混凝土增大截面加固法在某工程改造中的運用

頊 玫

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司,山西 大同 037000)

1 混凝土結構加固發展趨勢

隨著中國經濟的健康有序發展,節能、節地、節材是建筑行業必須遵守的準則,新建建筑體量趨于飽和,已建建筑結構維修改造和加固是必然趨勢。其中混凝土結構因其成型后不可更改的固有特點,所以混凝土結構的維修和加固是整個建筑加固的基礎和關鍵。目前混凝土結構加固的主要方法有以下幾種:

1)增大截面法;2)混凝土置換法;3)外包型鋼加固法及粘貼鋼板法;4)粘貼碳纖維加固法等。

建筑加固作為建筑工程領域的一項關鍵技術,隨著社會發展和城市化進程的加速,正逐漸成為重要的建筑保護手段。隨著城市老舊建筑數量的增加,建筑加固技術在維護和更新現有建筑方面的需求逐漸凸顯。為了延長建筑壽命、提高抗災性能,許多城市開始注重對老舊建筑的加固工程。這不僅有助于保護文化遺產,還能提高建筑的整體安全性和可持續性。新型建筑材料和技術的不斷涌現為建筑加固提供了更多選擇,高性能混凝土、碳纖維增強材料等新型材料的應用,以及先進的監測和評估技術,為建筑加固提供了更為靈活、高效的解決方案。這種技術創新不僅提高了加固效果,還降低了工程成本,推動了加固技術的不斷發展。隨著人們對建筑結構安全性的不斷關注,建筑加固在抗震減災方面的應用逐漸成為研究的熱點。在地震頻發地區,通過加固建筑結構,提高其抗震性能,成為維護社會安全和降低災害損失的緊迫需求。因此,加固技術在地震工程領域的研究和實踐日益深入,對于構建更為安全可靠的城市環境具有重要意義。諸多混凝土結構加固方法的優缺點和適應性在實際建筑物實施過程中得到了驗證和檢驗,與其他加固方法相比,增大截面加固法的許多優勢逐步凸顯,在不同類型的混凝土結構,如橋梁、建筑物和水利工程中都得到了成功的應用,驗證了該方法施工方便、成本相對較低、對原有結構影響小,應用范圍廣的優勢,成為今后混凝土結構加固的流行趨勢。

2 增大截面加固法原理及設計

2.1 增大截面加固法的工作原理

增大截面加固法是增大原混凝土構件截面面積并增配鋼筋,以提高其承載力和剛度或改變其自振頻率的一種直接加固法。本方法適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構件的加固。結構加固完成后的受力是構件新增加結構和原有老結構共同作用的受力。如果受力單獨作用在新結構或老結構上,將會導致新結構或老結構破壞后,其余結構再次單獨受力,其結果是整個結構受到破壞,不能起到加固作用。這就需要結構構件的新、老結構完美結合,才能保證共同作用、共同受力。加固結構的新加部分,因應力應變的滯后而不能充分發揮其效能,尤其是當應力、應變值較高時,對于以混凝土承載力為主的受壓和受剪構件,往往會出現原結構與后加固部分先后破壞的各個擊破現象,致使加固效果不理想或不起作用,為此,采用增大截面加固法對混凝土結構進行加固時,應采取措施卸除或卸除大部分作用在結構上的活荷載。加固時進行卸荷,由于應力應變滯后現象得以降低或消失,破壞時新舊兩部分就可同時進入各自的應力狀態,那么結構的總體承載力可顯著提高[1]。

建筑結構構件根據不同的受力選用不同的加固方式。受壓構件主要承受豎向荷載的作用,當豎向荷載確定后,增加受壓構件承載力涉及兩個方面:第一,提高構件單位面積上的承載力,首先是提高材料的密度,一般來說鋼筋混凝土結構再次增加其密度很難做到;其次就是對構件進行約束,在一定程度上提高其承載力,例如橡皮泥受壓后將會四面擴大,如果將橡皮泥放在礦泉水瓶中,那么橡皮泥就能承受更大的壓力,這就是約束起的作用。第二,增加結構構件的受力截面面積即增大截面加固。受彎構件主要承受荷載的彎矩,增加受彎構件的承載力,同樣可以選擇增大截面的受壓、受拉面積,并可同時在受拉區增加受拉材料的強度[2-3]。

2.2 增大截面加固法的技術特點

增大截面法在設計構造方面必須注意解決好新增加部分和原有部分的整體工作和共同受力問題。加固結構在受力過程中,結合面會出現拉壓彎剪等各種復雜的應力狀態,其中主要的是拉力和剪力,在彈性階段,結合面的剪應力和法向拉應力主要是靠新舊結合面的黏結強度承擔,開裂或極限狀態時,將主要通過貫穿結合面的錨固鋼筋或錨固螺栓所產生的被動剪切摩擦力來傳遞。

2.3 增大截面加固法的設計要求

1)混凝土強度要求不能低于相應結構形式的混凝土最低要求,如果原構件混凝土強度等級低,或者密實性差,甚至還有蜂窩或空洞等缺陷時,應先置換不滿足要求的混凝土,再進行加固。

2)原構件表面除進行鑿毛外,還應采取涂刷結構界面膠、種植剪切銷釘等措施,以保證新舊混凝土的共同工作。

3)在截面受拉區增補主筋加固鋼筋混凝土構件,試驗結果表明,若原構件主筋的極限拉應變均能達到現行設計規范的0.01水平,而新增的主筋又按規范采用了熱軋鋼筋,則正截面受彎破壞時,一次受力和二次受力兩種受力性質的新增主筋均能屈服,均可近似按一次受力計算,只是在計算中應考慮新增主筋在連接構造上和受力狀態上不可避免受到各種因素的綜合作用,導致其強度不能完全發揮,從安全角度出發,要對新增鋼筋的強度進行折減。

3 工程應用

3.1 工程概況

桐城金域辦公樓為北方某集團建設的辦公樓。東西長49.15 m,南北寬42.9 m,呈正方形布置,結構體系為框架-剪力墻結構。地下2層,層高4.5 m,地上8層,層高3.9 m。因建筑使用功能調整,根據甲方要求,對5層—8層結構進行改造及加固。改造內容為:建筑功能改變造成部分內隔墻的拆除和增設,電梯間的封堵,中庭增設花園等,均造成荷載增加。部分結構構件受力狀態發生改變,因此必須對建筑進行加固處理。

3.2 加固方案比較

我們從建筑安全性、經濟性、適用性和耐久性出發,綜合比較了以下幾種加固方案,并與業主進行了方案論證,最終實現了業主所有的要求。

3.2.1 粘鋼加固法

考慮到便捷的施工過程和改造期間機械應用不方便的現狀,我們首先選用將鋼板采用黏接劑黏結于混凝土構件的表面,使鋼板與混凝土形成統一的整體,利用鋼板良好的抗拉強度達到增強構件承載能力。但計算過程發現部分構件縱向受力鋼筋一側配筋率小于0.2%,根據規范要求,此類構件不適合采用粘鋼法。

3.2.2 置換混凝土加固法

選用將承載力不足的鋼筋混凝土構件通過對構件原有混凝土進行剔鑿,然后澆筑比原有混凝土更高等級的新混凝土,來達到使用目的。但經過造價人員的核算,剔鑿混凝土只能使用靜力拆除,無法利用機械,以防止對其他構件造成破壞。這種施工方式極大提高了施工成本,超出了甲方改造預算,該方案不予通過。

3.2.3 粘貼纖維復合材加固法

根據相關規范,采用纖維復合材進行方案論證。因為該類材料具有良好的抗拉強度,把它粘貼到鋼筋混凝土構件表面,使其與混凝土共同作用,提高構件承載能力,但同樣因為此類材料不適合縱向受力鋼筋一側配筋率小于0.2%的構件,因此該方案也不能實施[4]。

3.2.4 增大截面法

鋼筋混凝土受彎、受壓構件的承載能力與其截面呈正比例關系,增大截面法是通過在原有構件截面外新增受力鋼筋以及混凝土,使新舊受力鋼筋和混凝土共同作用,增大構件截面尺寸,提高構件承載能力。該方案無論構件受拉、受彎都可以解決,并且受力明確,造價合理,可操作性強,最后確定采用該方案。梁加大截面示意圖和1—1剖面圖見圖1,圖2。

4 加固施工控制

1)改造加固工程必須由有資質的施工單位來承擔,且這類施工任務必須要有具備相關技術和有相關經驗的管理人員及操作工人,而且這些人員要有高度的責任心,否則不但難以保證施工質量,還可能對原有結構產生大量損傷和破壞,造成安全隱患[5-6]。

2)加固改造前必須經檢測單位確認結構本身構件是否有安全隱患。有裂縫時,在改造加固時應首先根據裂組的所在部位、形狀、寬度,分析其產生的原因及對構件承載力有無影響,然后采用不同的處理方法進行處理。

3)在本次加固工程中,為滿足承載力的需要,采用混凝土加大原梁、柱構件截面加固法,按現行規范的做法,為保證新加部分混凝土與原有構件共同工作而設置了大量錨栓或植筋拉結。為了避免該做法較多地損傷原構件的混凝土或截斷原有鋼筋,本次設計采用新的節點做法。即將原有柱相隔一定距離把保護層剔鑿掉與新混凝土形成槽齒連接傳遞剪力。柱新增截面的縱向受力鋼筋配置在角部,以便在樓板處避開梁直通[7]。

4)加固工程中,植筋、錨栓錨固長度對結構的質量有非常大的影響,而且對于常規的梁、墻、柱等構件,其寬度、厚度很難滿足錨固長度。采用植筋、錨栓時,必須注意最小邊距和最小中距的規定,還應特別注意在原有構件鋼筋密集的部位鉆孔和定位的可能性,嚴禁損傷和截斷原構件受力鋼筋。

5)后期施工過程中,施工單位必須與設計單位進行密切配合。對設計中的構件構造做法和施工要求,除對施工單位進行詳細技術交底外,還應進行多輪討論會。

5 結語

通過增大截面加固法加固的該辦公樓已經順利施工和驗收。加固方案具有諸多優勢,為結構工程領域提供了一種經濟、高效、可行的解決方案。增大截面加固法顯著提高了結構的整體承載能力。通過增加構件的截面尺寸,有效增加了結構的抗彎能力和承載能力,使原本受力較弱的部位得到加固,提高了結構的整體穩定性,并且增大截面加固法對結構的抗震性能有顯著提升,更重要的是增大截面加固法維護了原有結構形態。這種方法更注重保持原有結構的外觀和形態,能夠最大限度地減小對結構形態的影響,使得結構在經過加固后依然具有獨特的文化和歷史價值。此外,增大截面加固法的施工過程相對簡便,降低了加固工程的施工難度和成本。不需要拆除原有結構,只需在構件的外部增加附加材料或構件,從而減小了對結構的影響和施工,也降低了施工成本。竣工使用后,受到甲方和施工單位一致好評。