混凝土結構加固改造后安全性評定及處理對策

趙承明

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北武漢 430064)

某選煤廠主廠房建于20世紀80年代初［1］，自投產使用起，主廠房特殊的用途及工藝導致其內部使用環(huán)境不斷惡化。空氣干濕交替頻繁，有害氣態(tài)介質、液態(tài)離子含量不斷增加，構件表面固態(tài)附著物積聚，加上動力設備長期的振動荷載作用，部分鋼筋混凝土構件已經出現(xiàn)較為嚴重的損傷劣化現(xiàn)象，如混凝土疏松剝落、微裂縫密布、順筋裂縫擴展、鋼筋裸露銹蝕等，已對正常的生產和安全構成威脅。近年來為適應局部工藝改進的要求，廠房內部設備的布局發(fā)生較大改變。因此，需要對主廠房部分區(qū)域結構構件進行改造加固，以滿足工藝改進后整體結構生產使用的安全性要求。除新增構件外，設計單位在主廠房鋼筋混凝土構件的加固設計時主要采用了梁柱加大截面法和梁外包型鋼法。加固改造施工結束后，對主廠房改造區(qū)域構件進行了安全性檢測，并進行設計校核，然后對加固改造后構件及結構的安全性進行評定，提出了進一步的加固維護處理對策。

1 主要檢測內容及結果分析［2］

1．1 使用環(huán)境及原鋼筋混凝土結構可靠性

1)主廠房建于20世紀80年代初，限于當時的設計和施工技術水平，構件成型后混凝土強度較低、保護層厚度較小，施工質量一般。鋼筋混凝土構件普遍存在蜂窩、麻面等現(xiàn)象，大部分構件表面存在大量不規(guī)則的微細裂縫，部分構件存在嚴重的銹脹裂縫，最大裂縫寬度達到5 mm，已造成部分構件表層混凝土疏松剝落。

2)主廠房內部鋼筋混凝土構件所處的氣態(tài)、液態(tài)環(huán)境中有害介質含量較之正常環(huán)境要大幾十倍至幾千倍，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》，判定主廠房內部氣態(tài)介質、液態(tài)介質對鋼筋混凝土的腐蝕性等級均為中級，煤泥等固態(tài)附著物對混凝土也有較大的腐蝕作用。并且，主廠房內部部分構件處于比較頻繁的干濕交替狀態(tài)，導致鋼筋混凝土材料及構件劣化嚴重，引起鋼筋銹蝕、混凝土開裂、承載力下降等一系列安全性問題。

3)主廠房內部所檢測的結構構件的混凝土碳化深度平均值在25 mm以上;混凝土抗壓強度值基本滿足原設計要求(原200號)，部分梁柱混凝土抗壓強度值低于設計要求，且離散性較大;混凝土脆性增加，滲透性很高;內部鋼筋銹蝕率在5%～15%之間，為中度銹蝕，鋼筋承載能力衰退，延性降低。

4)因選煤工藝的要求，主廠房內部鋼筋混凝土結構具有較特殊的錯層、孔洞等，且內部布置許多大型工業(yè)振動設備，自重在幾噸到幾十噸之間，振動頻率較大。測試結果表明，大型振動設備下鋼筋混凝土構件做低周高頻的受迫振動;鋼筋混凝土梁在跨中由振動引起的應變增量達到了95με甚至更大。

5)主廠房內部復雜的結構布置、特殊的工藝和力學環(huán)境造成構件、局部乃至整體結構的不良受迫振動，而長期的受迫振動會加劇混凝土內部微裂縫的擴展，導致構件變形加劇，同時與惡劣的自然環(huán)境耦合作用，加快鋼筋混凝土構件的劣化速率，引起損傷腐蝕加劇，造成構件及結構承載力下降，嚴重影響結構可靠性和使用壽命。

1．2 粘鋼加固鋼—混凝土粘結力

在主廠房加固設計中，對于多數(shù)承重梁采用了外包型鋼的加固方法，對比《混凝土結構加固設計規(guī)范》規(guī)定，這種方法常見于柱的加固補強，而對于受彎構件的加固則不多見，且原設計所采用外包型鋼加固法既不是濕法加固，也不是干法加固，而是介于此二者之間。現(xiàn)場實際的施工與設計及規(guī)范要求存在一定的出入，如“U”型鋼板僅用錨栓錨固在混凝土上，而無其他可靠連接，加固改造施工時沒有對相應部位進行卸載等。

采用ZY-10型錨桿拉力計對加固構件的鋼—混凝土之間的粘結力進行檢測(見圖1)。從現(xiàn)場檢測時鋼—混凝土結合面破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，厚度為5 mm的鋼板主要表現(xiàn)為混凝土破壞，膠—混凝土破壞(粘結破壞)為次;厚度為8 mm的鋼板表現(xiàn)為混凝土破壞(見表1)。在選煤廠如此惡劣的自然環(huán)境和力學環(huán)境等多重因素耦合作用下外包型鋼加固效果將產生一定折減。

圖1 外包型鋼加固效果檢測

表1 鋼—混凝土粘結強度檢測結果

1．3 新舊混凝土整體性

在主廠房加固設計中，部分梁柱采用了加大截面的加固方法。在選煤廠惡劣自然環(huán)境和力學環(huán)境下，采取加大截面加固法是可行的，但必須嚴格按照規(guī)范［3］規(guī)定設計和施工，而且在加固改造施工時需要對原有結構進行卸荷處理，防止結構處于二次受力狀態(tài)。但是，從實際取芯檢測發(fā)現(xiàn)，原有混凝土表面打毛處理效果不明顯，輕微撞擊后，加大截面用細石混凝土界面即與原有混凝土界面剝離開，一定程度上影響了加固效果(見圖2)。

圖2 擴大截面加固新舊界面圖

2 加固設計計算校核［2］

在對選煤廠主廠房使用環(huán)境及鋼筋混凝土構件可靠性檢測結果分析的基礎上，考慮相關參數(shù)的折減，利用PKPM設計軟件對主廠房進行由單個構件到整體結構的設計復核驗算。將計算分析結果與折減后的實際情況進行對比校驗，獲得相關差額數(shù)據(jù)。

2．1 外包型鋼法理論計算校核

外包型鋼法一般用于混凝土柱的加固，被加固柱不僅提高了承載能力，延性也得到了提高，而很少用于加固受彎構件。本文對于型鋼加固梁的理論計算校核采用等效成鋼筋面積的方法，同時考慮鋼筋混凝土構件因內部鋼筋銹蝕、混凝土劣化而引起的承載力下降及加固施工過程中對構件所造成的二次損傷等因素，而對原構件承載能力進行一定程度的折減。

以另一被加固受彎構件為例，構件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部新增2根∠63×5的角鋼。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計算原則計算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=1 326 mm2，新增等效鋼筋面積1 229 mm2＜1 326 mm2，因此加固不滿足要求。

在對外包型鋼加固構件按照上述計算原則進行計算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構件加固后仍不能滿足承載力要求，仍然需要進一步的加固處理。

2．2 加大截面法理論計算校核

對于加大截面加固過程中新增加的鋼筋(增補筋)，由于其相對于梁內原筋存在著應力滯后現(xiàn)象，因此規(guī)范［3］規(guī)定對增補筋的抗拉強度設計值，應乘以0．9的折減系數(shù)。但是規(guī)范僅考慮了對增補筋的折減，而未考慮原有構件在長時間服役過程中由于各種因素影響導致其承載力的降低，已有研究表明，混凝土劣化、鋼筋銹蝕等因素都會使鋼筋混凝土構件承載能力下降。因此，本文在參考相關研究資料的基礎上，結合實際檢測分析結果，對原構件承載力進行了一定程度的折減。

以某被加固受彎構件為例，構件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部加高100 mm，上部加高80 mm，上部新增2根直徑22的二級鋼筋，下部新增3根直徑22的二級鋼筋。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計算原則計算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=815 mm2，新增鋼筋面積1 140 mm2＞815 mm2，滿足要求。

在對加大截面加固構件按照上述計算原則進行計算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構件加固后仍不能滿足承載力要求，需要進一步的加固處理。

3 安全性評定及處理對策

3．1 安全性評定

綜合主廠房鋼筋混凝土構件可靠性檢測結果和結構復核驗算的計算差額，依據(jù)《工業(yè)廠房可靠性鑒定標準》的評定體系［4］，評定選煤廠主廠房加固改造后上部鋼筋混凝土結構系統(tǒng)項目安全性等級為:大部分B級，部分C級(承載能力、正常使用性能和耐久性能不滿足要求，但主要承重構件尚有一定的安全儲備，短期內不至于發(fā)生意外事故，變更使用，進行全面修復和加固)，個別構件D級(承載能力嚴重不足，有發(fā)生意外事故的可能，停止使用，進行大修和加固)。

3．2 處理對策

綜合分析檢測結果、加固設計計算校核及安全性評定結論，提出進一步處理對策。

1)對混凝土剝落、鋼筋外露、銹蝕但在加固改造施工中未進行處理的B級構件，應將表面疏松混凝土剔除，并對鋼筋除銹，再用水泥砂漿將其凹凸不平部位進行分層修補完整。2)結合檢測、計算校核及安全性評定結果，對于未加固的C級，D級構件，必須進行加固處理，且在加固時應對被加固構件進行卸荷處理;對于加固后仍不能滿足安全使用要求的構件，應采取措施進行二次加固;對于改造過程中新增加鋼筋混凝土構件應進行一定的防腐蝕處理，保證其耐久性。3)在進行進一步的加固設計時必須采取分類加固補強和長期維護并重的原則，并優(yōu)先采用粘貼碳纖維材料和增大截面的加固方法，同時確保加固材料與原結構的相容性和長期粘結力。4)對于振動影響明顯區(qū)域，應采取有效的減振措施，并對振動設備附近部分主要構件進行長期跟蹤觀測，重點研究在選煤廠工業(yè)廠房這種惡劣自然環(huán)境和特殊工藝力學環(huán)境耦合作用下構件的長期承載能力變化規(guī)律、內部損傷劣化規(guī)律及構件和整體結構的耐久使用壽命［5］。

［1］中華人民共和國煤炭工業(yè)部選煤設計研究院．《180萬噸選煤廠主廠房》和《上海大屯煤礦礦區(qū)選煤廠主廠房》施工圖［Z］．1978．

［2］上海大屯能源股份有限公司．選煤廠主廠房改造部分結構安全性檢測校驗及鑒定(內部資料)［Z］．2006．

［3］GB 50367-2006，混凝土結構加固技術規(guī)范［S］．

［4］GB J144-90，工業(yè)廠房可靠性鑒定標準［S］．

［5］呂恒林，周淑春，吳元周，等．煤礦地面工業(yè)環(huán)境中鋼筋混凝土結構劣化機理和防治技術研究［A］．2007年第一屆海峽兩岸三地混凝土技術研討會論文集［C］．2007．