受力特征分析

1.梁、板受力特征

图4-4所示为叠合构件各阶段的受力特征。在浇捣叠合层前，构件上作用有弯矩M1，截面上的应力如图4-4(b)所示，称为第一阶段受力。待叠合层中的混凝土达到设计强度后，构件进入整体工作阶段。新增加的荷载在构件上产生的弯矩为M2，由叠合构件的全高h1承担。截面应力如图4-4(c)所示，称为第二阶段受力。在总弯矩M(即M1+M2)的作用下，截面的应力如图4-4(d)所示。

由图4-4(d)可见，叠合构件的应力图与一次受力构件的应力图有很大的差异，主要表现有以下两点。

图4-4　叠合梁界面受力特征

(a)叠合构件　(b)第一阶段受力　(c)第二阶段受力　(d)最终受力

(1)混凝土应变滞后。与截面尺寸、材料、加荷方式等均相同的整浇梁相比，叠合构件的叠合层是在已有弯矩M1之后才开始参加工作的。因此，叠合层的压应变小于对应整浇梁的压应变。这种现象称为混凝土压应变滞后。

混凝土压应变滞后带来的结果是在受压边缘的混凝土被压碎时，构件的挠度、裂缝都较整浇梁大得多。

(2)钢筋应力超前。在第一阶段受力过程中，由于构件的截面高度较对应整浇梁的截面高度小，所以在弯矩M1的作用下，在原构件上产生的钢筋应力σ11、挠度f1都较对应的整浇梁构件大得多。叠合构件的中和轴上移，使第一阶段受压区部分变为第二阶段受力过程中的受拉区，于是原受压区的压力对叠合构件的作用相当于预应力构件中的预压应力作用，称为荷载预应力。荷载预应力可以减少在弯矩M2作用下引起的钢筋应力增量和挠度增量。尽管在M2作用下钢筋应力和挠度增量都小于相应的整浇梁，但终因在M1作用下原构件中的应力较整浇梁大得多，使叠合构件的钢筋应力、挠度和裂缝宽度在整个受力过程中，始终较相应的整浇构件大，以致受拉钢筋的应力比整浇梁在低得多的弯矩作用下就可能达到极限。这种现象称为钢筋应力超前。

2.柱受力特征

混凝土柱在加固施工时，由于荷载未卸除，原柱存在一定的压缩变形，另外，原柱混凝土已完成收缩和徐变，导致新加部分的应力、应变滞后于原柱的应力、应变。因此，新旧柱不能同时达到应力峰值，从而降低了新加部分的作用。其降低的幅度随原柱在加固时实际应力的高低而变化，原柱的压力愈高，降低的幅度愈大。

新加部分的作用还与后加荷载、未卸除荷载之比有关。加固时原柱稳定，加固后不再增加荷载，则新加部分不会分摊原有荷载，只有在再增加载荷时(第二次受力情况下)新增部分才开始受力。因此，如果原柱在施工时的应力过高，变形过大，有可能使新加部分的应力处于较低的水平，不能充分发挥作用，起不到应有的加固效果。

试验表明，只要新旧柱结合面黏结可靠，在后加荷载作用下，新旧混凝土的应变增量基本一致，整个截面的变形符合平截面假定。

对于大偏心受压柱，由于新加部分位于构件的边缘，在后加荷载作用下，其应变发展较原柱快。这部分地弥补了新柱的应变滞后。此外，由于新加部分对原柱的约束作用和新旧柱之间的应力重分布，新加部分承载力的降低不很显著，较轴心受压柱小。

对于轴心受压柱，新、旧混凝土间存在着明显的应力重分布。试验表明，应力水平低的新混凝土对应力水平高的原柱会产生约束作用，并且新旧混凝土间的应力应变差距越大，这一约束作用越大，亦即在原混凝土的应变达到0.002时，混凝土并没有立即破碎。但这种约束作用不能完全弥补新柱应变滞后对加固柱承载力的降低。试验还表明，当初始压力是原柱承载力的41%～71%时，试验承载力比按简单计算(按各自的材料强度分别计算)后叠加的承载力低18%～21%。因此，混凝土结构加固规范说明中指出，在加固时当原柱的轴压比处在0.1～0.9范围内，原柱混凝土达到极限压应变0.002时新加混凝土的应力，比其强度设计值fc小很多，且其比值在0.53～0.99范围内变化。

考虑到抗震规范对柱轴压比的限制和在加固施工时已卸除一部分外荷载，故折减系数α不会太小。为简化计算，加固规范建议取为定值，轴心受压时取0.8，偏心受压时取0.9。

因此，在混凝土柱加固施工时，原柱的负荷宜控制在极限承载力的60%以内。在此条件下，可采用本章下述的承载力计算方法。如果达不到上述要求，宜进一步卸荷或采取施加临时预应力顶撑法以降低原柱应力。