淺談建筑結構加固工藝

田育豐 楊業宇 周凱

摘?要：我國在基礎建設快速發展的階段，進一步加大了對基礎設施建設的投入，從而加快了建筑業的發展，充分發揮國家科技力量的支撐作用，相繼修建了各種類型的道路、橋梁、高樓、會展中心、重大水利工程等。由于受到自然災害、空氣影響等，這些建筑的結構往往出現過早老化的情況。據相關統計數據顯示，全國城鎮需要開展加固工作的民用建筑有30億平方米，其中亟待修復加固處理的建筑有10億平方米。如何對這些老舊建筑檢測加固，需要進行研究探討。

關鍵詞：碳纖維布；鋼板；復合加固；徐變；材料性能

On?the?Reinforcement?Technology?of?Building?Structure

Tian?Yufeng?Yang?Yeyu?Zhou?Kai

Guangxi?Construction?vocational?and?Technical?College?GuangxiNanning?530007

Abstract：In?the?stage?of?rapid?development?of?infrastructure?construction，China?has?further?increased?the?investment?in?infrastructure?construction，so?as?to?accelerate?the?development?of?the?construction?industry，give?full?play?to?the?supporting?role?of?national?scientific?and?technological?forces，and?have?built?various?types?of?roads，Bridges，highrise?buildings，exhibition?centers，major?water?conservancy?projects.Due?to?natural?disasters，air?effects，etc.，the?structure?of?these?buildings?often?appear?premature?aging.According?to?relevant?statistics，there?are?3?billion?square?meters?of?civil?buildings?that?need?to?be?strengthened?in?cities?and?towns，of?which?1?billion?square?meters?of?buildings?are?in?urgent?need?of?repair?and?reinforcement.How?to?test?and?reinforce?these?old?buildings?needs?to?be?studied?and?discussed.

Keywords：carbon?fiber?cloth;steel?plate;composite?reinforcement;creep;material?performance

1?概述

1982年，邁耶在瑞士聯邦實驗室（EMPA）首先開展了一項碳纖維增強塑料（CFRP）加固混凝土的抗彎試驗研究。目前，國外已經為推廣CFRP的應用制定了本國的行業規范和各種技術推廣會。一些經濟發達的國家已經制定了各種設計、施工規程、指南和手冊，以促進和應用碳纖維材料在土建工程中的應用。1993年，日本完成玻璃鋼混凝土結構設計規范。隨后一系列規范和行業標準也相繼出臺。

1997年和1998年，加拿大政府先后為新型FRP材料產品的研發和纖維增強與加固混凝土結構性能的研究投入了大量的資金?！陡咝阅芾w維復合材料加固混凝土結構設計指南》的編寫工作是經過歐洲9個國家的共同努力，歷時4年完成的。相關設計規程（草案）于?1999?年?2?月分別由美國混凝土協會?ACI-440F?和?ACI-440R?委員會發布。并制定了《混凝土結構設計與外貼玻璃鋼加固施工指導規程》。ACI-440F?規程提供了包括材料選擇、設計計算方法和施工方法在內的一些表面粘貼加固混凝土結構的指南?，F在這個技術已經被美國和日本的發達國家產業化了。

2?土建結構常用的幾種傳統的加固方法

2.1?延長建筑壽命

建設一棟樓，樓的美觀性和建筑質量很重要。長期使用的可靠性往往是作為一種比較穩定的建筑產品必不可少的。建筑壽命會隨著建筑工程的長期使用而降低，受各種因素的影響壽命也會逐漸降低。因此，為提升建筑工程的合理使用年限，應該加強建筑工程在新工藝、新材料等方面加固施工。

2.2?提高建筑結構耐久性

建筑物建設完成后，要想長期保持穩定性和可靠性是很困難的。各種影響因素多多少少都會對施工質量造成影響，比如環境、人為因素等。不得不考慮的是，不僅要在日常生活中精心維護，更要在改善建筑結構穩定性、增加建筑工程使用壽命等方面采取切實有效的措施，提高建筑工程的持久性。

2.3?提高建筑抗震性

對地震造成的影響要有充分考慮，同時也要有相應的保護措施。建筑工程抗震能力的提高，更應引起重視。從總體上看，房屋建設以增強房屋抗震能力、加強建筑工程加固措施、提高房屋結構抗震性能為首要任務，具體有以下一些加固方法。

（1）混凝土代入法。是將建筑物的缺陷部分換成新混凝土的一種加固方法。施工前，首先對建筑施工區域進行清理，對加固部位外圍實施臨時支架。為了保證施工的安全和質量，加固部位周圍的結構在進行施工時，一旦受到影響，可能需要進行臨時加固。在建筑工程的結構加固中采用混凝土替代的方法，雖然存在工程量大、施工要求高、作業時間長等缺點，但對建筑的原貌和原有結構布局不會產生任何影響。如果建筑工程密實度達不到標準，或者混凝土強度太低，質量就會變差，可以考慮用混凝土替代的方式。

（2）加高截面的加固方式。與傳統的加固方式相比，在房屋建筑工程施工中，普遍采用加高截面的加固方式，其優點是成本低、施工簡便、耐受力可靠。增加混凝土結構或擴大構筑物截面面積，是增加截面加固法的根本原理，目的是提高房屋建筑的承載力。因此，施工人員在具體應用這種方法時，首先要對建筑物的實際情況有所了解，對這些構件進行合理的加固處理時，對房屋建筑的結構承受力，如板梁柱、混凝土結構等，都要計算得比較清楚。如屋舍內易發生彎梁截面和柱正截面，可對梁正截面和柱正截面進行抗剪加固，以提高地基承載力，擴大基底面積，從而有效防止屋舍內梁、柱彎曲現象的發生。

（3）房屋加固常用鋼板法。它通過使用黏合劑在最薄弱的加固部位粘貼鋼板，目的是使鋼板和部件融合在一起，使這個部位的承重能力得到提高。由于工期短、工藝簡單成熟、成本低、工藝先進等一系列優點，鋼板法在建筑工程加固中廣泛應用。

（4）加固纖維增強復合材料。這種加固方式是指將碳纖維單向織物布復合材料粘貼在需要加固的構件表面，以提高構件的承重能力。通過使用改性環氧樹脂膠，可使構件表面牢固地粘貼碳纖布或碳纖板，使結構承載力得到加強。纖維復合加固的應用優點是耐腐蝕，耐潮濕、重量輕、壽命長、維護費用低。混凝土修復治理要落實到位。在處理時，需要先打磨部件的外表，把碳化層去掉。構件表面若有裂紋，需用環氧樹脂膠水封死。如果某一部件被風化沖刷，則需進行修補混凝土的工序。在對受損部位進行修復時，應清除破損部位，并采用高分子水泥砂漿修復。各種受力性能的混凝土構件，包括梁、板、柱、墻等，都可以采用纖維復合加固。

（5）噴射法是利用動力源（如壓縮空氣）通過噴射機對定量配比的材料進行高速噴射，使材料迅速凝結并硬化在加固部位的一種噴射法。這種材料具有優異的黏合力和耐久性，同時還具有很好的力學性能，能有效增強結合面的承載力，對拉力和剪切力的承受能力也有很好的提高作用。

3?房屋建筑工程的結構加固和重建需要實施的原因分析

3.1?忽視房屋結構耐久性

據相關研究顯示，影響房屋建筑毀損的因素，除了施工、材料等因素外，建筑耐久性設計不合理也會造成房屋毀損。從某種程度上說，直接影響了正常的建筑使用。在長時間的使用過程中，房屋建筑會直接受到雪載、風載等外部環境的影響，同時也會受到一些化學物質的腐蝕，建材各方面的功能也會隨著時間的推移而逐漸減弱，從而不同程度的損壞房屋建筑結構等。

3.2?忽視房屋的使用年限

設計出科學合理的建筑結構是房屋建筑工程的首要任務。大多數設計專業人員平時對房屋建筑的質量、承重等方面都非常重視。但是，在對房屋建筑使用時長的考量上，卻存在疏漏之處。雖然在一定程度上能夠達到對房屋荷載強度的要求，但是在使用年限上卻存在著一系列的缺失。通過加固房屋建筑結構，以便于房屋建筑符合使用年限的規定。

如何對結構損傷程度進行科學評估，采取有效的處理措施，延緩其損傷進程，延長其壽命，成為工程界熱切關注的熱點問題，也是當前工程界的一大熱點問題。在工程界的研究中，結構鑒定和加固改造技術進步非常顯著，處于空前地位。

3.3?我國開展研究的時間較晚

在國內研究CFRP材料加固與修復結構技術的時間比較晚。CFRP加固修復建筑結構研究始于20世紀90年代后期，國內眾多科研機構近年來對CFRP加固修復混凝土結構性能開展了大量研究，成果豐碩。但從總體上看，調研課題仍相對基礎，內容偏窄，反復調研的方式處在較低層次上。我國1997年正式開展的FRP補強加固鋼筋混凝土構件研究工作，是由國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心最早開展此項工作的。隨后，FRP加固結構的研究也在多所高等院校和科研單位展開。

我國于2000年成立纖維增強塑料（FRP）及工程應用專業委員會，中國土木工程學會混凝土與預應力分會，并舉辦了四次全國性的FRP學術會議，對國內FRP加固混凝土結構理論與應用研究有了較大的推動作用。《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程（CECS?146：2003）》由中國工程建設標準化協會于2003年5月發布實施。碳纖維加固混凝土結構這一新技術在國內的推廣和應用起到了積極的導向和規范作用，而與之相關的其他規范也呼之欲出。

粘鋼加固法是采用特殊的建筑結構黏合劑，在構件表面粘貼鋼板進行加固的方法，以提高結構構件的承載力。粘鋼加固法的鋼板與其他直接加固法相比，鋼板很薄，所以不容易觀察到粘鋼加固法構件的二次受力特點。

3.4?我國粘鋼加固結構的快速發展階段

我國工程界起步較晚的是粘鋼加固結構，1978年才第一次使用結構膠加固粘鋼結構。此后，在實際工程中逐步擴大了這一加固技術的應用?！痘炷两Y構加固技術規程（CECS?25：90）30》由建設部于1991年發布，對粘鋼加固、外包鋼加固的設計和施工具有指導意義。

我國部分高校和科研單位從20世紀80年代開始，就廣泛開展鋼筋混凝土結構或構件加固的試驗研究和理論分析工作。目前基本以試驗研究為主的粘鋼加固技術研究包括：

（1）靜載試驗研究粘鋼加固構件；（2）動載試驗研究粘鋼加固技術；（3）分析粘貼層受力情況。對粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機理，同濟大學黃勤等進行了實驗與理論研究；針對不同卸載時混凝土梁粘鋼加固正斷面承重的計算，武漢大學的王天穩進行了實驗研究；混凝土粘鋼補強用結構膠的耐久性研究由北京建工學院蔡光汀等人完成。

綜上所述，粘鋼加固構件的靜載試驗研究工作，已在國內外開展。該研究主要關注粘鋼構件在試驗過程中受到各種不同因素的影響，包括極限強度、開裂荷載、剛度、變形、延性、破壞類型等對粘鋼構件結構性能的影響。包括以下內容：鋼板厚度、膠層厚度、混凝土強度、黏結劑性能、錨固形態等。

結構加固技術目前國內外的研究大多集中于采用一種材料，采用兩種或兩種以上的材料比較少。雖然有多種加固方式可供選擇，但在不影響結構美觀的情況下，粘貼鋼板加固方式具有易錨固、施工方便、周期短、占用空間小、對環境影響小等諸多優點。因此，同時使用這兩種材料復合加固結構具有更廣闊的應用前景，而對其進行試驗研究也就具有很好的理論意義和工程實用價值。

4?鋼材的徐變

試驗研究結果表明，在徐變條件下，鋼結構與零件的強度往往不取決于材料的屈服極限或強度極限，而是由在給定的工作期限和溫度下導致破壞的應力，即長期強度極限所決定的。鋼材在徐變條件下的破壞可能具有不同的性態，許多徐變破壞發生于大變形情況下（20%～30%，甚至更多），并伴隨著頸縮現象，這種破壞具有韌性性質，稱為韌性破壞；有時徐變破壞在小變形下發生（可能小于1％），且破壞前不形成頸縮，可稱為脆性破壞。韌性破壞通常對應著較高的應力和較短的破壞時間，而較低的應力和較長的破壞時間則有脆性破壞的可能性，因此，韌性破壞的發生時間會相對較長。一般認為，前者與晶內滑錯有關，而后者是晶間裂紋的形成和發展的結果，當然，有時破壞也可能同時具有上述兩種特點。

直接從試驗來研究鋼材的徐變破壞時間是一項困難和費時的工作，因此許多研究者試圖根據較容易獲得的徐變資料來估計鋼材和零件的破壞時間。

由于在常溫下較大應力時，鋼材存在徐變的特性，同時也必然存在松弛特性。因此，我國新的《混凝土結構設計規范》GB500102002對預應力螺紋鋼在預應力損失中的松弛損失做出了相應的規定，以保證結構的安全適用規范設計。

5?結論和展望

很多工程材料的變化特征非常明顯。經檢測發現，這些物質可能存在數倍甚至數十倍的彈性變形。另外，由于采用彈性力學方法所得到的應力比徐變斷裂時要低得多。結構的正常運轉有時會受到材料徐變的嚴重干擾，甚至可能造成結構的破壞，引起更大的破壞。因此，研究材料的徐變性質對于安全、經濟地設計結構意義重大，目前國內外結構加固材料的研究大多采用一種材料，而采用兩種或多種材料進行加固的研究較少。筆者認為，對鋼板與CFRP復合加固材料的徐變進行研究，對于確定該復合加固材料中CFRP在各種應力水平下的徐變變化規律，以及在預張拉CFRP過程中應力損失的計算，對其混凝土結構和CFRP加固鋼結構的應用加固、結構修復加固工程能夠提供重要的理論依據是十分必要的。

因此，通過研究碳纖維布與鋼板粘貼后的復合物的徐變性能，將修復材料的徐變控制和優化考慮到溫度、濕度、時間、受力大小、碳纖維布增強塑料（CFRP）含量和黏結劑等因素。所以要分析研究它的徐變性能，就需要在不同的條件下有具體的測試方法。

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項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目：碳纖維布與鋼板粘結后的復合材料徐變性能研究項目資助，項目編號：2021KY1168

作者簡介：田育豐（1979—?），男，漢族，甘肅定西人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為建筑新工藝。