混凝土結構加固設計及加固方法

胡建強

（立誠建筑設計院有限公司，蘇州 215200）

50年來，我們的國家結構的檢測與加固技術經歷了從無到有、從單一到綜合、從局部構件到整體結構的發展過程。尤其是最近20多年來，我國結構檢測加固的發展非常迅猛，檢測加固的對象從初始階段的低層、破舊的小型民用建筑擴展到建設工程中的各種結構型式和結構類型。結構檢測與加固技術的發展和應用，在提高建設項目質量方面發揮了重要作用，同時，也為國家和企業節省了大量建設資金，并保障了企業的安全高效生產和人民群眾的生命財產安全。

1 鋼筋混凝土加固中的技術

鋼筋混凝土結構作為一種廣泛使用于建筑工程的結構類型，由于其自身特點，以及設計施工中遇到的問題，使得其往往存在各種缺點和不足。一方面，為了節省資金，提高建筑的使用年限，同時保證結構的安全性，需要對老舊建筑進行檢測加固。另一方面，由于設計施工的不合理，使得工程結構質量在沒有達到預期值等情況下都需要在施工過程中或后期使用過程中對建筑采取加固措施。鋼筋混凝土加固問題既是國內外一個長久的熱點問題，也是一個令很多設計施工人員頭痛的問題。如何根據現實情況，采取有效措施，優質高效地完成加固作業，是擺放在每個建筑工作者面前的一個重要問題，需要我們進行積極的探索和研究。鋼筋混凝土結構檢測加固問題是一項實踐性和經驗性很強的問題，需要廣大建筑工業人員不但要了解現行規章制度，還應對以往類似工程的實施情況有所了解，如此才能不斷提高檢測加固作業設計施工的水平。

目前在實際工程中應用較廣的幾種鋼筋混凝土結構加固方法主要有10來種，包括增大截面法、纖維材料加固法、外包鋼法、改變結構受力體系法、預應力加固法、化學灌漿法、粘鋼法等。這些方案能夠得到廣泛應用，必然有其原因。在實際工程應用中，我們應當緊密結合工程實際，在熟練掌握每種加固方法優缺點和適用范圍的基礎上，選擇適合工程對象的最優方法和技術。下文以鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術和碳纖維加固技術為例，對其特點和使用方法、適用范圍進行介紹。

1.1 鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術

在建筑工程歷史上，混凝土結構加固技術是一門新興的學科。幾年來，隨著建筑行業的發展，混凝土結構實驗工作一直在開展，理論分析也逐漸完善，規范編制更為合理，結構加固技術的運用也更加普遍。其中，粘鋼加固法是比較新穎的一種加固方法。它的原理是：在梁柱四周，用乳膠水泥、環氧樹脂化學灌漿或焊接等方法實現加固的目的。這種方法可以提高結構承載力，而且簡單，快速，不影響結構外形，降低了施工對生產和生活的影響。外包粘鋼加固技術有2種形式：干式外包鋼和濕式外包鋼。下面簡要分析一下2種方法。

1.1.1 干式外包鋼加固的概念及原理

干式外包鋼加固是指鋼筋混凝土柱采用外包型鋼加固，當型鋼和混凝土之間無任何連接，或雖填塞水泥砂漿但仍不能確保結合面剪力可靠傳遞時，稱為干式外包鋼。其加固原理是利用型鋼與扁鋼箍形成鋼構套，鋼構套對混凝土柱形成包裹約束，達到增強鋼筋混凝土柱構件軸向承載力的一種加固方法，以達到構件滿足承載力要求的一種補強加固方法。干式外包鋼加固技術是一種比較傳統的技術，并不是新興的，通過實踐我們不難發現，這種方法提高了鋼筋混凝土柱的軸向抗壓能力，但是具有局限性。

1.1.2 濕式外包鋼加固的概念及原理

濕式外包鋼加固是指鋼筋混凝土柱采用外粘型鋼加固，即型鋼和混凝土之間通過結構膠粘貼連接，能確保結合面剪力可靠傳遞時，稱為濕式外包鋼加固。其加固原理是利用型鋼與扁鋼箍形成鋼構套，鋼構套對混凝土柱形成包裹約束，達到增強鋼筋混凝土柱構件軸向承載力的目的。另外通過結構膠的剪力傳遞作用，外加鋼材的強度又能補足混凝土構件內部受拉鋼筋的缺失。從而達到構件滿足承載力要求的一種補強加固方法。濕式外包鋼加固不但能通過鋼構套的約束作用，提高構件垂直承載力，還能通過結構膠的剪力傳遞作用，使后加型鋼與原混凝土構件共同受力，從而補強混凝土構件內部配筋不足、抵抗水平荷載等。

1.1.3 兩種加固形式的區別

從二者加固的原理我們可以看出，干式外包鋼施工程序更為簡單，而濕式外包鋼承載力大，整體工作性能強。在實際的施工中，根據具體情況選擇合適的方法才是最重要的。例如：加固混凝土框架柱，選用外包鋼加固法是最明智的。因為施工基本上對加固構件的截面尺寸和外觀影響不大，承載能力要求較高，對靜力加固的結構必須考慮結構2次受力問題。在外包鋼加固法中，低強鋼材是首選材料。這種材料可以減少加固構件的應力和應變滯后現象而充分發揮后加部分的潛力，同時可以提高2次結合面的粘結性，保障新舊部分均勻受力。另外，加固結構中的水泥和混凝土，一定要收縮性差，最好具有微膨脹的特點，這樣提高了與原結構的粘結性。最后，加固中的粘結劑，粘結強度一定要高，而且要耐老化，這樣才能達到修復加固的目的。

1.2 鋼筋混凝土碳纖維加固技術

1.2.1 碳纖維簡介

碳纖維是一種綜合了碳和纖維特征的新型材料，它不僅具有傳統碳材料高強等優點，還具備纖維材料柔軟性好，加工性能良好的優點。碳纖維材料力學性能和工程性能俱佳，與目前廣泛應用的鋼材相比，其比重不足鋼的四分之一，但抗拉強度卻能達到鋼材的7至9倍，是一種具有廣泛應用前景的新型復合材料。可以預見，碳纖維材料必將在工程結構加固中得到廣泛應用，發揮出越來越大的作用。

除輕質高強外，碳纖維材料還具有抗腐蝕、耐疲勞，溫度穩定性高等優點，因而非常適用于土木工程結構。

目前在工程結構加固中應用較廣的碳纖維材料主要是碳纖維布。利用結構專用膠將碳纖維布粘貼在待加固結構或構件的表面，可以有效提高傳統技術中所用鋼材的強度，而厚度卻僅有2mm左右，基本可以忽略，不會造成構件截面積的增大。

1.2.2 碳纖維材料和其他加固材料的區別

碳纖維材料以其優異的性能逐漸應用到建筑工程中，同其他加固材料相比，具有以下特點：

1）抗拉強度強：試驗表面碳纖維材料的抗拉強度可達到鋼材的7～9倍，甚至10倍。

2）彈性模量：相比于鋼材，碳纖維復合材料的拉伸彈性模量較強。但也并不是說所有的復合材料均如此，如芳綸和玻璃纖維復合材料的拉伸彈性模量僅為鋼材的1/4～1/2。

3）抗疲勞強度：碳纖維和芳綸纖維復合材料的抗疲勞強度高于高強綱絲。雖然金屬的硬度高，但由于是脆性材料，其疲勞強度極限并不是特別高，往往僅能達到靜荷強度的3～4成。而在金屬基體中摻入纖維后，可延緩內部裂紋的擴展，并進行內力重分布，從而可有效提高材料的抗疲勞性能。一般來說，復合材料的疲勞強度極限可達到靜荷強度的7～8成。除此之外，由于復合材料的延性較好，發生破壞前會產生較明顯的變形，可為相關人員的預防和勘察提供線索，也能減輕損失的后果。

4）與碳纖維板的比較：碳纖維片材粘結度高，可以粘貼在各種形狀的結構表面，而板材則適用于規則構件表面。此外，由于粘貼板材時底層樹脂的用量多、厚度大，與混凝土界面的粘接強度不如片材強。

1.2.3 碳纖維加固的工具

工具是建筑工程中不可缺少的，各種技術不同，采用的工具也是不同的。在碳纖維加固技術中，所使用的工具包括：基底處理工具，粘貼碳纖維，檢測類工具，修補類工具，勞保類用品。

其中，基底處理工具主要是指用于打磨混凝土表面的磨機、用于剔鑿混凝土表面松散部位的混凝土殘渣的鏨子和用于清除混凝土表面的不潔污漬的鋼絲刷；粘貼碳纖維工具是指用于調和環氧樹脂的調料容器、用于稱量材料各組分的重量的衡器、用于攪拌混合樹脂材料的攪拌器，用于修補凹凸不平及粘貼碳纖維撫平的刮板、用于涂刷樹脂的滾筒刷和用于碳纖維的脫泡和壓緊的羅拉。作為建筑人員，明確工具用途，選擇合適的工具也是搞好建筑工作的前提。

2 結構加固的展望

結構加固的技術需要進一步發展。新材料的開發是推動結構加固技術發展的原動力。過去的經驗告訴我們，測試技術的發展取決于測試儀器的發展，加固技術的發展依賴于新材料的開發。通過重量輕、強度高、耐腐蝕、耐高溫的新型材料產生的施工方便、加固效果好的加固方法可以有效推動加固技術的發展。

加固技術發展的另一個方面體現在加固理論的改進上。目前的結構加固工作基本上是針對結構和構件的承載力不足而實施，缺乏對于結構整體的把握，從而導致有時加固效果會適得其反。如對結構某一層的加固，會加大該層的剛度，造成相鄰樓層的剛度差異，不利于結構抗震而對梁、柱的補強，與抗震概念設計中“強柱弱梁”的思想有悖。這些問題的產生，都與只重視局部，缺乏對結構整體的考量有關，需要提高加固理論才能夠得到解決。

加固施工技術的先進性和科學性、施工機具的先進性也是結構加固技術提高的重要表現，但是卻沒有受到應有的重視，尚缺乏足夠的研究，這一方面以后需要加強。

3 結 語

鋼筋混凝土結構加固方案的選擇要具有針對性，不同的工程結構都有其自身特點，需要結合這些特點，綜合考慮性價比、性能比和質量比以及施工技術的科學性、先進性和實施的難易程度進行加固措施的比選，只要這幾個方面都做好了，才能算得上是優秀的加固方案，才能取得經濟社會效益的最大化。筆者認為，化學補強法作為目前結構加固工程中最先進的方法之一，在實際工程中可優先考慮。因為傳統的加固方法對人力、物力和時間的要求高，往往無法在工程質量、施工周期、安全性和經濟性這幾個指標中找到合適的平衡點，而化學補強法則能較好地解決這一問題，顯現出其明顯的優勢，因而往往成為工程加固中的優選方案。當然，隨著建筑科技的不斷發展進步，新型建材的日益涌現，更好、更新的建筑加固方法、科技和材料也必將會被相繼開發出來，到時廣大建筑人員將會有更多的選擇余地。只有牢牢掌握結構加固設計的原則，才能設計出最優的加固方案。

［1］ 楊國忠.建筑工程質量的創優［J］.科技風，2009（15）.

［2］ 王 群.某高層住宅樓火災后混凝土結構綜合加固方法［J］.特種結構，2011（3）.

［3］ 馮華賓.混凝土結構工程加固方案之探討［J］.現代裝飾（理論），2011（4）.

［4］ 戚宏飚.停建十數年后續建工程的結構加固及施工質量控制［J］.建筑施工，2011（5）.

［5］ 殷保良，瞿衛華.混凝土橋梁施工中裂縫預防及控制［J］.交通世界（建養·機械），2011（8）.