結合工程實務探討混凝土結構加固方案的應用

劉 冰

(盤錦職業技術學院建筑工程學院，遼寧盤錦 124010)

結合工程實務探討混凝土結構加固方案的應用

劉 冰

(盤錦職業技術學院建筑工程學院，遼寧盤錦 124010)

在建設工程實踐中，施工不利、設計失誤、用戶使用不當等問題會導致板、梁、柱等混凝土構件承載力不足，需要采取加固措施以保證建筑物安全承載的可靠性和使用功能的耐久性。本文結合工程實例來探討混凝土受彎構件加固的問題，以期能給工程技術人員提供一些思路和參考。

混凝土結構加固；加大截面法；后加筋法；FRP

隨著建筑業的蓬勃發展，“混凝土加固”早已不是現場管理人員不敢觸碰的技術禁區了，而是被廣泛地、頻繁的應用，使得施工階段出現的安全承載質量問題得到無隱患的解決，同時也使得房屋維修工作得到長足的進步。在加固技術廣泛應用的同時，也存在許多的不足，例如：(1)由于地基得不均勻沉降，使梁產生附加應力；(2)采用材料不當或者梁本身有內在缺陷所導致梁耐久性不足；(3)梁的不合理構造形式帶來的不利影響；(4)其他原因，如施工方面原因有:鋼筋錨固不足或搭接長度不夠、焊接不牢靠等；或者荷載的突然作用或瞬間超載等。根據筆者多年工程實踐來看，上述因素越來越成為引發工程事故的重要原因，也就是說加固方案的選用和滿足工程本身的安全性、經濟適用性之間的權衡就更需要技術人員進一步的探索和研究[1]。

1 混凝土梁加固方法

在衡量某一方案優劣之前，我們需要簡單了解加固原理的涵義及有哪些加固方法，然后根據不良構件的具體情況出具加固方案，最后權衡其經濟適用性和安全可靠性。

鋼筋混凝土梁的加固方法很多，本文主要介紹加大截面法、后加筋法、FRP加固法等，其他常見的還有預應力法、改變受力體系法、粘貼鋼板(或外包鋼筋)等。鋼筋混凝土梁加固具有自身的局限性和特殊性。其局限性表現為受到原有構件的制約，加固方案的選擇除了考慮經濟和安全因素外，還要考慮構件的實際受力情況、周邊環境、可操作性等；其特殊性表現為同一種方法對某些情況有非常不錯的效果，而對其他情況就不一定適用。

1.1 加大截面法

在工程實踐中梁的受拉區補澆混凝土的情況是比較多的。在適筋范圍內，混凝土彎變構件正截面承載力隨鋼筋面積和強度的增大而提高。在原構件正截面配筋率不太高的情況下，增大主筋面積可有效地提高原構件正截面抗彎承載力。在截面的受拉區加現澆混凝土圍套增加構件截面，通過新加部分和原構件共同工作，可有效地提高構件承載力，改善正常使用性能。

1.2 后加筋法

適用于當梁的截面尺寸能滿足剛度要求且其抗剪承載力也滿足要求，而僅是彎曲抗拉強度不能滿足要求，尤其抗拉鋼筋的增補數量不是很大時。常用的方法有全焊接、半焊接和粘結法。全焊接法，是指增補筋在裸露的條件下，依靠焊接參與原梁工作，即不再補澆混凝土做鋼筋的保護層。半焊接法是在全焊接法的基礎上再補澆或噴射一層細石混凝土或其他膠凝材料，它既起到粘結和保護的作用，又起到增加混凝土粘結力的固結作用，使加固后梁的受力特征與原梁相近，受力也較為可靠。粘結法是增補鋼筋完全依靠后澆混凝土或其他膠凝材料的粘結力傳遞來參與原梁的工作。后加筋法的受力特征：增補筋相對于原筋存在著應力滯后，即增補筋的屈服強度遲于原筋，當增補筋屈服時梁出現較大的變形和裂縫；增補筋相對于原筋存在著偏心距，這導致在焊接處梁內原筋局部彎曲變形和增補筋與原筋的拉力差，其中彎曲變形不但加劇了增補筋的應力滯后同時還使原筋應力在焊點兩側呈不均勻性，從而降低了原筋的利用率。

1.3 FRP

玻璃纖維增強塑料是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。作為一種高性能材料，以其輕質高強、耐腐蝕、耐久性能好、施工便捷等性能特點，廣泛應用在混凝土結構的加固中。用FRP加固混凝土梁的一般做法：首先將梁底粘貼區的表面鑿毛，目的清除薄弱層，露出堅實的混凝土層，有時要求打磨平整，保證與新材料FRP的可靠粘結。FRP法比較傳統的粘貼鋼板加固法，其優勢在于高比強度(強度與重量之比)和良好的耐久性。高比強度的優勢是指FRP的強度至少是鋼材的2～10倍，重量只是鋼材的20%，這不僅提高了施工便捷性，還突破了傳統施工方法的局限性[3]。

2 混凝土梁加固實例

2006年，盤錦北方汽車銷售綜合樓施工項目中有這樣一件實例：一層某段梁拆模后梁中段出現明顯裂縫，梁底開口最寬且直通梁頂部，下部鋼筋明顯外露，詳見圖1和圖2。該工程項目概況：底層為機修車間，中間區域軸網不設柱，開間較大，上接四層辦公和宿舍用房，基礎為承臺連系梁基礎，上部五層建筑為框架混凝土結構。當時現場施工技術員和監理人員判定是施工階段模板支撐基礎因雨季臨時變軟，在早期強度形成前，不堪澆筑混凝土后的自重而導致該梁段支撐的局部塌陷，所以等到拆模板時已經在梁中跨形成結構性裂縫。設計人員依次出具處理方案：開裂兩端設臨時支撐，達到標準28d齡期時徹底清除裂縫內附著的混凝土碎塊不留虛附物，用強度等級C50以上的混合配比灌漿料澆筑填充裂縫成形，灌注前必須使用高壓水對新擴大的梁內腔體清洗干凈。另一個方案為在開裂處設混凝土柱，開裂腔體和后澆柱頭形成剛架節點，柱下另加一個小尺寸的承臺基礎。建設單位對設計方的兩個加固方案都不打算采納。使用灌漿料還須經過沈陽一家科研院認可并且購買該旗下的產品，改造工程很小不適合如此大動干戈。更為關鍵的是，業主看到成形的一層框架后會產生安裝自動起落架的想法，那么在該開展成結構裂縫的梁上需要考慮按集中荷載的設計方案，這樣一來，既不能設柱，又不能按第一種方案只考慮粘結補強。而且設計方極力反對在這種不良構件上增設機動荷載，理由是已經存在結構缺陷，不適合再承受疲勞破壞的狀態，主張另選新址安裝。在建設單位和設計單位不能達成一致的前提下，業主代表組織參建工程各方召開質量專題協調工作，同時還請來建筑專業的教師作為專家聽取處理意見。我們在原有共識“既不能設柱又不能只考慮粘結補強”基礎上認為加筋和給混凝土補強同時進行，補強照原設計方案即可，但是怎樣加筋、配筋量的多少都是難題。

難點解析：按照前面闡述的加固理論，加固后必須保證已形成結構性開裂的梁段滿足原設計的承載能力以及變形限制(即控制撓度過大，安全承載加筋法的一般做法勢必要破壞混凝土梁下部的一定高度(高度>鋼筋保護層厚度 + 鋼筋直徑)，在考慮到澆筑混凝土的工作空間，總計要清除梁高50～100mm的混凝土，而該梁高度為500mm，也就是說，對梁加筋的破壞程度還遠遠大于目前的開裂狀況，問題研究到這里就遇到了瓶頸，如果沒有新的進展也只能另選其它梁做埋件點。由此想到FRP，選用預制的就可解決高強且無破壞的問題，可實際操作時就遇到麻煩了。首先，我市沒有相關FRP項目的市場，監理單位提出采用該項技術改造的質量驗收存在困難。如果采用濕粘法，對于使用類別的車間還要經過無毒的安全認證。事實上為了提高改造后梁的整體性，應盡可能消除“疊合性”，那么首選就應該是濕粘法。采用疊合構件如同前面加筋法原理所闡述的那樣：纖維板拉應力滯后，復合板連帶混凝土梁產生較大變形和裂縫，這種趨勢對已經開裂的構件來說大大增加了預期風險。由此，考慮仿造FRP但是不貼FRP材料，而是改用鐵板，在開裂處1000mm范圍內扒掉梁底的鋼筋保護層，露出主筋與鋼板焊接，剩余的如前方案：擴充、洗凈鐵板上的開裂腔體，提高強度等級灌漿填縫。另外，還可以加鋼板當成支架埋件使用，把加固原件和新增的使用件結合到一塊鋼板上，該方案比較實用。

圖1 梁開裂示意圖

圖2 梁截面示意圖

安全承載計算：

恒荷載標準值gk：

30厚水泥砂漿——0.03×20kN/m3=0.60kN/m2，

80厚鋼筋混凝土樓板——0.12×25kN/m3=3.0kN/m2，

12厚板底抹灰——0.02×20kN/m3=0.40kN/m2，

樓地面裝飾——1.58kN/m2，

∑gk=5.58kN/m2，

活荷載標準值qk：=2.0kN/m2，

按活荷載效應在控制計算，所以g=1.2gk+1.4qk=1.2×5.58+1.4×2.0=7.6kN/m2，

混凝土梁300×500——0.3×0.5×25=3.75kN/m，

20厚混合砂漿——[2×(0.5-0.12-0.02)×0.02+0.3×0.02]×20=0.408kN/m，

梁上砌體自重——2.38×(3-0.4)=6.188kN/m2[5]，

梁自重線荷載取值為1.2×(3.75+0.408+6.188)=12.42kN/m，

改造后極限荷載效應由原來的M1?Mu，所以新使用條件下一個基準期內的極限荷載效應Mu=M1+M2=85.26+33.6=118.86kN·m。

受壓鋼筋面積計算：因為C25等級強度混凝土對應HRRB335可得相對界限受壓高度比ξb=0.55；混凝土彎矩計算系數αsb=0.399，取h0=500-35=465mm，

圖3 鐵板加固示意圖

“加筋”方案：后加鐵板Q235B-1000×280×10與梁底角部鋼筋現場圍焊，按二級焊縫計算，E43些列焊劑，焊腳尺寸hf=6mm，圖3為鐵板加固示意圖。

投入使用一定階段后我們對該加固工程進行現場回訪，感覺構件很穩定，相關設備運行正常，沒有發現不良的變形征兆。

3 結語

通過上述工程實例我們感受到，單純一種加固方法能偏于一方安全，滿足不了現場問題的多樣性；結合多種方法可以解決多變復雜的適用性問題，但是往往很難得到安全承載的保駕護航。因此，在今后研究工作中應明確，不同的加固方法很可能圍繞一個改造目的亦或指向同一個加固理念。每個加固措施都是按互斥性的辯證關系設立的，各有各的優點和局限性，研究人員必須熟練對應具體問題的適用條件和使用功能，才能在動態多變的糾結中找出解決矛盾的一劑良方。反復考量方案內容是否適用、安全，需要參與人員不斷地反復計算和親躬現場觀察、驗證及事后跟蹤等的敬業精神。

[1]劉冰.淺談混凝土梁加固原理[J].城市建筑理論研究,2012(9): 118-119.

[2]混凝土結構設計規范(GB50010-2002)[S].北京:中國建筑工業出版社,2002(3).

[3]藤錦光.FRP加固混凝土結構[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[4]呂西林.建筑結構加固設計[M].北京:科學出版社,2001.

[5]苑振芳.砌體結構設計規范算例[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[6]鋼結構設計手冊(上冊)[M].3版.北京:中國建筑工業出版社,2004.

[7]建筑施工手冊[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2003.

2014-03-11

劉 冰(1981- )，女，遼寧盤錦人，盤錦職業技術學院建筑工程學院講師，碩士，從事建筑工程研究。

TU

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2095-7602(2014)04-0033-04