鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

王建勛

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的背景

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式,尤其是在工業(yè)建筑中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所占比重大,但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用30年～50年以后,會有明顯的劣化與損傷。這些建筑物有的由于使用維修不當(dāng);有的由于建造質(zhì)量不佳;有的因為需要滿足新的使用要求,需要改變用途或進(jìn)行加層。一般在這類情況下,鑒于土建投資大,往往不會因此而拆除重建,結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行增強,補強,改造和維修。

混凝土結(jié)構(gòu)的加固分為直接加固與間接加固兩類,設(shè)計時可根據(jù)實際條件和使用要求選擇適宜的方法和配套的技術(shù)。直接加固的一般方法有:加大截面加固法、置換混凝土加固法、有粘結(jié)外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強塑料加固法、繞絲法、錨栓錨固法等。間接加固法包括預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點加固法等。

2 常用的加固方法

2.1 加大截面加固法

在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)加混凝土現(xiàn)澆層,增加截面有效高度,擴大截面面積,從而提高構(gòu)件正截面抗彎,斜截面抗剪能力和截面剛度,起到加固補強的作用。

加大截面加固法在設(shè)計構(gòu)造方面必須解決好新加部分與原有部分的整體工作共同受力問題。試驗研究表明,加固結(jié)構(gòu)在受力過程中,結(jié)合面會出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等各種復(fù)雜應(yīng)力,其中關(guān)鍵是剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。在彈性階段,結(jié)合面的剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力主要是靠結(jié)合面兩邊新舊混凝土的粘結(jié)強度承擔(dān);開裂后及極限狀態(tài)下,則主要是通過貫穿結(jié)合面的錨固鋼筋或錨固螺栓所產(chǎn)生的被動剪切摩擦力傳遞[2,3]。

2.2 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法是指對原有結(jié)構(gòu)強度低,韌性差的構(gòu)件材料用強度高,韌性好的混凝土材料置換的方法。

該方法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土強度偏低或有嚴(yán)重缺陷的局部加固。施工工藝簡單方便,工期短,占用空間小,不影響使用功能,而且造價比較低,經(jīng)濟合理。采用本方法加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件時,其非置換部分的原構(gòu)件混凝土強度等級,按現(xiàn)場檢測結(jié)果不應(yīng)低于該混凝土結(jié)構(gòu)建造時規(guī)定的強度等級。置換用的混凝土強度等級應(yīng)比原構(gòu)件混凝土提高一級且不應(yīng)低于C25。混凝土的置換深度,板不應(yīng)小于40 mm,梁、柱采用人工澆筑時,不應(yīng)小于60 mm,采用噴射法施工時,不應(yīng)小于50 mm,置換長度應(yīng)根據(jù)混凝土強度和缺陷的檢測及驗算結(jié)果確定,但對非全長置換的情況其兩端應(yīng)分別延伸不應(yīng)小于100 mm。置換部分應(yīng)位于構(gòu)件受壓區(qū)內(nèi),且應(yīng)根據(jù)受力方向?qū)⒂腥毕莼炷撂蕹?剔除位置應(yīng)在沿構(gòu)件整個寬度的一側(cè)或?qū)ΨQ的兩側(cè),不得僅剔除截面的一隅[1]。

2.3 有粘結(jié)外包型鋼加固法

外包鋼加固是把型鋼(一般為角鋼或槽鋼)或鋼板包于構(gòu)件的四角或兩角的加固方法,外包鋼加固鋼筋混凝土梁也稱濕式外包鋼加固法,采用該方法加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件時,應(yīng)采用環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行灌注,把型鋼與被加固構(gòu)件粘結(jié)成一整體,以保證型鋼架和原構(gòu)件形成一個整體共同受力。其特點是受力可靠、施工簡便、現(xiàn)場工作量較小,但用鋼量較大,且不宜在無防護(hù)的情況下用于60℃以上高溫場所;適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。

2.4 粘貼鋼板加固法

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件外部粘鋼加固是在構(gòu)件承載力不足區(qū)段(正截面受拉區(qū)、正截面受壓區(qū)或斜截面)表面粘貼強度高的鋼板,使原有混凝土和鋼板作為一個新的整體共同受力,約束混凝土變形,提高了加固構(gòu)件的剛度和抗裂度,有效發(fā)揮了粘貼鋼板的抗彎、抗剪、抗壓性能,且不會在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中。采用該方法加固時,要求被加固的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,其現(xiàn)場實測混凝土強度等級不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘結(jié)強度不得低于1.5 MPa,并且應(yīng)將鋼板設(shè)計成僅承受軸向應(yīng)力作用,鋼板表面應(yīng)進(jìn)行防銹蝕處理,表面防銹蝕材料對鋼板及膠粘劑無害。

它的特點是施工簡單、速度快、工期短;現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè),對生產(chǎn)和生活影響小;傳力直接,加固效果好,耐久性好;且加固后對原結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響,但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平;適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。

2.5 粘貼纖維增強塑料加固法

外貼纖維加固是用樹脂類膠結(jié)材料將纖維增強復(fù)合材料貼于被加固構(gòu)件的受拉區(qū)域,使它與被加固截面共同工作,從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。它是一種非常簡單且優(yōu)良的加固補強方法,但要求被加固混凝土強度等級不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘結(jié)強度不得低于1.5 MPa。除了具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點外,還具有耐腐蝕、耐潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、耐用、維護(hù)費用較低等優(yōu)點,但需要專門的防火處理,適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和一般構(gòu)筑物。

2.6 繞絲法

該法的優(yōu)缺點與加大截面法相近;適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面承載力不足的加固,或需對受壓構(gòu)件施加橫向約束力的場合。

2.7 錨栓錨固法

該法適用于混凝土強度等級為C20～C60的混凝土承重結(jié)構(gòu)的改造、加固;不適用于已嚴(yán)重風(fēng)化的上述結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.8 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿或型鋼撐桿對結(jié)構(gòu)或整體進(jìn)行加固的方法[1,2],通過預(yù)應(yīng)力的施加改變了原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和應(yīng)力水平,致使一般加固結(jié)構(gòu)中所特有的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象得以完全消除,因此后加部分和原結(jié)構(gòu)能共同工作,結(jié)構(gòu)的承載能力可顯著提高,并可減少結(jié)構(gòu)的變形、裂縫寬度。

1)預(yù)應(yīng)力水平拉桿加固法。預(yù)應(yīng)力水平拉桿加固的混凝土受彎構(gòu)件,由于預(yù)應(yīng)力和新增外部荷載的共同作用,拉桿內(nèi)產(chǎn)生軸向拉力,該力通過桿端錨固偏心地傳遞到構(gòu)件上(當(dāng)拉桿與梁板底面緊密貼合時,拉桿會與構(gòu)件共同找曲,此時尚有一部分壓力直接傳遞給構(gòu)件底面),在構(gòu)件中產(chǎn)生偏心受壓作用,該作用克服了部分外荷載產(chǎn)生的彎矩,減少了外荷載效應(yīng),從而提高了構(gòu)件的抗彎能力。同時,由于拉桿傳給構(gòu)件的壓力作用,構(gòu)件裂縫發(fā)展得以緩解、控制,斜截面抗剪承載力也隨之提高。由于水平提桿的作用,原構(gòu)件的截面應(yīng)力特征由受彎變成了偏心受壓,因此,加固后構(gòu)件的承載力主要取決于壓彎狀態(tài)下原構(gòu)件的承載力。2)預(yù)應(yīng)力下?lián)卫瓧U加固法。鋼筋混凝土構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U加固后,形成一個由被加固構(gòu)件和下?lián)问嚼瓧U組成的復(fù)合超靜定結(jié)構(gòu)體系,在外荷載和預(yù)應(yīng)力共同作用下,拉桿中產(chǎn)生軸向力并通過與構(gòu)件的結(jié)合點(下?lián)吸c和桿端錨固點)傳遞給被加固構(gòu)件,抵消了部分外荷載,改變了原構(gòu)件截面內(nèi)力特征,從而提高了構(gòu)件的承載能力,該法能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平,不僅使加固效果好,而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力,但加固后對原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響;適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固,但在無防護(hù)的情況下,不能用于溫度在60℃以上環(huán)境中,也不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。

2.9 增加支承加固法

增設(shè)支點加固法是通過增設(shè)支承點,減少受彎構(gòu)件的計算跨度,達(dá)到減少作用在被加固構(gòu)件上的荷載效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)承載水平的目的。根據(jù)支承結(jié)構(gòu)受力性能的不同分為剛性支點和彈性支點兩種加固方法。該法簡單可靠,但易損害建筑物的原貌和使用功能,并可能減小使用空間;適用于梁、板、桁架、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)的加固。

3 結(jié)語

上述混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)還有待于在實踐中進(jìn)一步探索,隨著建筑科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,新型建筑材料不斷出現(xiàn),更好的加固施工方法將會有更大拓展,因此,加固施工方案的選擇范圍也將具有更為廣泛的空間。

[1] 卓尚木,季直倉,卓昌志.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)事故分析與加固[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 萬墨林,韓繼云.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

[3] 朱綠竹,張艷茹.鋼筋混凝土保護(hù)層的作用與施工控制[J].山西建筑,2009,35(15):136-137.

[4] 呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2001.