鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用

劉 洋（濰坊瀚諾置業(yè)有限公司，山東 濰坊 262500）

混凝土材料具有高強(qiáng)度、耐久性好、防火抗震性能好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大量建筑物興建時(shí)得到廣泛應(yīng)用[1]。鋼筋混凝土建筑在服役過(guò)程中，由于外荷載和環(huán)境等各種因素的影響，加之建筑使用年限的增加和建筑功能的變化，不可避免地會(huì)引起結(jié)構(gòu)性能降低，甚至出現(xiàn)安全隱患[2-3]。因此，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造是保證其安全性和耐久性的重要措施[4]。隨著建筑工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)也在不斷進(jìn)步和完善，確定科學(xué)合理的加固方案成為現(xiàn)有建筑物加固改造中的重要研究熱點(diǎn)[5-6]。

本文以山東省某市框架剪力墻多層科研樓為研究對(duì)象，在綜合分析現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，確定結(jié)構(gòu)受力體系的加固方案，并運(yùn)用力學(xué)方法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的受力，運(yùn)用SAP2000 有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以驗(yàn)證加固效果。

1 工程概況

山東省某市多層科研樓為全現(xiàn)澆框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)10 層地上建筑、1 層地下室結(jié)構(gòu)，大樓平面形狀大致呈矩形，建筑物橫向長(zhǎng)度為40m，軸網(wǎng)間距為8m，建筑物縱向?qū)挾葹?5m，軸網(wǎng)間距為7m，建筑首層高度為6.5m，其余樓層高度為3.2m，地下室結(jié)構(gòu)高度為4.5m，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為400mm，持力層為③層中砂，地基承載力特征值為240kPa，建筑抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），本地基本風(fēng)壓為0.3kN/m2，不考慮基本雪壓。建筑修建于2010年，由于建筑結(jié)構(gòu)使用功能調(diào)整以及科研任務(wù)的擴(kuò)展，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加層并采用輕鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕采光屋面進(jìn)行封閉，增加層數(shù)為1 層，樓面活荷載保持2.5kN/m2。建筑物既有梁、板、柱結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，鋼筋混凝土柱截面尺寸為600mm×600mm，主縱梁尺寸為400mm×650mm，次縱梁尺寸為250mm×450mm，橫梁尺寸為200mm×300mm，剪力墻厚度為300mm。

2 既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)對(duì)比

目前，既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)眾多，包括增大截面加固法、植筋技術(shù)、外粘貼鋼板、外包型鋼、粘貼纖維材料加固等，這些方法的加固原理和適用范圍各不相同，并與其加固施工相匹配，具有各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[7]。不同加固方法對(duì)比如表1所示。

表1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同加固改造技術(shù)對(duì)比

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造方案的確定

綜合分析建筑物加層改造后的上部荷載，驗(yàn)算基礎(chǔ)整體承載力，結(jié)果表明，地基和基礎(chǔ)的受力和變形均滿足要求，只需對(duì)加層后各樓層的梁體和柱子進(jìn)行重新驗(yàn)算，確定合理的加固改造方案。從表1 中可知，對(duì)于柱子的加固方法可選擇范圍較多，可以采用增大截面加固法、外粘貼鋼板、外包型鋼和粘貼纖維材料加固，考慮到建筑物用途為科研設(shè)施，加固時(shí)間段仍需保持正常的運(yùn)營(yíng)工作，每層樓預(yù)留給加固改造的空間有限，盡管增大截面加固法具有成本優(yōu)勢(shì)，但其澆筑混凝土施工需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)工程的影響較大[10]；外粘貼鋼板則會(huì)產(chǎn)生粉塵和噪聲污染，給正常的科研工作造成不便；外包型鋼則不具有成本優(yōu)勢(shì)。綜合考慮加固成本、加固時(shí)間和施工便捷性，鋼筋混凝土柱采用粘貼纖維材料的加固方法，鋼筋混凝土梁采用粘貼纖維材料+梁頂壓力注膠粘鋼的加固方法。

以首層框架柱為例，柱尺寸為600mm×600mm，原設(shè)計(jì)采用的鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，極限抗拉強(qiáng)度為360MPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為16.7MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為1.57MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0，按照公式（1）計(jì)算纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的用量，得到其加固方案如圖1 所示。加固方案采用的粘貼纖維材料為碳纖維布，碳纖維布的彈性模量≥250GPa，抗拉強(qiáng)度≥3.4GPa，按“隔一加一”的方式進(jìn)行加固，加固寬度為200mm，間隔寬度也為200mm，粘貼沿著柱體四周進(jìn)行環(huán)向包裹，共包裹3 層，每層疊加長(zhǎng)度不少于200mm，其余樓層的加固方式與首層一致。

圖1 首層柱子粘貼纖維材料加固方案

式中N為鋼筋混凝土柱的軸向壓力，kPa；e為偏心距，為縱向受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度，為縱向受拉鋼筋的面積，mm2；ff為纖維復(fù)合增強(qiáng)材料抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，kPa；Af為維復(fù)合增強(qiáng)材料抗拉強(qiáng)度的面積，mm2；h0為鋼筋混凝土柱的有效受壓高度，mm；h為梁高，mm；b為梁寬度，mm；a1為受壓鋼筋合力點(diǎn)到截面近邊的距離，mm；a′為受拉鋼筋合力點(diǎn)到截面近邊的距離，mm。

以JG-KL110梁為例，梁尺寸為250mm×600mm，原設(shè)計(jì)采用的鋼筋等級(jí)為HRB400，極限抗拉強(qiáng)度為360MPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為16.7MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為1.57MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0，最小配筋率為ρmin=max(0.2,45×ft/fy)%=max(0.2,0.179)%=0.2%，配筋面積為As=1100mm2，鋼筋混凝土梁的加固方案設(shè)計(jì)時(shí)，驗(yàn)算梁截面的最小配筋率如公式（2）所示，滿足最小配筋率要求，確定相對(duì)界限受壓區(qū)高度如公式（3）所示，計(jì)算相對(duì)受壓區(qū)高度如公式（4）所示，計(jì)算鋼筋混凝土梁彎矩設(shè)計(jì)值如公式（5）所示。

鋼筋混凝土梁加固方案中的碳纖維片材類型為高強(qiáng)I級(jí)碳纖維布，材料彈性模量設(shè)計(jì)值為230MPa，碳纖維片材厚度為0.167mm，片材設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2300MPa。加固時(shí)，沿鋼筋混凝土梁縱向按“隔一加一”的方式進(jìn)行加固，加固寬度為200mm，間隔寬度為200mm，外露碳纖維表面噴涂防火涂料，在連體頂部設(shè)置8mm鋼板，并采用拉力注膠，運(yùn)用M12化學(xué)螺栓對(duì)鋼板進(jìn)行錨固，螺栓按梅花形布置，螺栓中心間距為300mm，鋼筋混凝土梁的加固方案如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土梁的加固方案

4 加固前后建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)比分析

為了研究建筑結(jié)構(gòu)加固改造效果，運(yùn)用SAP2000有限元分析軟件對(duì)加固前后的建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前3階基本振型參數(shù)，如表2所示。

表2 加固前后建筑結(jié)構(gòu)前3階基本振型參數(shù)對(duì)比

從圖2 中可以看出，在加固前，隨著振動(dòng)階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期逐漸減小，頻率和圓頻率逐步增加，在第一階振型和第二階振型中，結(jié)構(gòu)主要以平動(dòng)為主，而在第三階振型中，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，表明更高階的振動(dòng)階數(shù)結(jié)構(gòu)的形態(tài)變得更加復(fù)雜；建筑結(jié)構(gòu)改造加固后，隨著振動(dòng)階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期、頻率和圓頻率與改造加固前具有相似的變化規(guī)律，但在同一階振型中，相比于加固前，加固后建筑結(jié)構(gòu)的周期變大，頻率和圓頻率變小，表明建筑物結(jié)構(gòu)的阻尼增加，振動(dòng)能量在結(jié)構(gòu)中損失更快，結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載和地震荷載等外部干擾的響應(yīng)速度變慢，具有更大的剛度和穩(wěn)定性，加固前周期比為0.87，加固后周期比為0.35，加固后周期比遠(yuǎn)小于規(guī)范中周期比為0.9的限值要求，取得了良好的加固效果。

5 結(jié)語(yǔ)

以山東省某市框架剪力墻多層科研樓為研究對(duì)象，在綜合分析現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定結(jié)構(gòu)受力體系的加固方案，得到以下結(jié)論：

（1）綜合考慮加固成本、加固時(shí)間和施工便捷性，鋼筋混凝土柱采用粘貼纖維材料的加固方法，鋼筋混凝土梁采用粘貼纖維材料+梁頂壓力注膠粘鋼的加固方法。

（2）隨著振動(dòng)階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期逐漸減小，頻率和圓頻率逐步增加，在第一階振型和第二階振型中，結(jié)構(gòu)主要以平動(dòng)為主，而在第三階振型中，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（3）在同一階振型中，相比于加固前，加固后建筑結(jié)構(gòu)的周期變大，頻率和圓頻率變小，加固前周期比為0.87，加固后周期比為0.35，加固后周期比遠(yuǎn)小于規(guī)范中周期比為0.9的限值要求，表明建筑物具有更大的剛度和穩(wěn)定性，取得了良好的加固效果。