混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與案例分析

摘要:分析了混凝土結(jié)構(gòu)常見的缺陷，詳細(xì)介紹了傳統(tǒng)加固方法;常規(guī)加固方法包括粘鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、外包鋼加固法、置換加固法及間接加固法;新型加固方法包括繞絲加固法、粘貼鋼筋加固法、玻璃鋼加固法及碳纖維加固法;結(jié)合具體工程結(jié)構(gòu)的加固，介紹了化學(xué)植筋加層，碳纖維布加固梁、柱的設(shè)計(jì)施工方法，提出了設(shè)計(jì)施工體會;對未來加固技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);加固;植筋;碳纖維加固

中圖分類號:C93文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1673-291X(2010)33-0213-02

引言

隨著社會的發(fā)展，新建房屋不斷增加，現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)的工程檢測及補(bǔ)強(qiáng)加固也成為工程界廣泛關(guān)注的問題。中國現(xiàn)行規(guī)范房屋使用年限為五十年，物理老化、化學(xué)腐蝕、社會需求的變化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高等諸多因素制約或縮短現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。針對需要加固的房屋絕大部分未到使用年限，不允許將其全部推倒重建，需要對此進(jìn)行工程檢測及可靠度評定;針對不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取有效方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固處理，從而使其安全性、適用性和耐久性滿足規(guī)范要求，繼續(xù)為社會服務(wù)。在中國，在經(jīng)過幾十年大規(guī)模的基本建設(shè)后，已有建筑物的維修、改造和加固必將占據(jù)應(yīng)有的重要地位。因此，將其視為一個(gè)體系加以研究和探討已經(jīng)成為中國對現(xiàn)有建筑物實(shí)施管理的一項(xiàng)完整對策。

一、加固原因

加固學(xué)是隨同房屋結(jié)構(gòu)學(xué)發(fā)展起來的。目前加固的主要原因有:尚未建成但由于施工質(zhì)量問題;結(jié)構(gòu)封頂尚未使用需要改造而引起的加固;結(jié)構(gòu)老化后進(jìn)行改造加固;因?yàn)?zāi)害引起的加固。

二、常規(guī)加固方法

1.粘鋼加固法。外粘鋼板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法，就是用薄鋼板或其他鋼襯通過一種雙組份環(huán)氧粘合劑粘于混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生一種三相材料:混凝土—膠—鋼板的復(fù)合系統(tǒng)。該法具有方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算簡單，不損傷原混凝土構(gòu)件，施工方法簡便，周期短，現(xiàn)場作業(yè)量小，對原構(gòu)件外形尺寸影響小等優(yōu)點(diǎn)。在國際上是一種適用面較廣的先進(jìn)加固方法，不僅建筑，而且公路橋梁也普遍采用。已經(jīng)證明粘在混凝土梁受拉表面的鋼板能提高抗彎能力，同時(shí)也能提高抗彎剛度并相應(yīng)減少撓度和開裂。

2.預(yù)應(yīng)力加固法。也可稱為反彎矩法。在20世紀(jì)50年代外部預(yù)應(yīng)力就已是一種施工方法。預(yù)應(yīng)力加固具有加固、卸載、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的三重效果，適用大跨結(jié)構(gòu)加固。用預(yù)應(yīng)力鋼筋在構(gòu)件外進(jìn)行張拉，可以起到增加主筋，提高正截面及斜截面強(qiáng)度，同時(shí)也提高了剛度，是一種積極的加固方法。但預(yù)應(yīng)力鋼筋中的預(yù)應(yīng)力設(shè)置多少，卻要受結(jié)構(gòu)受力年限而定，即要考慮混凝土徐變的影響。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力不宜大于150Mpa，對于已負(fù)荷很久的超靜定結(jié)構(gòu)，宜為 50Mpa～100MPa。

3.外包鋼加固法。外包鋼加固法是以型鋼(一般為角鋼)外包于構(gòu)件四角(或兩角)的加固方法。在中國，外包鋼加固法也是一種使用面較廣的傳統(tǒng)加固方法，其優(yōu)點(diǎn)是:施工簡便，現(xiàn)場工作量較小，受力較為可靠，適用于使用上不允許增大原構(gòu)件截面足寸，卻不要求大幅度的提高截面承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。

4.置換加固法。在梁或偏心受壓柱中，用置換法可以達(dá)到局部直接補(bǔ)強(qiáng)的效果，例如，當(dāng)成批構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，通過檢測，選出最低等級的構(gòu)件，然后按彎矩圖確定最危險(xiǎn)截面，這些截面的受壓區(qū)用高等級的新混凝土置換老混凝土，試驗(yàn)證明:盡管僅在局部置換，仍是十分有效的。在置換法中，構(gòu)件需切割成方口或要將柱切斷。

5.間接加固法。間接加固法是用增加構(gòu)件，增設(shè)支承點(diǎn)，以減小結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度，減輕被加固構(gòu)件的負(fù)擔(dān)，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和提高其承載能力的加固方法。其優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠;缺點(diǎn)是使用空間會受一定影響。

三、新型加固方法

1.繞絲加固法。根據(jù)混凝土三向受壓可以提高其單軸抗壓強(qiáng)度的原理，對于受壓柱，可以用退火鋼絲橫向纏繞構(gòu)件，以提高其強(qiáng)度。根據(jù)梁的受剪區(qū)斜向箍筋受力優(yōu)于豎向箍筋的道理，可根據(jù)需要在梁外進(jìn)行斜向繞筋或豎向繞筋，以提高其抗剪強(qiáng)度。一般采用冷拔鋼絲退火后進(jìn)行繞絲，間距為5mm～40mm。這一方法不僅對圓柱、方柱有效，對長方形柱亦有效。為了提高效果可在長方形四個(gè)面的中點(diǎn)縱向設(shè)置Φ25的圓鋼。

2.粘貼鋼筋加固技術(shù)。是指將鋼筋粘貼在構(gòu)件原有配筋表面或粘貼在混凝土內(nèi)部的一種加固方法。當(dāng)鋼筋保護(hù)層脫落，脹裂或遭腐蝕破壞時(shí)，可將加固鋼筋直接粘貼在原有配筋表面;當(dāng)保護(hù)層混凝土比較完好或原配筋位置不易測準(zhǔn)時(shí)，可在混凝土表面切縫(1cm～2.5cm深)或鑿槽，將鋼筋粘貼在縫內(nèi)或槽內(nèi)，以達(dá)到加固目的。粘筋加固主要也是通過結(jié)構(gòu)粘接劑傳遞應(yīng)力。完成加固工作后加固筋處于原構(gòu)件內(nèi)部，基本不加大原構(gòu)件的截面外形尺寸和自重。粘筋加固適用于以下結(jié)構(gòu): 原構(gòu)件混凝土遭受碳化或腐蝕，鋼筋嚴(yán)重銹蝕;因荷載改變而造成原配筋不能適應(yīng)受力要求;施工原因造成的配筋位置不當(dāng)。

3.纖維復(fù)合材料加固法。近年來，隨著纖維類材料研究的日益廣泛，應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的高科技纖維材料(Fiber Reinforced Plastics/Polymer，簡稱FRP)也日益增多。FRP材料具有極好的比強(qiáng)度、比剛度、幾乎無腐蝕性和磁性、較好的耐熱性，并可以與其他結(jié)構(gòu)加固的方法同時(shí)使用。結(jié)構(gòu)加固工程中常用的纖維品種有:玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)及芳綸纖維(AFRP) 。其中碳纖維材料是迄今為止，應(yīng)用于工程最早、技術(shù)最成熟、用量也最大的一種高科技材料。由于碳纖維具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，良好的黏合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點(diǎn)，并且不會增加構(gòu)件的自重及體積，因而廣泛的適用于各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位，且不會改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，同時(shí)施工方便，工效很高。

CFRP加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)所用材料主要兩種:碳纖維材料與粘貼用樹脂。用于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的碳纖維強(qiáng)度為建筑用鋼的十幾倍，彈性模量與建筑用鋼材在同一水平上并略有提高;粘貼 CFRP用樹脂為環(huán)氧類材料。

四、與混凝土結(jié)構(gòu)加固改造配套使用的技術(shù)

托換技術(shù):系托梁(或桁架，以下同)拆柱或墻、托梁接柱和托梁換柱等技術(shù)的概稱;屬于一種綜合性技術(shù)，由相關(guān)結(jié)構(gòu)加固、上部結(jié)構(gòu)頂升與復(fù)位等技術(shù)組成;適用于已有建筑物的加固改造;與傳統(tǒng)做法相比，具有施工時(shí)間短、費(fèi)用低、對生產(chǎn)和生活影響小等優(yōu)點(diǎn)，但對技術(shù)要求較高，需要由熟練工人來完成，才能確保安全。

植筋技術(shù):系一項(xiàng)對混凝土結(jié)構(gòu)較簡潔、有效的連接與錨固技術(shù);可植入普通鋼筋，也可植入螺紋式鋼筋;已廣泛應(yīng)用于已有建筑物的加固改造工程，如:施工中漏埋鋼筋或鋼筋偏離設(shè)計(jì)位置的補(bǔ)救，構(gòu)件加大截面加固的補(bǔ)筋，上部結(jié)構(gòu)擴(kuò)跨、頂升對梁、柱的接長，房屋加層接柱和高層建筑增設(shè)剪力墻的植筋等。

裂縫修補(bǔ)技術(shù):根據(jù)混凝土裂縫的起因、性狀和大小，采用不同封護(hù)方法進(jìn)行修補(bǔ)，使結(jié)構(gòu)因開裂而降低的使用功能和耐久性得以恢復(fù)的一種專門技術(shù);適用于已有建筑物中各類裂縫的處理，但對受力性裂縫，除修補(bǔ)外，尚應(yīng)采用相應(yīng)的加固措施。

五、工程實(shí)例

某中學(xué)原有三層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，總建筑面積約3 100m2，各層混凝土強(qiáng)度等級分別為:梁柱均采用C30，板采用C25，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.2m，該教學(xué)樓于2002年建成后投入使用，現(xiàn)在由于使用功能的需要，擬對原結(jié)構(gòu)增加一層，作為學(xué)生及教師的閱覽室。

1.加層的可行性。對既有建筑物加層主要應(yīng)滿足以下幾方面的要求:一是必須滿足地基基礎(chǔ)強(qiáng)度及變形的要求;其次是上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須滿足承載能力及正常使用極限狀態(tài)的要求;其三，必須處理好新舊結(jié)合面的連接問題，使新舊結(jié)構(gòu)之間能夠協(xié)同工作。這幾方面的要求應(yīng)分別通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)構(gòu)檢測以及使用新型建筑材料施工工藝的方法來綜合解決。使用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM進(jìn)行計(jì)算，并在計(jì)算過程中做了以下假設(shè):不考慮樓梯間對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn);新舊結(jié)構(gòu)構(gòu)件按整體現(xiàn)澆考慮計(jì)算結(jié)果表明，加層后大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力滿足要求，僅底層轉(zhuǎn)角位置柱的承載能力不能滿足要求;同時(shí)，由于新增層的使用功能要求(閱覽室)，部分樓面的荷載較大，原三層肋梁樓板中部分梁的承載力也不能滿足要求。 故在加層的同時(shí)，必須對上述構(gòu)件進(jìn)行加固處理。 同時(shí)通過對原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測觀察，檢測結(jié)果表明:原結(jié)構(gòu)梁、柱、板等構(gòu)件的配筋數(shù)量及截面尺寸等均符合設(shè)計(jì)要求;且混凝土構(gòu)件外觀完好，地基無不均勻沉降問題，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，確定基礎(chǔ)可繼續(xù)直接使用，不需加固。

2.加固方案。鑒于目前常用的加層改造和結(jié)構(gòu)加固方法，對原結(jié)構(gòu)采取了下述加層加固方案:新加層的柱鋼筋采用鉆孔植筋技術(shù)，直接將鋼筋從原柱的節(jié)點(diǎn)位置引出;對底層柱采用截面增大的方法，即通過增加原構(gòu)件的受力鋼筋，同時(shí)在外側(cè)重新澆筑混凝土以增大構(gòu)件的截面尺寸，來達(dá)到提高承載力的目的;對原結(jié)構(gòu)的三層梁則采取黏貼碳纖維布加固的方法處理:(1)底層柱加固。采用增大截面法加固底層柱，將柱從原截面400mm×400 mm，增大到 500mm×500 mm，其中縱向受力鋼筋仍采用植筋技術(shù)，植入底層柱的基礎(chǔ)上。其植筋下部錨入基礎(chǔ)長度≥20d，外露長度≥40d和1000mm，并分兩批焊接縱筋。同時(shí)，為了保證增加截面部分與原柱子間的共同工作，沿柱高度方向四面布置錨拉筋(直徑10，間距600)，在柱側(cè)面的植入深度為15d。(2)三層梁加固。對梁的加固采用了碳纖維加固的方案。選用 XEC 系列碳纖維片材，其技術(shù)參數(shù)為:彈性模量 E=2.35×105MPa，允許拉應(yīng)變[ε]≤0.01.碳纖維達(dá)到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的界限相對受壓區(qū)高度ξb=0.198，極限拉應(yīng)變ε≥0.015。XEC-300單層厚度 t=0.167mm;抗拉強(qiáng)度2500Mpa～3550Mpa，彈性模量 2.35×105-5.0×105MPa。以上建筑物經(jīng)加層和加固處理后，現(xiàn)已投入使用，經(jīng)檢測與觀察，框架柱和無明顯的變形和破壞的跡象，加固處理效果良好，能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

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