建筑工程結構加固新方法概述

摘要：既有混凝土結構受自然環境、使用環境等各種因素的影響，呈現出不同程度的承載力不足、變性過大等缺陷，國內外研究者針對工程結構受損情況提出了不同的維修加固方法。本文基于承載力加固、使用功能加固及耐久性加固等不同的加固性質，概述了各種新型加固方法的特點及工程應用實例，提出了不同加固性質較為理想的加固方法，為工程實際提供參考。

關鍵詞：混凝土；建筑結構；新型加固

一、引言

我國建設大致分成三個階段，即大量新建階段、新建與維修加固并存階段以及以加固為主的階段。許多發達國家已先后步入以加固為主的階段，我國目前正處設計考慮不周或資料收集不全，施工誤差，環境條件等原因往往不能滿足結構安全性、適用性及于拆建與維修加固并存階段，此階段的特點是，由于耐久性的要求。限于我國目前的國情，要想將這些建筑拆除重建，不僅浪費材料，產生污染，延誤時間，而且耗資巨大，為我國的國情和財力所不許。因此，為保證這些建筑物安全使用，就必須對其進行合理的維修加固處理。根據不同的工程結構人們所提出的加固方法不盡相同，如何選擇合理的加固方法是加固設計必須考慮的問題。傳統的加固方法如增大截面加固、體外預應加固、粘鋼加固、粘貼CFRP加固等都有許多研究和應用，但或多或少存在一些缺點或不足。近年來，人們又提出許多新型的加固方法來滿足不同的加固需要。本文將從加固性質出發分析討論這些新型加固方法，以便加固設計人員可以根據不同的加固目的選擇更合理的加固方案。

二、各種加固方法的特點及應用

根據加固性質不同，工程結構的加固包括承載力（強度）加固，使用功能（剛度）加固及耐久性加固三個方面。

1.承載力加固

承載力加固是確保結構安全工作的基礎。既有或新建的結構由于使用年限過長或設計不合理，施工誤差等原因，出現承載力不足，需要對其進行補強加固，以滿足使用要求。

廣西工學院的陳華等提出了預應力CFRP加固方法。通過預應力CFRP加固鋼筋混凝土梁的受彎試驗，介紹了實際工程加固的設計計算方法及施工工藝。結果表明，采用預應力CFRP加固鋼筋混凝土框架結構能有效地改善梁的承載力。江蘇大學的張勤提出了植物增強混凝土（TRC）加固方法。通過對10根梁采用TRC加固的RC梁及2根對比梁進行正截面抗彎性能試驗研究和理論分析。結果表明，采用TRC對鋼筋混凝土梁進行抗彎加固，可提高梁的抗彎承載力。長春工程學院的潘明遠等[5]提出了繞絲加固方法。通過采用200 t的壓力試驗機，對40根繞絲的鋼筋混凝土矩形截面柱進行壓力實驗，研究加固后的鋼筋混凝土柱的工作性能，分析柱體在荷載作用下的受力性能，著重分析繞絲法對柱的極限承載力和延性的影響。結果表明，用繞絲加固的柱體可以提高承載能力和減少破壞時縱筋和混凝土的應變，并且提高的幅度隨著繞絲間距的減小而增大。湖南大學的曾令宏等[6]提出了復合砂漿鋼絲網加固方法。通過對復合砂漿鋼絲網加固RC受彎構件正截面抗彎試驗的研究表明，該方法可以明顯的提高鋼筋混凝土結構的抗彎承載力，抗裂性能，但對構件的抗彎剛度提高不太明顯。河南理工大學的丁亞紅等[7]通過對10根粘貼不同長度和厚度玻璃鋼板加固的混凝土梁進行靜栽試驗研究，探討了玻璃鋼板尺寸對加固混凝土梁加固效果的影響。結果表明，玻璃鋼板粘貼尺寸不同，加固混凝土梁的開裂彎矩、極限彎矩、跨中撓度、跨中應變均有較大變化。同濟大學的張慎偉等提出了芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁的加固方法。通過芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁和未加固的混凝土參考梁的抗彎性能靜載試驗研究，分析了芳綸纖維加固鋼筋混凝土受彎構件的破壞過程，研究了加固后鋼筋混凝土受彎構件正截面的破壞特征（受力特點及影響因素。結果表明，粘貼芳綸纖維可以明顯地增加鋼筋混凝土梁的抗彎剛度，有效地提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力和構件的延性。華東交通大學的朱成九等[9]通過建立一個有效、精確的有限元模型，使用ANSYS軟件計算CFRP加固間距、層數、柱的截面尺寸及長細比的變化對碳纖維加固鋼筋砼柱極限承載力的影響。結果表明，在加固層數相同時，柱的承載力隨加固間距的增大而減小；應力隨著CFRP布層數的增多而提高，CFRP加固層數較少時應力提高幅度相對較大；柱尺寸的變化對CFRP約束效果的影響較明顯，約束后混凝土柱的承載力提高幅度隨著尺寸的增大而減小。

用于承載力加固的工程應用很多。金秀縣頭排鎮農貿市場，鋼筋混凝土框架結構，由于部分框架梁配筋不足，無法滿足其正截面承載力要求，為保證結構安全，必須進行抗彎加固。經研究采用預應力CFRP板對框架粱進行加固。加固后的鋼筋混凝土框架使用良好，加固布置見圖1。鹽城市一棟綜合樓由于年代較長等原因，底層框架主梁因承載力不足出現細微裂縫，經研究采用碳纖維織物增強高性能骨料混凝土（砂漿）進行加固，效果良好。江蘇省蘇南地區一座大橋，于通車2年后發現箱梁裂縫共有362條，除較多的腹板裂縫外，在中跨底板跨中部位還有呈橫橋向開展的裂縫，其中最大裂縫寬度達11mm。為此需要對腹板裂縫處進行抗剪加固處理；還需對中跨底板跨中部位進行抗彎加固修復。經研究采用CFRP布對其加固。

2.使用功能加固

使用功能加固是確保結構正常工作的需要。工程結構由于材料老化、負荷加重及功能改變等原因，出現變形過大、承載力不足，需對其進行補強加固，增加截面剛度，確保結構正常工作。

江蘇大學的張勤通過對織物增強混凝土（ TRC） 加固技術研究進展得出，RC構件的受損情況對加固后RC構件的承載力及撓曲變形幾乎沒有影響，與未受損構件的加固效果相當。RC構件在加固前存在的裂縫在加固后與TRC加固層橋接起來，直到極限狀態時，這些裂縫的寬度都幾乎不變。加固后，會觀察到新的裂縫產生，但裂縫寬度比加固前的裂縫減半并保持小于0.1 mm。上海交通大學的王增春等[10]提出了一種針對傳統木結構梁在承載力或剛度不足時加固補強的新方法。通過對采用該方法加固的木梁抗彎性能試驗和工程應用研究，發現該方法能夠較大地提高木梁的抗彎承載力和抗彎剛度。試驗結果表明，采用預彎方法對普通木梁施加預應力的技術不僅能夠提高梁的受彎承載力，而且能夠提高粱的剛度，技術成熟可靠，使用簡便，可直接在實際工程中應用。東南大學的吳剛等[11]提出了預應力高強鋼絲繩（P- SWR）加固方法。通過對預應力高強鋼絲繩在橋梁加固前后的動靜載測試數據比較分析，證明了該技術是一種主動高效的加固方法。試驗結果表明，預應力高強鋼絲繩加固技術相對粘結鋼板、CFRP加固、鋼絲網-聚合物砂漿加固更有優勢，P-SWR加固能同時提高梁的開裂荷載，剛度和極限承載力，且發生受壓區混凝土壓壞，縱筋屈服，鋼絲繩拉斷的延性破壞，可以使加固材料強度得到充分發揮，承載力提高幅度顯著，且加固后的構件跨中撓度明顯減小。武漢大學的盧亦炎等[12]提出了外包鋼與碳纖維布復合加固的加固方法。通過對14根被加固鋼筋混凝土柱的偏心受壓試驗，研究了碳纖維布和角鋼以及兩者復合加固后混凝土柱的破壞特征、受力性能和破壞機理。結果表明：采用外包鋼和CFRP復合加固既能大幅度提高構件承載力，又能大幅度提高構件延性，但在構件達到極限承載力時，兩種加固材料未能達到極限承載力，其材料性能未能得到充分的發揮。河南理工大學的丁亞紅等通過4根梁試件的靜力加載試驗，對內嵌CFRP筋加固混凝土梁的受力過程、開裂荷載等進行了較為系統的研究。

用于使用功能加固的工程應用也很多。鹽城市射陽縣一學校活動中心，兩層框架結構，由于建筑使用功能的改變（在原建筑上加蓋一層，用作室內籃球比賽場地）增加了使用荷載，導致原屋面現澆板承載力不足，經研究采用碳纖維織物增強高性能細骨料混凝土（砂漿）薄板對原鋼筋混凝土屋面進行加固。上海一倉庫，混凝土柱支撐三角形木桁架結構，因時間久遠桁架出現較大的撓度，最大達22cm，為了提高桁架結構的剛度，經研究決定對桁架采取預彎預應力CFRP加固進行處理。杭甬高速公路8m簡支板梁橋，在鉸縫損壞的情況下，既有縱向受拉縱筋對應的極限承載力已遠低于其實際承受的荷載值，不能滿足安全系數的要求，需進行加固。而目前現有的加固方法無法滿足要求，經研究采用主動高效的預應力高強鋼絲繩加固技術，加固布置見圖2.

3. 耐久性加固

耐久性加固是指對結構損傷部位進行修復和補強，提高結構的可靠性，提高結構的使用功能，延長結構使用壽命。建筑結構由于出現裂縫，鋼筋銹蝕等需要對結構損傷部位進行修復、補強和加固，以阻止結構損傷部分的性能繼續惡化，消除損傷隱患，延長結構使用壽命。

美國密歇根大學的V.C.Li [14]提出了PVA-ECC加固方法。通過對早高強ECC耐久性修復—材料性能的研究得出，PVA纖維有助于提高混凝土的密實度，降低混凝土的滲透性，提高混凝土的耐久性。但該方法對混凝土的抗壓強度有一定程度的降低。中國京冶工程技術有限公司的丁一等[15]在ECC材料的研究進展與應用中發現，ECC是一種經細觀力學設計的先進材料，具有應變一硬化特性。在纖維體積摻量小于2%的情況下，其極限拉應變通常在3%-7%的范圍內。ECC具有多縫穩態開裂的特點，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優異的性能，可以很好地解決傳統混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導致的種種缺陷。在水泥基制品開發、橋梁道路施工、結構加固補強等領域有著廣闊的應用前景。河南理工大學的丁亞紅[16]等通過對7根內嵌預應力螺旋肋鋼絲加固的混凝土梁進行靜力加載，并與非預應力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁抗彎性能進行比較，結果表明，內嵌預應力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁不僅具有減小或閉合既有構件的裂縫，減小構件的撓度變形，有效地提高被加固梁的開裂荷載、屈服荷載、最大承載力；能有效延遲裂縫的開展，限制裂縫的寬度，提高梁的抗變形能力，改善梁的正常使用狀態。內嵌預應力螺旋肋鋼絲加固技術能較好的解決現有加固方法在材料利用不充分、粘結剝離破壞等方面缺點，是一種高效的加固方法。廣州航海高等專科學校的謝志紅等[17]通過分析不同加固形式下，加固梁受拉區混凝土拉應力及混雜纖維布抗拉應變分布情況，并將計算結果與試驗結果進行對比。結果表明，碳纖維布（ CFS）以其高彈模、高抗拉強度的特點應用最廣，但它具有延伸率低、固化后發脆、易折斷的缺點，芳綸纖維布（ AFS）雖然彈性模量、抗拉強度只有碳纖維布的1 /2左右， 但其延伸率較高， 破壞時呈現一定的塑性， 纖維、樹脂固化后抗折性能良好， 而且在動載荷下抗沖擊能力強。兩者混合使用既能提高構件的抗拉強度又能降低成本，且對結構的耐久性提高較大。江南大學的畢遠志等[18]通過大量的試驗對比，得到凱泰（CTA）改性聚丙烯（粗）纖維對混凝土性能的影響效果。試驗結果表明，改性聚丙烯（粗）纖維可以起到微筋材的作用，對混凝土起到增強作用的同時提高混凝土的韌性和抗應變能力，從而提高構件的耐久性。哈爾濱工業大學的吳紅林等[19]提出了纖維復合材料加固混凝土橋梁耐久性的加固方法。通過對采用纖維增強復合材料加固混凝土橋梁的研究，介紹了碳纖維復合材料與玻璃纖維復合材料加固橋梁技術的材料性能、基本理論和構造措施。

耐久性加固方面的工程應用也相當廣泛。美國密歇根州的一座公路橋梁的面板經過多年使用后已經損毀嚴重，工程人員于2002年對其進行了維修加固，工程中大量使用了ECC，ECC加固后橋面板見圖3。日本廣島的Mitaka水壩已經使用了60多年，混凝土結構破壞嚴重，開裂、破碎甚至漏水的現象相當嚴重。因此，該水壩在2003年經歷了一次維修，約600㎡的混凝土表面被噴上一層20mm厚的ECC作為覆蓋層。整個修復過程簡單而高效，并不影響水壩的正常使用，修復后的水壩使用情況良好。采用ECC加固工藝見圖4。

三、結論與展望

結構加固作為提高結構安全性、適用性、耐久性及恢復其正常使用的一項重要措施，加固方法的選擇是否合理關系到原有結構中材料的強度、剛度和耐久性的發揮，因此如何選擇一種合適的加固方案成為決定一個加固設計是否成功的關鍵之一。綜合國內外加固方法得到以下結論：

1. 針對承載力不足的情況，采用CFRP加固能明顯的改善構件的抗彎剛度，提高構件的承載能力和抗變形能力，且可參考的工程實例較多，是一種有效的加固方法。

2. 針對使用性能不足的情況，采用織物增強混凝土（TRC）加固后RC構件的承載力及撓曲變形幾乎沒有影響；加固后，新產生的裂縫寬度比加固前的裂縫減半并保持小于0.1 mm，是一種既經濟又可行的加固方法。

3. 針對耐久性不足的情況，采用PVA纖維加固，有助于提高混凝土的密實度，降低混凝土的滲透性，提高混凝土的耐久性，可以很好地解決傳統混凝土由于易脆性、弱拉伸性而導致的種種缺陷。

4. 單一的加固方法如內嵌螺旋肋鋼絲、繞絲法、預應力加固雖然材料性能很好，但由于也存在鋼筋銹蝕，錨固困難等其他方面一些缺陷使得性能不能完全發揮就由于鋼筋銹蝕，粘結不牢而破壞。

參考文獻：

[1] 王宏琳.混凝土加固方法之我見[J].科技創新導報，2010（40）：47

[2] 徐鎮凱，袁志軍等.建筑結構檢測與加固方法[J].工程力學，2006（12）：117-130

[3] 陳華，張鵬等.預應力CFRP加固技術的研究及工程應用[J].混凝土，2010（6）：126- 128

[4]潘明遠，姚繼濤等.鋼筋混凝土矩形截面柱繞絲加固的受力性能[J].吉林大學學報（工學版）， 2009， 39（4）