混凝土結構工程加固設計及施工方案探究

王選云

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

因為結構的功能發生了改變，例如接建、加層、荷載加大等，或質量出現問題，例如需修補、混凝土本身質量不過關，或配筋不足等，都要做加固處理。加固項目全過程中設計以及制定方案等方面更為重要，而對于必須要進行加固的結構，則應依據不同的結構形式以及不同的缺陷，應該采用相應的加固對策。所以，在對凝土結構工程加固時，必須要掌握經濟、安全以及適用的根本原則，根據實際施工標準，選擇可以提高經濟效益以及社會效益的科學方案。

1 混凝土結構加固在工程實際中的重要性分析

在工程實際過程中，依據混凝土結構建模計算做加固設計，其關鍵目的是要調整或提高結構整體剛度，或提高單個構件的承載能力，保證其穩定性良好，并使其安全性滿足現行規范規程的要求。近幾年來，建筑行業飛速發展的背景下，施工技術在不斷創新，各類先進的材料以及工藝為混凝土結構的加固設計打下了良好的基礎，在相關人員設計加固方案過程中，不但要重視方案的整體性能以及性價比，還要充分體現工藝的先進性、科學性以及可行性。

1.1 提升建筑物的抗震能力

近年來建設建筑的質量標準在不斷嚴格化，更加注重房屋的抗震作用。為了能夠預防地質以及自然的惡劣條件損壞到結構造成的損害，以及規范、規程的不斷迭代，為使既有建筑滿足現在的抗震要求，抗震加固是不可或缺的。

1.2 保證建筑物的使用壽命

設計人員在工程設計初期就已保證了建筑的使用壽命，普遍民用建筑設計使用壽命為50年。但建筑的實際運用壽命主要是看其結構是否安全判定的，因為建筑是被長期暴露在外部環境中的，所以會被較多因素侵蝕。普遍情況下，若建筑主體結構未產生破壞或變形，是可以繼續使用的，但部分建筑由于偶然作用，或者超出設計預期的外在影響，導致無法達到原設計的使用壽命，此時對建筑的加固也是必要的。

1.3 既有建筑的改造

出于經濟性以及建筑用地限制，現階段有很多建設項目是通過對既有建筑物的改造來滿足相應的需求，例如加層、擴建、夾層等。此時采用加固改造既有建筑的方案，在經濟性、便捷性上明顯優于拆除新建及另行修建。

2 建筑混凝土結構工程加固設計原則

2.1 安全性原則

相關人員在進行混凝土結構加固設計過程中，首先必須與工程實際相結合，不違背國家法律法規、規范、規程為原則。即有關工作人員必須要根據混凝土結構特點與建筑實際情況相結合，科學選用加固方式，只有加固方式正確，才可以將原建筑混凝土結構的安全可靠性提高，保證建筑的安全性及抗震性能滿足現行規范要求。

2.2 經濟性原則

在相關人員對建筑物混凝土結構構筑物進行加固設計時，不可以違背經濟性原則。確保所選的加固設計方案能符合建筑物實際，結構加固效果好，且所消耗的成本相對較低，使能夠有效控制建筑混凝土結構的加固費用，協助企業最大限度地提高經濟效益。

2.3 實用性原則

在對建筑混凝土結構進行加固設計的實際中，實用性原則和操作性原則幾乎相同，有關工作人員必須要在提高建筑混凝土結構安全穩定性以及堅固度的基礎上，確保加固設計方案其實際發揮的功能，易于施工，并可以在短時間內做好建筑結構加固作業。

3 混凝土結構加固設計施工方案分析

3.1 增大截面法

增大截面法是通過在構件原有截面外層新增一層混凝土，使構件截面積被增大，從而提高結構承載能力的加固方法。此種方法對于加固鋼筋混凝土受壓以及受彎構件很有效。加大截面法屬于傳統的加固方法，已被廣泛地進行運用。由于該方法對構件剛度影響較大，故在已提高構件承載能力為目的時，僅在構件加固后需提高的承載力大于原承載能力的40%時使用；在大多數情況下，增大截面法更多的是應用于調整房屋整體剛度，已保證房屋在地震作用下的變形協調。由于加固技術在不斷發展，施工工藝也在優化，加大截面加固法被不斷改進，鋼筋混凝土套箍加固技術以及錨噴混凝土加固技術、（如圖1）是應用較廣泛的技術。

圖1 截面加大加固施工

此加固方法的優點是：技術更成熟、適應性更強、操作更簡單，剛度更強以及結構承載力更強等，其不但可以適用于普通主體以及墻體的加固，更可以用于加固梁體等混凝土構件。而缺陷在于：濕法過程復雜，進行養護的時間相對較長，容易對生產生活促成影響；對于結構的外部形狀，也容易影響到房屋的空間，將實際的使用空間縮小了，而且被預設的鋼材腐蝕風險特別高，混凝土產生裂變的可能性大。運用此種方法處理后，結構受力的方向與原來保持水平，不會產生改變，施工技術水平以及材料的性能會影響到對接面的造型處理效果。

此方法在設計造型的具體過程中，必須考慮到原結構與新增部分協作力的綜合承重情況，若存在問題，必須要合理進行處理。根據進一步研究發現，在力的作用下加固結構對接面可以產生許多復雜的應力，如剪力、拉力以及壓力等，其中前兩者屬于關鍵應力。新舊結構其對接面屬于受力較弱的環節，當界面產生開裂時就會使對接面出現剝離，各自進行受力，從而使整個結構的剛度與承載力被減弱，加固效果也會相對較差。對結合面的粘性性能的研究，創新理論計算方法，或將成為這種加固方法的新方向。

3.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法是把型鋼以及鋼板等建筑材料包在鋼砼結構表面，利用原構件與其的協同作用，提高構件的承載能力，達到良好的加固效果。對于矩形的截面柱，一般將其四角進行角鋼外包，用綴板將其橫向焊接為一體；對于圓形的截面柱普遍是采用扁鋼加套圈的方式；對于梁加固時可進行角鋼外包提高加固效果。

此方法的優點在于：現場實操較少，結構的穩定性很強，但是對消耗鋼材的用量是相對較大的。其普遍適用于運用中不允許增加原結構的截面積尺寸，且提高幅度不大于40%的情況。在這類加固構型中，尤其是框架構型，對框架梁柱節點處的處理，相對較復雜，處理難度很大，同時對原結構有一定的破壞。

次方法結構件與外包鋼之間一般是通過采用環氧樹脂澆灌進行粘接，或者是通過乳膠水泥進行粘接，必須使兩者間能夠構成一個整體，協同受力，實際上其屬于復合加固方式，使兩者可以緊密地進行結合。由于此方法可以大大增強結構件的承載力量，所以，能夠對負載較大的受壓結構進行加固。

3.3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固技術實際上是通過改性環氧樹脂灌注膠等結構膠在混凝土構件較薄的位置粘貼鋼板，使混凝土構件能與鋼板相互配合進行受力，使之構成整體，對整體結構承重強度進行加固。多被用于鋼筋混凝土受拉、受彎以及大偏心受壓構件進行加固時運用。

鋼板一般是固定在混凝土受拉一側的表面，使構件的抗變性能以及抗彎承載力都能夠得到有效增強，將整體的繞度降低，同時還必須要預防劣化被加深，保證結構能夠均衡地進行受力，預防內部應力集中情況發生。此加固法作業簡單、工藝簡單、空間占用小、加固效果好、硬化時間短、加固費用低、結構外形不受影響等優點，被廣泛運用。

此方法的不足之處就是經過加固處理的鋼板存在應力滯后的情況，在作業實際中與原有結構的負荷呈正相關；粘結劑質量和耐久性的具體情況會影響到后期的加固效果，影響著施工質量。當前關于結構膠的抗老化周期并沒有得到實踐的證實，故規范中要求定期對膠粘劑的工作狀態進行價差，因此，還需要深入進行觀察、研究，另外，粘鋼板加固法隨型較差對異形結構梁和特殊形狀的梁沒有任何作用。

此法一般適用于在靜力受力狀態下所產生的正截面和斜截面分別彎曲和裁剪，以及大偏心受拉和受壓結構的加固。需要進行處理的混凝土構件，經測試強度不能小于C15，外觀的正拉粘結強度不能低于1.5 MPa。

粘結材料的質量以及施工水平的高低都會影響到此方法的技術效果，所以，在選用這種方法進行加固的實際過程中，需要確保結構后期所處環境溫度低于60 ℃，濕度也必須要低于70%；當放射性較強或濕度以及溫度較高的不良情況下，混凝土構件必須要運用性能較好的粘接劑，并按照特殊方法施工，提前做好預防措施。

3.4 貼碳纖維加固法

碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，即：CFRP），是近年來的新型復合材料，早期是被航空航天等特殊行業進行運用的。此外，在土木工程行業的研究也獲得了突飛猛進的發展。此方法相比于以往的常用加固方法，其加固修復效果俱佳，通過碳纖維材料加固混凝土構件，實際上是在構件外層使用粘合劑粘合相對應的材料，通過兩者的協同受力性能，將整體結構的承載能力提高。由于這種片材其質量輕、強度高且耐腐蝕性強，因此，在美、日等國家的運用越來越廣泛，而我國在近年來開始研究和應用這一技術，也取得了很大的成就。

碳纖維材料加固法的使用優勢突出在兩方面：一個是強度高，一個是效果好，施工簡單快捷。因為此材料的物理性能較好，在補強加固混凝土構件的實際過程中，可使構件和結構的承重能力獲得有效提高，受力特性得到科學改善，從而才能夠進行高效補強。通過實驗得知，利用此材料進行加固的持久度以及耐腐蝕性較好，能夠很大程度緩解建筑物受到酸、堿等腐蝕的嚴重影響，可以在各類型的建筑結構中進行運用，可以保持結構的原有形狀。對于一些隧道結構以及大型殼體等工程，使用傳統的加固方法并不會起到明顯效果，而使用此先進的加固方式效果明顯，且質量也能夠控制好。

通過有關研究得知，通過碳纖維加固法，可以將框架結構塑性鉸的轉動能力進行提高，使結構的抗倒塌性得到提高，較好地提高混凝土結構的抗震性。在對未受損的混凝土框架結構建筑進行加固時，不但能夠將其的承重能力進行提高，更加能夠科學改善建筑物的結構延性。

在通過碳纖維材料加固混凝土構件的實際過程中，還可以通過相應的輔助粘結材料，把每個片材進行連接，這樣就可以提高片材的承壓能力，而且還可以和原來的結構協同進行受力。在作業的實際過程中，首先要遵守相關規范的要求，通過極限狀態法設計，并以概率理論為依據，測算極限狀態下的實際的荷載情況，使結構在此狀態下能夠保持良好的穩定性。依據平時所積累的實際檢測數據，對混凝土和鋼筋的實際強度進行測算，同時，將相應材料的強度按照相關標準規范設定為指標；碳纖維材料在極限狀態下建立應變后，應通過用線性應力情況明確實際的應變關系；在通過此材料加固結構的實際過程中，首先要考慮清楚處理之后能對結構產生多大影響；當對混凝土構件進行實施加固時，必須先把構件上的活載荷撤掉，若不能清除，就可能存在2次受力情況。在實施板梁結構拉力區加固的具體操作中，材料的排列方向必須要和結構的軸方向垂直，如果抗震加固是選用密閉粘合的方式，也要保證兩者的方向是垂直狀態。

4 結語

綜上所述，在建筑物混凝土結構工程的實際加固設計中，需要有關工作人員依據工程實際情況，嚴格依照國家有關標準要求進行，對與之相適應的加固技術進行合理的選擇，并嚴格管控每個關鍵階段，從而科學編輯建筑混凝土結構工程加固方案，確保建筑結構的安全穩定性。