既有結(jié)構(gòu)加固方法探討

王浩瀚　崔劍奇（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院）

既有結(jié)構(gòu)加固方法探討

王浩瀚崔劍奇
（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院）

既有結(jié)構(gòu)在工程改建擴(kuò)建中拆除部分構(gòu)件，為保證結(jié)構(gòu)能滿足現(xiàn)有使用要求，需要采用合適、經(jīng)濟(jì)、有效的方式進(jìn)行加固。本文介紹了混凝土上部結(jié)構(gòu)常用加固方法、加固計(jì)算的假定、加固中存在的問題，并針對(duì)該問題進(jìn)行分析，提出解決該問題的方法，以期指導(dǎo)實(shí)踐，供同類加固工程參考。

既有結(jié)構(gòu)；加固；應(yīng)力滯后；頂升

某天橋梯道為兩跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，為新增一出入通道，需要將梯道其中一跨拆除。原連續(xù)梁結(jié)構(gòu)拆除一跨后，結(jié)構(gòu)體系由連續(xù)梁變?yōu)楹喼Я?，跨中截面?yīng)力顯著增大。另外，該結(jié)構(gòu)截面配筋率偏小，原鋼筋應(yīng)力富余較少。設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，為保證拆除后結(jié)構(gòu)能滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求，需要采用合適的方式進(jìn)行加固。

1　上部結(jié)構(gòu)加固常用的方法

1.1加大截面加固法

該方法在既有結(jié)構(gòu)的構(gòu)件外澆筑新的鋼筋混凝土，增加受拉區(qū)的鋼筋和增大受壓區(qū)面積，以提高構(gòu)件的承載力和剛度。加固前須對(duì)加固的原構(gòu)件表面都進(jìn)行清理、打毛。對(duì)原受彎構(gòu)件，增加抗彎剛度的效果好，但增加的尺寸有限。對(duì)原偏心受壓構(gòu)件，增加強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面效果都較好。

其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、容易施工、適用范圍較廣。缺點(diǎn)是，新增混凝土?xí)黾釉瓨?gòu)件的負(fù)擔(dān)，截面增大對(duì)結(jié)構(gòu)外觀及凈空也產(chǎn)生影響。相對(duì)其他加固方法，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長、澆筑不便、工期相對(duì)長些。

加大截面加固法主要適用于以下情況：

⑴原受彎構(gòu)件的抗彎或抗剪承載能力不足，或構(gòu)件剛度不足，采用增大截面法加固效果較好；

⑵受壓構(gòu)件承載力、剛度、穩(wěn)定性不滿足要求；

⑶墩柱的主筋外露、銹蝕，混凝土空洞或破碎，墩柱傾斜；

⑷拱圈因施工質(zhì)量造成主筋外露、混凝土空洞、破碎、強(qiáng)度不夠等缺陷。

1.2粘貼纖維復(fù)合材料加固法

該方法是將纖維復(fù)合材料粘貼于構(gòu)件受拉部位或者薄弱部位的面層，使其與結(jié)構(gòu)形成整體，共同承受荷載。采用粘貼纖維復(fù)合材料加固梁、板，可提高原構(gòu)件承載力，對(duì)剛度的提高效果相對(duì)較差；也可用于加固鋼筋混凝土受壓柱，以提高其承載力、延性、耐久性等。

由于纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、施工簡捷的特點(diǎn)，特別是碳纖維，可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。

纖維復(fù)合材料在有防火要求時(shí)，需做專門處理。粘貼劑的耐久性問題、以及粘貼劑通過采用固化劑硬化后材料脆性增大的問題、防火及脆性問題，限制了該加固方法的使用范圍。

粘貼纖維復(fù)合材料加固法主要適用于以下情況：

⑴原構(gòu)件受拉主筋或腹筋配筋不足的梁和板，抗彎、抗剪加固效果較為顯著；

⑵原構(gòu)件受拉鋼筋嚴(yán)重腐蝕或受損，以致承載力無法滿足安全及使用要求；

⑶提高構(gòu)件的抗裂性，可制約裂縫的發(fā)展；

⑷以延長結(jié)構(gòu)使用年限為主要目的的耐久性加固；

⑸混凝土墩柱的抗剪、抗壓補(bǔ)強(qiáng)以及抗震延性補(bǔ)強(qiáng)。

1.3體外預(yù)應(yīng)力加固法

該方法是通過增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼材（包括鋼絞線、高強(qiáng)鋼絲束和精軋螺紋鋼筋）對(duì)構(gòu)件主動(dòng)施加外力，以改善既有結(jié)構(gòu)的受力狀況。技術(shù)關(guān)鍵，是體外預(yù)應(yīng)力筋的錨固、轉(zhuǎn)向和防腐保護(hù)問題。

這種方法不僅可以提高構(gòu)件承載能力，減小構(gòu)件撓度，而且還能對(duì)控制截面進(jìn)行“卸載”，使后加部分有效地參與工作。此法不適用于混凝土收縮徐變大的混凝土結(jié)構(gòu)，而且預(yù)應(yīng)力拉桿端部錨固處和預(yù)應(yīng)力拉桿支撐點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的集中力不利于結(jié)構(gòu)的受力。

體外預(yù)應(yīng)力加固法適用于以下情況：

⑴正截面抗彎承載力不足或正截面受拉區(qū)鋼筋銹蝕；

⑵梁抗彎剛度不足導(dǎo)致原截面超過規(guī)范規(guī)定或由于剛度太小導(dǎo)致梁的受拉區(qū)裂縫寬度超過規(guī)范規(guī)定；

⑶梁斜截面抗剪承載力不足。

1.4改變結(jié)構(gòu)體系加固法

該方法采用一定技術(shù)措施改變?cè)Y(jié)構(gòu)受力體系，降低控制截面內(nèi)力，提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的加固方式。常有加固方式有增設(shè)支承結(jié)構(gòu)加固和簡支變連續(xù)加固。

增設(shè)支承結(jié)構(gòu)加固法在既有結(jié)構(gòu)下方增設(shè)支承結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)分成幾部分，減小計(jì)算跨度，降低構(gòu)件應(yīng)力值，增加結(jié)構(gòu)剛度，適用于結(jié)構(gòu)下方仍有可利用空間（不侵占凈空的前提下）或凈空不受限制的既有結(jié)構(gòu)加固。簡支變連續(xù)加固法是通過施工工藝，將墩頂兩側(cè)簡支梁連接形成連續(xù)梁，有效減小梁控制截面彎矩，從而提高橋梁承載能力。簡支變連續(xù)體系加固法無需在橋下增設(shè)支承結(jié)構(gòu)，不影響橋梁通航和排洪能力。

1.5粘貼鋼板、鋼筋加固法

用膠粘劑把鋼板或鋼筋粘貼在原構(gòu)件受拉區(qū)表面，使新增的鋼板或鋼筋與構(gòu)件形成整體，協(xié)同工作。其中，粘貼鋼板加固可封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土變形，從而有效提高被加固構(gòu)件的剛度和抗裂性。粘貼鋼板加固法適用于鋼筋混凝土受彎、受拉和受壓構(gòu)件的加固。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要，在不同部位粘貼鋼板，有效發(fā)揮鋼板的抗彎、抗剪、抗壓性能。

采用這種加固方法簡單、快速，基本不改變既有結(jié)構(gòu)的截面尺寸，卻能提高構(gòu)件承載能力和正常使用階段性能。該加固方法適用于環(huán)境溫度不超過60℃及相對(duì)濕度較小的地區(qū)。對(duì)于常年相對(duì)濕度大于70%的環(huán)境，須有可靠防護(hù)措施。鋼板、鋼筋容易銹蝕，特別是在潮濕環(huán)境下，需對(duì)鋼板、鋼筋采取防銹處理和維護(hù)工作。

2　加固中存在的問題

不同于新建結(jié)構(gòu)，既有結(jié)構(gòu)加固有其自身的特點(diǎn)：

⑴應(yīng)根據(jù)客觀條件提出合乎實(shí)際的技術(shù)方案。

加固前，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)定，并根據(jù)評(píng)估報(bào)告進(jìn)行現(xiàn)場核對(duì)，掌握既有結(jié)構(gòu)的體系、建設(shè)材料、凈空和截面尺寸等客觀條件。加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料劣化及材料差異。施工過程中，需考慮對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)的影響。現(xiàn)場空間狹窄時(shí)，大型施工機(jī)械難以進(jìn)行施工作業(yè)。

⑵經(jīng)加固后混凝土結(jié)構(gòu)的受力特征與新建結(jié)構(gòu)有差異。

加固前，既有結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受荷載（即一次受力），原鋼筋和混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變已有一定的儲(chǔ)備；若加固時(shí)未對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行處理，加固后新增材料一般在構(gòu)件新增荷載（即二次受力）時(shí)才開始受力。二次受力中，新增部分的應(yīng)力始終滯后于原構(gòu)件累積的應(yīng)力。

原構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，尤其是既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較高，新增部分尚未達(dá)到極限狀態(tài)，材料抗力一般不能得到充分發(fā)揮利用，致使加固效果不理想或不起作用，這在加大截面加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法和粘貼鋼板、鋼筋加固法中要特別注意。

3　存在問題的處理

加固前若卸去部分荷載，情況則有所不同。由于加固前卸去部分荷載，既有結(jié)構(gòu)中原鋼筋和混凝土應(yīng)力降低，加固后新增部分應(yīng)力滯后現(xiàn)象得以降低，原鋼筋和混凝土、新增部分就可同時(shí)進(jìn)入各自的極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體承載力可顯著提高，充分發(fā)揮了新增部分的材料性能。

既有結(jié)構(gòu)卸去荷載有多種方式。可將既有結(jié)構(gòu)上的部分構(gòu)件（如橋面鋪裝、欄桿、防撞欄等）拆除，以降低原有作用效應(yīng)，直接卸載。拆除構(gòu)件期間需要中斷交通。另外，可在連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的另外一跨上增加荷載，以減少當(dāng)前跨中截面的應(yīng)力；但加載的一跨須控制其加載量，避免其出現(xiàn)破壞。以上兩種方式雖然可行，但加固前原結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力降低均有限。采用頂升方式進(jìn)行卸載，頂升控制方式可以采用變形控制，也可以采用力控制，較為準(zhǔn)確。

鑒于既有結(jié)構(gòu)為折線形連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，且原構(gòu)件的截面配筋率偏小，加固后為充分發(fā)揮新增部分的材料性能，對(duì)既有結(jié)構(gòu)實(shí)行以下加固措施：先進(jìn)行頂升卸荷，再采用現(xiàn)有的加固方法中的一種或多種方法進(jìn)行加固，如采用粘貼鋼板、鋼筋加固法和改變結(jié)構(gòu)體系加固法進(jìn)行綜合加固。

4　結(jié)語

加固既有結(jié)構(gòu)的方法雖然很多，但每種方法都有其特點(diǎn)，加固前應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)及加固結(jié)構(gòu)的二次受力進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)多種方法比較分析后采取有效的處理措施。

對(duì)既有結(jié)構(gòu)加固，當(dāng)構(gòu)件形狀不便采用體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，先進(jìn)行頂升卸荷，再采用現(xiàn)有的其他加固方法中的一種或多種方法進(jìn)行綜合加固。這種綜合加固方式，使結(jié)構(gòu)在加固后二次受力，降低了原構(gòu)件中鋼筋和混凝土的累積應(yīng)力，新增部分的應(yīng)力滯后得以減緩，充分發(fā)揮了新增材料的性能，合理可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?！?/p>

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