鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑加固改造關鍵技術(shù)分析

道杰

青海民族大學 基本建設處,青海 西寧 810007

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑加固改造關鍵技術(shù)分析

道杰

青海民族大學 基本建設處,青海 西寧 810007

隨著建筑物使用年限的增加，建筑結(jié)構(gòu)會由于自身的老化、自然災害或者人為的損害而出現(xiàn)不同程度的破壞，從而引起安全隱患。本文根據(jù)相關的檢測結(jié)果判斷建筑物構(gòu)件的損害程度，并對混凝土構(gòu)件加固改造過程中的一些關鍵技術(shù)進行分析。

建筑結(jié)構(gòu);加固技術(shù);計算分析

鋼筋混凝土構(gòu)件如同其他產(chǎn)品一樣都有相應的使用年限，當達到使用年限時候就不能再使用，中途有損傷時候就需要修復加固。混凝土加固技術(shù)有兩方面含義，一是在建筑物形成之初，由于施工技術(shù)不合理存在質(zhì)量缺陷從而使得建筑物不符合建筑設計要求，但是國內(nèi)相關法律法規(guī)指出對于不符合設計要求的施工經(jīng)過修復加固之后滿足設計要求，則允許驗收合格；二是隨著時間的推移，建筑物由于自身老化、自然災害或者人為的損害等造成建筑出現(xiàn)不同程度破壞，存在使用安全隱患，因此需要加固處理才能繼續(xù)使用。

加固最根本的原則就是加固后的構(gòu)建能夠滿足當初最早的設計要求和目前的功能性使用要求。

1 非破壞性的檢測方法

進行加固之前首先要進行相損傷檢測。。傳統(tǒng)的檢測方法主要是破損的方法，主要分為鉆芯法和拔出法，他們的缺點很明顯主要進行相關結(jié)構(gòu)的外觀破壞，相比之下非破損法進行檢測就得到快速的發(fā)展[1]。非破損法主要是分為回彈法和超聲脈沖法。超聲脈沖法。它的主要是原理是利用產(chǎn)生波介質(zhì)內(nèi)部傳遞時候，在不同屬性的介質(zhì)內(nèi)部傳遞的物理屬性是不同，這些物理屬性都是可以利用相關的曲線描述出來。

公式1反應超聲波在鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部傳播速度和各個因子之間的關系。Ed是混凝土構(gòu)件的彈性模型，ρ是材料密度，m是系數(shù)，v是超聲波傳遞的速度。采用相應的傳感器進行檢測，將信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字，在實際檢測過程當中分時將信號分解為若干個小分層，進行不同方向的檢測，從而提高信噪比和分辨率，根據(jù)電腦客戶端的信號圖就能判斷鋼筋混凝土構(gòu)件損傷的程度[2]。下表1和表2反應這完整混凝土構(gòu)件和損傷混凝土構(gòu)件檢測結(jié)果的差別。

表1 無損傷混凝土柱子超聲波探測Table 1 Ultrasonic detection for non-damaged concrete columns

表2 無損傷混凝土柱子超聲波探測Table 2 Ultrasonic detection for non-damaged concrete columns

由上表可以很直接的看出，收到損傷的混凝土構(gòu)件超聲檢測時候和萬豪無缺的混凝土構(gòu)件對應的一介頻率有著細微的差別，受損傷的混凝土梁其對應的一介頻率比無損傷混凝土梁對應的一介頻率的平均值25.4 Hz小了很多，而且可以看出損傷越大，其對應的差值比例越大。通常情況下，不是一種單一的檢測工具進行檢測的，超聲波能夠檢測出混凝土構(gòu)件破壞的程度，而回彈性是能夠彈出損后的混凝土構(gòu)件的強度，因此如果進行量化分析加固損傷后的混凝土構(gòu)件，需要兩種檢測方式結(jié)合使用[3]。

2 混凝土構(gòu)件的加固

2.1 混凝土梁、板加固

混凝土梁板不能滿足當下實際承載力的需要，通常有以下原因，一是設計承載力和目前使用承載力不同導致現(xiàn)在結(jié)構(gòu)受力不能滿足實際需要，二是施工過程當中的錯誤，實際尺寸和設計有差別，實際配筋和設計不符合，三是損傷破壞不能滿足實際使用需求。對于每種不同的形式采用不同的加固方法。

增大截面積的方法。它主要是針對在施工過程當中由于施工的原因?qū)е碌幕炷亮喊宓某叽绾蛯嶋H差別很大的時候采用的一種加固方法。在實際過程當可以采用兩面或者三面的方法進行加固，在寬度和高度兩個緯度進行加固施工，從而提高混凝土構(gòu)件梁板的受力截面積。如下圖2，增大有效受力截面積的加固方法。

圖2 增大有效受力截面積的加固方法Fig.2 The reinforcement method for increasing effective sectional area of force

無論是增加受力混凝土截面的面積還是增加受拉鋼筋都是為了提高混凝土構(gòu)件的剛度、撓度，極限承載力等。在加固施工過程當中，必須將原混凝土的表面鑿毛將內(nèi)部碎石裸露出來，同時如有鋼筋露出，要進行鋼筋除銹，然后將接觸面清洗干凈，這樣提高新舊混凝土的結(jié)合力，必要時可以添加高強粘結(jié)劑。另外在混凝土構(gòu)件受拉部位增加鋼筋的時候，應首先考慮植入鋼筋的方法后考慮焊接的方法，這樣提高鋼筋和原混凝土的作用力[4]。

加鋼材的方法。在建筑結(jié)構(gòu)受力區(qū)域增加一定的鋼板，根據(jù)國內(nèi)外相關的經(jīng)驗此方法有一定的效果。其原理是在混凝土截面積的不變的前提下增加了配筋率。其施工重點是將混凝土構(gòu)件的表面打磨清洗干凈，利用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)材料將鋼板和混凝土構(gòu)件有效結(jié)合在一起，另外在必要的時候可以采取植鋼筋的方法增加錨固，因此也能有效提高鋼板和混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合力，從而提高構(gòu)件的極限承載力、抗剪切力和抗彎能力等。

2.2 混凝土柱子的加固

針對混凝土柱子堅固技術(shù)，應該了解混凝土柱子破壞的原理，才能有針對性的采用相應的措施進行加固。目前建筑物采用得最多的形式就是框架結(jié)構(gòu)，在一定高度內(nèi)，建筑主要是通過柱子傳遞豎向荷載，因此鋼筋混凝土柱子的性能就得到重視。柱子主要破壞形式主要是小偏心的受壓破壞和大偏心的受壓破壞（受拉破壞）。小偏心受壓破壞主要應力較大的一側(cè)出現(xiàn)的是一道裂痕，同時對應的一側(cè)鋼筋沒有達到屈服強度而變形。柱子受到大偏心受壓的時候，往往在受拉力區(qū)域的邊緣分區(qū)出現(xiàn)直線裂縫，隨著作用力的不斷加大，整條裂縫出現(xiàn)加長的趨勢，同時相應的受壓區(qū)域開始逐步變小，受拉鋼筋開始逐步屈服，最終達到屈服強度而發(fā)生破壞。

增大截面積的方法加固。目前主流的加固柱子的方法是增大柱子的截面積，必要時添加相應的鋼筋，可以采用在水平地面植入鋼筋或者將原來的柱子鋼筋剝離出來進行焊接。這樣能夠大幅度提高柱子的抗壓能力、抗震能力。如下圖3所示，增加截面和新加鋼筋的方法提高柱子的力學性能。

圖3 增加柱子截面積和配筋示意圖Fig.3 Sketch of increasing column sectional area and reinforcement

在增加截面積和配筋的過程當中，首先要進行原柱子的表面鑿毛和清洗干凈，通過植入鋼筋的方法增加鋼筋，必要時要做拉拔試驗，檢驗植入鋼筋的力學性能。新加箍筋就是將原來的柱子包裹起來即可。提高損傷柱子的力學性能的方法不止一種，也可以采用碳纖維布和角鋼結(jié)合的方法增加柱子的力學性能。它主要是利用碳纖維布的粘結(jié)力將角鋼固定在柱子的四周，間接增加相應的配筋率，從而提高鋼筋混凝土柱子的力學性能[5]。

3 混凝土加固技術(shù)的承載力計算

3.1 計算基本假設

由于加固的鋼筋混凝土構(gòu)件和一次成型的混凝土構(gòu)件在力學性能上存在一定的差異，因此我們認為在計算加固之后計算混凝土構(gòu)件之前做出相應的計算假設。一是在新添加混凝土和原混凝土構(gòu)件形成一個整體，其力學性能和原混凝土構(gòu)件力學性能呈現(xiàn)線性的關系；二是不記混凝土的抗拉強度；因此得出一下的結(jié)論；當混凝土構(gòu)件受壓時，對應的應力-應變關系是：

注釋：fc是混凝土軸心抗壓強度設計值，e0是混凝土構(gòu)件壓力與構(gòu)件強度設計相同時對應的應變，最低取值0.002。ecu為正截面的混凝土極限應變，最大值取0.0033，當軸心受壓時取值e0。fcu.k是標準立方體構(gòu)件的強度標準值。N是系數(shù)，最大值為2。

3.2 增大截面積對應的方法計算

增大截面積的加固方法，對應受彎曲構(gòu)件對應的受力示意圖，見圖4.

圖4 加固構(gòu)件時受彎曲構(gòu)件的受力示意圖Fig.4 Stress of the bent member when the member is strengthened

其主要的受力分析是根據(jù)上文的計算假設，新添加的混凝土部分和和原本的構(gòu)件對應的力學性能是線性的關系，在增加鋼筋的同時，其對應的受彎曲的彎矩圖如圖4中右圖。我們可以看出加固的部分對應的力學性能（陰影部分）已經(jīng)完全融入原本混凝土構(gòu)件的力學性能當中，在下影線出現(xiàn)新加混凝土的力學性能，因此我們可以根據(jù)上文的力學假設，建立新添加混凝土增大截面積的加固方法對應的力學公式，進行檢驗承載力師是否滿足當初的設計要求。

注釋：M是設計彎矩值。fy是新加受拉鋼筋強度設計值。As新增加的截面積。h0h1新舊混凝土構(gòu)件對應的截面積。是原抗拉和抗壓設計值。

對于增大截面積的方法，加固的結(jié)果只要加固后的實際承載力實驗值大于原先的設計值，則加固是有效的。如圖5所示，混凝土簡支梁的破壞形式。

圖5 混凝土簡支梁的破壞形式Fig.5 Destructional modes of concrete simply supported beams

我們針對上圖5中右圖中的斜壓破壞的簡支梁進行加固處理，再進行加固前后是實驗數(shù)據(jù)得到下表4。

表4 實驗前后的數(shù)據(jù)Table 4 Data before and after experiment

備注，上述的實驗數(shù)據(jù)在植入鋼筋Q235三級鋼的前提下進行加固的。

通過上述的數(shù)據(jù)可見，由于加固的界面是B*H=(180-160)*(200-180)=20*20，得出數(shù)據(jù)是加固后加固前加固后加固前M。因此上述的加固方案是有效的。

上述計算對應的只是簡單的一面增加截面積的方法進行計算，但是兩面或者四面對應的計算方法是一樣的，原因在于基于之前的假設，新加混凝土構(gòu)件的力學性能和原本的力學性能是存在相應的線性關系，所以一面和另外一面對應的力學性能也是相應的線性關系。同時由于我們計算的是受彎曲構(gòu)件，我們知道當混凝土簡支梁的受力其實只是一邊受力，當受力的那一面承載力能夠滿足要要求，那么另外一面肯定是達不到屈服強度而變形，因此正常情況下，只是增加一面的截面積。

上文介紹了受彎曲界面的加固方法受力分析計算，下面是混凝土受壓力的加固方法計算內(nèi)容。當混凝土柱子的豎向承載力達不到要求的時候，可以采用增大界截面積的方法提高凝土柱子豎向承載力既是受壓同時可以采用四周包裹碳纖維布并且加固角鋼的方法提高柱子的受壓力。

進行碳纖維布和角鋼加固混凝土柱子計算的時候，主要注意的地方是要測量角鋼和碳纖維布復合的部分的面積，只有角鋼覆蓋下的碳纖維的作用才能完全作用在角鋼上，這樣才會按滿足之前的計算假設，新添加的構(gòu)件和原本的構(gòu)件存在一定的線性關系。同時采用角鋼加固的形式主要是針對配筋率不能滿足梁柱截面的構(gòu)件，或者鋼筋裸露的混凝土構(gòu)件。

4 結(jié)論

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，加固技術(shù)在建筑行業(yè)也是越來越重要了，因此本文的研究也是有重要的意義。

（1）混凝土構(gòu)件加固當中，技術(shù)比較難的是判斷混凝土構(gòu)件的損傷程度，針對不同的構(gòu)件不同的受力分析造成不同的損傷，進行不同的方法進行修復。本文是推薦采用的超聲波和回彈儀結(jié)合的方式進行測量進行量化分析；

（2）無論是采用任何方式加固，其本質(zhì)原理都是增加配筋或者受力面積。另外在加固施工當中，新舊混凝土構(gòu)件的結(jié)合是非常重要的，必須將原本的混凝土構(gòu)件表面進行鑿毛處理，清洗干凈；

（3）加固技術(shù)的最后的關鍵是判斷是否加固的方案能否滿足最初設計要求和現(xiàn)在使用的承載力要求。

[1]婁德利.淺談建筑結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土加固技術(shù)方法[J].黑龍江科技信息,2012(13):279

[2]劉國恩.論建筑結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土加固技術(shù)方法[J].城市建設,2010(23):382-383

[3]羅苓隆.加大截面加固中心受壓鋼筋混凝土柱的試驗研究[J].四川建筑科學研究,1994(1):18-23

[4]高劍平,潘景龍.新舊混凝土結(jié)合面成為受力薄弱環(huán)節(jié)原因初探[J].混凝土,2000(6):44-46

Analysisof KeyTechnologies forStrengthening and Retrofitting Buildingwith Reinforced Concrete Structures

DAO Jie
Infrastructure Project Department of Qinghai Nationalities University,Xining810007,China

With the increase in the useful life of buildings,its structures will be damaged at different degrees due to its aging,natural disasters or man-made damage so as to cause potential safety hazards.This paper judged the damaged extent of the building according to the relevant detection results and analyzed some key technologies during the reinforcement and reinforcement for the reinforced concrete structures of the building.In this paper,the damage degree of building components is judged according to the relevant test results,some key technologies during the reinforcement and reconstruction of concrete components are analyzed.

Building structure;reinforcement technology;calculation and analysis

TU375

A

1000-2324(2017)04-0511-05

2017-02-11

2017-03-20

道 杰(1977-),男,本科,高級工程師.主要研究方向為建筑工程.E-mail:gwengao@sina.com