鋼筋混凝土結構加固技術

王建勛

1 鋼筋混凝土結構加固的背景

鋼筋混凝土結構是目前使用最為廣泛的結構形式,尤其是在工業建筑中,鋼筋混凝土結構所占比重大,但是鋼筋混凝土結構在使用30年～50年以后,會有明顯的劣化與損傷。這些建筑物有的由于使用維修不當;有的由于建造質量不佳;有的因為需要滿足新的使用要求,需要改變用途或進行加層。一般在這類情況下,鑒于土建投資大,往往不會因此而拆除重建,結構均需要進行增強,補強,改造和維修。

混凝土結構的加固分為直接加固與間接加固兩類,設計時可根據實際條件和使用要求選擇適宜的方法和配套的技術。直接加固的一般方法有:加大截面加固法、置換混凝土加固法、有粘結外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強塑料加固法、繞絲法、錨栓錨固法等。間接加固法包括預應力加固法、增設支點加固法等。

2 常用的加固方法

2.1 加大截面加固法

在鋼筋混凝土受彎構件受壓區加混凝土現澆層,增加截面有效高度,擴大截面面積,從而提高構件正截面抗彎,斜截面抗剪能力和截面剛度,起到加固補強的作用。

加大截面加固法在設計構造方面必須解決好新加部分與原有部分的整體工作共同受力問題。試驗研究表明,加固結構在受力過程中,結合面會出現拉、壓、彎、剪等各種復雜應力,其中關鍵是剪應力和拉應力。在彈性階段,結合面的剪應力和法向拉應力主要是靠結合面兩邊新舊混凝土的粘結強度承擔;開裂后及極限狀態下,則主要是通過貫穿結合面的錨固鋼筋或錨固螺栓所產生的被動剪切摩擦力傳遞[2,3]。

2.2 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法是指對原有結構強度低,韌性差的構件材料用強度高,韌性好的混凝土材料置換的方法。

該方法適用于承重構件受壓區混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的局部加固。施工工藝簡單方便,工期短,占用空間小,不影響使用功能,而且造價比較低,經濟合理。采用本方法加固混凝土結構構件時,其非置換部分的原構件混凝土強度等級,按現場檢測結果不應低于該混凝土結構建造時規定的強度等級。置換用的混凝土強度等級應比原構件混凝土提高一級且不應低于C25。混凝土的置換深度,板不應小于40 mm,梁、柱采用人工澆筑時,不應小于60 mm,采用噴射法施工時,不應小于50 mm,置換長度應根據混凝土強度和缺陷的檢測及驗算結果確定,但對非全長置換的情況其兩端應分別延伸不應小于100 mm。置換部分應位于構件受壓區內,且應根據受力方向將有缺陷混凝土剔除,剔除位置應在沿構件整個寬度的一側或對稱的兩側,不得僅剔除截面的一隅[1]。

2.3 有粘結外包型鋼加固法

外包鋼加固是把型鋼(一般為角鋼或槽鋼)或鋼板包于構件的四角或兩角的加固方法,外包鋼加固鋼筋混凝土梁也稱濕式外包鋼加固法,采用該方法加固混凝土結構構件時,應采用環氧樹脂膠粘劑進行灌注,把型鋼與被加固構件粘結成一整體,以保證型鋼架和原構件形成一個整體共同受力。其特點是受力可靠、施工簡便、現場工作量較小,但用鋼量較大,且不宜在無防護的情況下用于60℃以上高溫場所;適用于使用上不允許顯著增大原構件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結構加固。

2.4 粘貼鋼板加固法

鋼筋混凝土受彎構件外部粘鋼加固是在構件承載力不足區段(正截面受拉區、正截面受壓區或斜截面)表面粘貼強度高的鋼板,使原有混凝土和鋼板作為一個新的整體共同受力,約束混凝土變形,提高了加固構件的剛度和抗裂度,有效發揮了粘貼鋼板的抗彎、抗剪、抗壓性能,且不會在混凝土中產生應力集中。采用該方法加固時,要求被加固的混凝土結構構件,其現場實測混凝土強度等級不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘結強度不得低于1.5 MPa,并且應將鋼板設計成僅承受軸向應力作用,鋼板表面應進行防銹蝕處理,表面防銹蝕材料對鋼板及膠粘劑無害。

它的特點是施工簡單、速度快、工期短;現場無濕作業或僅有抹灰等少量濕作業,對生產和生活影響小;傳力直接,加固效果好,耐久性好;且加固后對原結構外觀和原有凈空無顯著影響,但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平;適用于承受靜力作用且處于正常濕度環境中的受彎或受拉構件的加固。

2.5 粘貼纖維增強塑料加固法

外貼纖維加固是用樹脂類膠結材料將纖維增強復合材料貼于被加固構件的受拉區域,使它與被加固截面共同工作,從而達到對結構構件補強加固及改善結構受力性能的目的。它是一種非常簡單且優良的加固補強方法,但要求被加固混凝土強度等級不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘結強度不得低于1.5 MPa。除了具有粘貼鋼板相似的優點外,還具有耐腐蝕、耐潮濕、幾乎不增加結構自重、耐用、維護費用較低等優點,但需要專門的防火處理,適用于各種受力性質的混凝土結構構件和一般構筑物。

2.6 繞絲法

該法的優缺點與加大截面法相近;適用于混凝土結構構件斜截面承載力不足的加固,或需對受壓構件施加橫向約束力的場合。

2.7 錨栓錨固法

該法適用于混凝土強度等級為C20～C60的混凝土承重結構的改造、加固;不適用于已嚴重風化的上述結構及輕質結構。

2.8 預應力加固法

預應力加固法是采用外加預應力鋼拉桿或型鋼撐桿對結構或整體進行加固的方法[1,2],通過預應力的施加改變了原結構內力分布和應力水平,致使一般加固結構中所特有的應力應變滯后現象得以完全消除,因此后加部分和原結構能共同工作,結構的承載能力可顯著提高,并可減少結構的變形、裂縫寬度。

1)預應力水平拉桿加固法。預應力水平拉桿加固的混凝土受彎構件,由于預應力和新增外部荷載的共同作用,拉桿內產生軸向拉力,該力通過桿端錨固偏心地傳遞到構件上(當拉桿與梁板底面緊密貼合時,拉桿會與構件共同找曲,此時尚有一部分壓力直接傳遞給構件底面),在構件中產生偏心受壓作用,該作用克服了部分外荷載產生的彎矩,減少了外荷載效應,從而提高了構件的抗彎能力。同時,由于拉桿傳給構件的壓力作用,構件裂縫發展得以緩解、控制,斜截面抗剪承載力也隨之提高。由于水平提桿的作用,原構件的截面應力特征由受彎變成了偏心受壓,因此,加固后構件的承載力主要取決于壓彎狀態下原構件的承載力。2)預應力下撐拉桿加固法。鋼筋混凝土構件采用預應力下撐式拉桿加固后,形成一個由被加固構件和下撐式拉桿組成的復合超靜定結構體系,在外荷載和預應力共同作用下,拉桿中產生軸向力并通過與構件的結合點(下撐點和桿端錨固點)傳遞給被加固構件,抵消了部分外荷載,改變了原構件截面內力特征,從而提高了構件的承載能力,該法能降低被加固構件的應力水平,不僅使加固效果好,而且還能較大幅度地提高結構整體承載力,但加固后對原結構外觀有一定影響;適用于大跨度或重型結構的加固以及處于高應力、高應變狀態下的混凝土構件的加固,但在無防護的情況下,不能用于溫度在60℃以上環境中,也不宜用于混凝土收縮徐變大的結構。

2.9 增加支承加固法

增設支點加固法是通過增設支承點,減少受彎構件的計算跨度,達到減少作用在被加固構件上的荷載效應,提高結構承載水平的目的。根據支承結構受力性能的不同分為剛性支點和彈性支點兩種加固方法。該法簡單可靠,但易損害建筑物的原貌和使用功能,并可能減小使用空間;適用于梁、板、桁架、網架等結構的加固。

3 結語

上述混凝土結構加固技術還有待于在實踐中進一步探索,隨著建筑科學技術的不斷進步,新型建筑材料不斷出現,更好的加固施工方法將會有更大拓展,因此,加固施工方案的選擇范圍也將具有更為廣泛的空間。

[1] 卓尚木,季直倉,卓昌志.鋼筋混凝土結構事故分析與加固[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2] 萬墨林,韓繼云.混凝土結構加固技術[M].北京:中國建筑工業出版社,1995.

[3] 朱綠竹,張艷茹.鋼筋混凝土保護層的作用與施工控制[J].山西建筑,2009,35(15):136-137.

[4] 呂西林.建筑結構加固設計[M].北京:科學出版社,2001.