本发明的施工方法操作性强，安装方便，解决了钢板锚固问题，未增大混凝土楼板的截面，不占用使用空间，用钢量少、成本低。

2、刚性连接装置有效约束了钢板与混凝土间的相对位移，另外设置了结构胶，避免了钢板与混凝土间的滑脱破坏，钢结构空间体系通过结构胶和刚性连接装置与混凝土楼板紧密结合，形成共同受力的整体，大幅度地提高了结构承载力和刚度。

3、本发明的钢结构空间体系，结构简单，采用锥形的栓帽，能较好的解决因开挖洞口，导致洞口两侧中部楼板应力集中的问题，易于推广实施。

附图说明

图1为本发明实施例的主视图；

图2为本发明实施例的立体结构示意图；

图3为本发明实施例钢板与混凝土楼板组装后的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例单向布置的结构示意图；

图5为本发明实施例双向布置的结构示意图；

图6为本发明实施例钢板的结构示意图；

图7为本发明实施例钢栓、栓帽和螺母的结构示意图；

图8(a)～图8(d)为本发明实施例的受力分析图；

图9为本发明实施例的荷载-挠度曲线图。

图中：1钢板，2钢栓，3栓帽，4螺母，5混凝土楼板，6开洞部位，7安装孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

如图1、图2及图3所示，一种加固用钢结构空间体系，包括钢板1，所述钢板包括板顶钢板和板底钢板，所述板顶钢板位于混凝土楼板5的顶面上，所述板底钢板位于混凝土楼板5的底面上，所述板顶钢板和板底钢板在纵向上对齐，所述板顶钢板和板底钢板固定安装在所述混凝土楼板5上开洞部位6的边缘处以实现混凝土楼板5的加固。

钢板1和混凝土楼板5通过钢栓2、栓帽3和螺母4进行连接，如图6所示，钢板1上设有供钢栓2穿过的安装孔7，同时，混凝土楼板5上也设有供钢栓2穿过的孔。如图7所示，所述钢栓2为螺柱，螺母4上设有与钢栓2相配合的螺纹，钢栓2同时穿过板顶钢板、混凝土楼板5和板底钢板，并在两端通过螺母4锁紧，栓帽3为钢板1与钢栓2间的锥形连接件，可减少连接处的应力集中现象，所述栓帽3设在与螺母4相对的一侧。

钢板1与混凝土楼板5的连接处设有结构胶，钢栓2与混凝土楼板5之间的缝隙内也填充有结构胶。钢结构空间体系通过结构胶和钢栓2与混凝土楼板5紧密结合，形成共同受力的整体，大幅度地提高了结构承载力和刚度。

当混凝土楼板5按单向板设计时，可采用单向布置的钢结构空间体系，所谓单向布置，即钢板沿混凝土楼板5开洞部位6的任意两个相对的边缘横向或者纵向布置，如图4所示；当混凝土楼板按5双向板设计时，可采用双向布置的钢结构空间体系，所谓双向布置，即沿混凝土楼板5开洞部位6的四周同时布置横向和纵向钢板，如图5所示。

所述钢板1的两端延伸至其所处的混凝土楼板5的端部上，加固用的钢板1优选使用条形钢带。

本实施例的施工方法为，包括以下步骤：

首先进行加固准备：

步骤1)：将混凝土楼板5待开洞的部位定位，通过查阅图纸及现场勘测，确定混凝土楼板5开洞时截断纵横向钢筋的规格、型号、数量和截面积；

步骤2)：纵横向均按等强代换的原则，并考虑钢板1钻孔削弱的影响和一定的安全冗余，确定板底钢板的截面积；

步骤3)：板顶钢板规格和截面积与板底钢板同等配置；

步骤4)：新增的板底钢板和板顶钢板的两端应伸至混凝土楼板5的端部上。

加固准备完成后，进行空间体系的安装：

步骤5)：在开洞部位6外侧50mm～100mm的位置，设置钢板1安装位置的定位线，垂直混凝土楼板5钻孔，孔径比钢栓2直径大4mm～6mm，间距为混凝土板中钢筋间距的1～3倍，一般取150mm～400mm，以保证钻孔过程中不受现有钢筋影响；

步骤6)：打磨混凝土楼板5上需要安装钢板1的位置，使其达到粘贴钢板1的要求；

步骤7)：在开洞部位6周边的楼板顶面和楼板底面均设置钢板1，并在上下两层钢板1间采用若干穿过混凝土楼板5的钢栓2连接，钢板1的截面尺寸、长度与楼板跨度、楼板开洞大小有关，应经过计算确定，以保证钢结构空间体系的抗弯承载力和抗弯刚度均不小于洞口原有混凝土楼板；

步骤8)：在钢板1上钻孔，以便安装钢栓2，钢板1上钻出的安装孔7与步骤5)中混凝土楼板5上钻出的孔直径和间距相等，在钢板的粘贴面除锈；

步骤9)：配置结构胶，结构胶采用现有的结构胶，按照使用说明进行配置即可；

步骤10)：将结构胶均匀涂抹在粘贴面上，粘贴板底钢板，采用栓帽3将钢栓2与板底钢板连接好，然后向板孔与钢栓2之间注入结构胶，再粘贴板顶钢板，并采用栓帽3连接钢栓2与板顶钢板，形成钢结构空间体系，利用钢结构空间体系对开洞后的混凝土楼板5加固。

下面对本发明的受力情况进行分析，该受力分析以单向布置的空间体系为例进行说明，加固结构形式如图4所示：

假设楼板厚度为h，对计算跨度方向(混凝土楼板长度方向)而言，开洞洞口宽度为B，截断主筋截面积为nA_s，比较楼板开洞采用本发明进行补强后的承载力变化和刚度变化。

一、承载力变化：

开洞后楼板抗弯承载力损失约为：

M₀＝0.85f_y·nA_s·h₀

式中：f_y为混凝土楼板5内钢筋的抗拉强度；

h₀为混凝土楼板的计算厚度，即板顶至钢筋形心的距离。

采用钢结构空间体系时，钢板型号为-t×b(-表示钢板，t表示厚度，b表示宽度)，则洞口两侧板底钢板共两块，可提高承载力为：

式中：f表示钢板1的抗拉强度。

二、刚度变化：

不考虑钢筋的有利作用，被拆除洞口的原有混凝土楼板刚度为：

式中：E_c为混凝土楼板的弹性模量；

I₀为混凝土楼板的换算截面惯性矩。

以钢板1单向布置为例，采用钢结构空间体系时，钢板型号为-b×t，钢板1共四块，则洞口两侧钢板1提供的刚度为：

式中：E_s为钢板的弹性模量；

I₁为钢板构成的空间体系的换算截面惯性矩。

三、加固要求：

满足加固后提高的承载力和刚度均不小于拆除洞口的原有混凝土楼板承载力和刚度即可。对于单向板，可仅考虑单个受力方向；对于双向板，应考虑两跨度方向的受力。

即：设置的加固用钢结构空间体系需要满足的条件为：

M₁≥M₀；

E_s·I₁≥E_c·I₀

确定钢板的截面尺寸和长度时，使钢板满足该条件即可。

依然以单向布置的空间体系为例，下面结合本发明的实施效果对本发明作进一步的描述：

一、试验研究：

混凝土楼板跨度4200mm，宽度2000mm。采用C30混凝土，板厚120mm，内部配筋10@100(钢筋直径10mm，钢筋间距100mm)。拟开洞宽度1000mm，长度(跨度方向)2000mm，按单向板受力考虑。采用钢结构空间体系进行加固补强，钢板型号为Q235，尺寸为-t×b＝-10×150。

(一)计算分析：

1.开洞后楼板削弱情况：

如图8(a)所示，混凝土楼板抗弯承载力损失约为：

M₀＝0.85f_y·nA_s·h₀＝0.85×300×10×78.5×90＝18,015,750N·mm

如图8(b)所示，混凝土楼板抗弯刚度损失约为：

2.采用钢结构空间体系进行加固补强，钢板型号为-t×b＝-10×120。

如图8(c)所示，开洞部位6两侧钢板(板底共两块钢板)可提高承载力为：

如图8(d)所示，钢板板底、板顶共四块，则洞口两侧钢板提供的刚度为：

(二)实测数据

本次试验试件共三件，按单向板考虑，净跨均为4200mm，板宽均为2000mm，板厚120mm。试件A为完好的混凝土楼板；试件B为中心开洞，跨度方向2000mm，板宽方向1000mm，不采取加固措施的混凝土楼板；试件C为在试件B的基础上，采用本发明的钢结构空间体系进行加固补强的混凝土楼板，试件C中采用的加固用钢板型号为Q235，尺寸为-t×b＝-10×150。

采用板顶分级加载的方式，测试三件试件的承载力和挠度变形情况。

1.承载力情况如下表所示：

试件名称	试件A	试件B	试件C
				破坏荷载kN/m	16.0	10.5	35.5

2.挠度变形情况如图9所示。

二、分析结论：

通过以上计算分析，采用本发明进行加固补强后，试件C的承载力比未加固的试件B提高了250％，比未开洞的混凝土楼板(试件A)承载力提高了100％；在板原设计荷载作用下(约8kN/m)，挠度为试件A的11％，为试件B的42％。承载力和刚度均大于混凝土楼板开洞前，可以满足安全使用要求。

双向板受力分析与此雷同，不再赘述。

本发明中的结构胶不限于使用实施例中所述的结构胶，还可以采用其他的建筑用胶。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。

Claims (5)

1.一种加固用钢结构空间体系，其特征是，包括钢板，所述钢板包括板顶钢板和板底钢板，所述板顶钢板位于混凝土楼板的顶面上，所述板底钢板位于混凝土楼板的底面上，所述板顶钢板和板底钢板在纵向上对齐，所述板顶钢板和板底钢板固定安装在所述混凝土楼板上开洞部位的边缘处以实现混凝土楼板的加固；所述钢板的两端延伸至其所处的混凝土楼板的端部上；所述板顶钢板和板底钢板之间设有多个将两者连接起来的刚性连接装置，刚性连接装置上设有两个上下对称设置的栓帽，栓帽嵌于混凝土楼板内，栓帽靠近楼板顶面或底面的一端的尺寸大于另一端的尺寸；

所述的刚性连接装置为钢栓，所述钢栓的两端设有螺纹，所述钢栓同时穿过所述板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板，所述钢栓的两端通过螺母锁紧；

所述钢板沿混凝土楼板的开洞部位单向或者双向布置；

所述栓帽为钢板与钢栓间的锥形连接件，所述栓帽设在与螺母相对的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种加固用钢结构空间体系，其特征是，所述钢板与混凝土楼板的连接处设有结构胶，所述钢栓与混凝土楼板之间的缝隙内设有结构胶。

3.如权利要求1-2任意一项所述的一种加固用钢结构空间体系的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1)：在混凝土楼板上开洞部位的外侧设置钢板安装位置的定位线；

步骤2)：按照所述定位线在混凝土楼板的顶面和底面均设置钢板，楼板顶面的钢板为板顶钢板，楼板底面的钢板为板底钢板；

步骤3)：通过刚性连接装置将板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板固连为一体；

具体的，所述板顶钢板、混凝土楼板和板底钢板之间通过钢栓和结构胶相连接，连接方法包括以下步骤：

步骤a：在混凝土楼板上需要安装钢板的位置钻孔，在钢板上也钻出相同直径和间距的孔；

步骤b：打磨混凝土楼板上需要安装钢板的位置，使其达到粘贴钢板的要求；

步骤c：在钢板的粘贴面除锈；

步骤d：粘贴板底钢板，采用锥形栓帽将钢栓与板底钢板连接好，然后向钢栓与混凝土楼板上安装钢栓的孔之间注入结构胶，再粘贴板顶钢板，并采用栓帽连接钢栓与板顶钢板，所述栓帽为钢板与钢栓间的锥形连接件。

4.根据权利要求3所述的施工方法，其特征是，所述定位线位于混凝土楼板上开洞部位的外侧50mm～100mm的位置。

5.根据权利要求3所述的施工方法，其特征是，所述步骤a中，在混凝土楼板上钻孔的孔径比钢栓的直径大4mm～6mm，间距为混凝土楼板中钢筋间距的1～3倍。