鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用研究

安紅燦

（江蘇振濱裝飾工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)工程應(yīng)用中是最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，但隨著時(shí)間的推移，上世紀(jì)七八十年代的房屋建筑結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了不同程度的安全隱患與質(zhì)量問(wèn)題，這主要是由于施工過(guò)程存在缺陷、結(jié)構(gòu)使用功能發(fā)生改變、荷載增加、自然災(zāi)害等因素，導(dǎo)致早期建筑物出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、承載力降低、抗震性能變差等影響結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題。若對(duì)這類(lèi)建筑進(jìn)行拆除重建，不僅要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，還會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，嚴(yán)重污染城市環(huán)境。所以對(duì)于一些存在問(wèn)題的建筑物往往不會(huì)拆除重建，而是進(jìn)行安全檢測(cè)，當(dāng)判定被檢結(jié)構(gòu)確實(shí)存在安全隱患時(shí)，采用適當(dāng)?shù)募庸谭椒▉?lái)提高這些建筑的承載力，增強(qiáng)其抗震性能，延長(zhǎng)其使用壽命。目前，比較常見(jiàn)的加固方法有增大截面法、外包鋼加固法、粘鋼法、置換混凝土加固法、粘貼碳纖維加固法、預(yù)應(yīng)力加固以及復(fù)合加固法。

1 常用加固方法

1.1 增大截面法

增大截面法，適用于受壓和受彎的鋼筋混凝土構(gòu)件，即通過(guò)增加原構(gòu)件的橫截面面積、增設(shè)鋼筋或同時(shí)增加構(gòu)件面積和配筋來(lái)提高結(jié)構(gòu)承載力、剛度、穩(wěn)定性，同時(shí)也可用來(lái)修復(fù)混凝土裂縫提升耐久性（見(jiàn)圖1）。增大截面法有單面加固、雙面加固和四周包裹等不同形式。同等加固厚度時(shí)，雙面加固較單面加固承載力提高較多。增大截面法施工工藝簡(jiǎn)單，適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)效益好。但是作業(yè)量大，養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重并減少建筑物的使用空間，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較大。蔣濟(jì)同等[1]對(duì)增大截面法加固試件承載力進(jìn)行研究，研究表明當(dāng)加固前構(gòu)件所受彎矩值和極限彎矩值比小于等于90%時(shí)，新增鋼筋強(qiáng)度利用率較高，具有較大的安全儲(chǔ)備。黃建鋒等[2]采用增大截面法加固震損鋼筋混凝土框架，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)的承載力大幅度提高，變形和耗能能力明顯改善。

圖1 增大截面法

1.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法，主要應(yīng)用于偏心受壓和受彎構(gòu)件，常用于鋼筋混凝土柱、梁的加固，主要是采用橫向綴板為連接件，將型鋼或角鋼包在需加固構(gòu)件的四周或兩側(cè)來(lái)提高構(gòu)件承載力、延性和剛度的一種方法（見(jiàn)圖2）。

圖2 外包鋼加固法

外包鋼加固法分為干式外包和濕式外包兩種方法：干式法直接把型鋼外包于原構(gòu)件，中間雖填有水泥砂漿但兩者沒(méi)有很好地連接成一個(gè)整體，不能保證結(jié)合面能有效地傳遞剪力；濕式法采用乳膠水泥、環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿或焊接等方法將型鋼與構(gòu)件黏結(jié)成一個(gè)整體共同工作，在實(shí)際工程中濕式法采用較多。外包鋼加固法型鋼與原構(gòu)件之間協(xié)同工作能力較好，整體性好，對(duì)原構(gòu)件截面尺寸影響較小，施工方便，工期短，適用范圍廣，但是用鋼量大，耐高溫耐腐蝕性能較差，造價(jià)相對(duì)較高。張正濤等[3]采用有限元軟件分別對(duì)原構(gòu)件和外包鋼加固的鋼筋混凝土柱進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比發(fā)現(xiàn)外包鋼板可提高柱子承載力，延緩縱向鋼筋屈服，且綴板間距越小，加固效果越好。張正濤等[4]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)外包鋼加固火災(zāi)后鋼管混凝土疊合柱的軸壓性能進(jìn)行計(jì)算模擬，結(jié)果顯示，加固受火后的試件承載力和剛度提高較大，超過(guò)了未加固的常溫下試件；隨受火時(shí)間的增長(zhǎng)，加固效果逐漸減弱；增大外包鋼厚度，承載力及剛度提升更為顯著。

2.3 粘鋼法

粘鋼法是指采用粘鋼膠將鋼板按照相關(guān)的加固設(shè)計(jì)要求直接粘貼在需加固構(gòu)件的表面，使新舊結(jié)構(gòu)共同作用。該方法可有效提高原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪、抗震和穩(wěn)定性。粘鋼法一般適用于受彎和受拉構(gòu)件，對(duì)建筑空間影響較小，施工快捷，無(wú)濕作業(yè)，但加固效果對(duì)施工工藝要求較高（見(jiàn)圖3）。

圖3 粘鋼法

2.4 粘貼碳纖維加固法

粘貼碳纖維加固是指使用膠粘劑將碳纖維（布和板）沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在構(gòu)件的表面，使其共同工作，提高構(gòu)件的抗剪、抗彎、抗裂和延性等性能。碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、高彈模，且具有良好的黏合性、抗腐蝕性、抗疲勞性。粘貼碳纖維加固不占用建筑空間，施工簡(jiǎn)單，無(wú)需大型機(jī)具，沒(méi)有濕作業(yè)，施工工效高，工期短，對(duì)環(huán)境影響較小，但價(jià)格高，耐火性能差。在施工過(guò)程中若基底處理不當(dāng)、錨固措施不合理或膠黏劑質(zhì)量不好，碳纖維材料容易發(fā)生剝離，不能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，并且對(duì)撓度過(guò)大的受彎構(gòu)件或開(kāi)裂嚴(yán)重的混凝土構(gòu)件難以有效地增強(qiáng)剛度。適用于受彎、受剪、軸心受壓、大偏壓和受拉混凝土構(gòu)件。李茜莎[5]使用有限元軟件對(duì)不同包裹方式的碳纖維加固框架柱進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明粘貼碳纖維提高了構(gòu)件承載力、剛度和耗能能力，且兩端包裹的效果優(yōu)于均勻包裹。高培琦等[6]對(duì)不同長(zhǎng)度和錨固數(shù)量的碳纖維布加固混凝土梁進(jìn)行靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明碳纖維布加固可減少裂縫寬度，改善梁的變形能力，提高承載力。隨著纖維布用量的增加，構(gòu)件抵抗彎曲變形的能力隨之提高，但當(dāng)纖維布粘貼過(guò)量時(shí)，構(gòu)件延性會(huì)降低，易發(fā)生脆性破壞。隨著錨固數(shù)量的增加，構(gòu)件峰值荷載對(duì)應(yīng)的撓度降低（見(jiàn)圖4）。

圖4 粘貼碳纖維加固

2.5 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法，是將原混凝土構(gòu)件中的破損部分鑿除至密實(shí)部位，用強(qiáng)度高的新混凝土澆灌置換，使新舊兩部分黏合成一體共同工作，提高構(gòu)件的安全性能。該方法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的局部加固。置換混凝土加固法優(yōu)點(diǎn)是不改變構(gòu)件原貌，不占用使用空間，但剔除混凝土的工作量大，施工濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，且鑿除舊混凝土?xí)r存在安全隱患（見(jiàn)圖5）。

圖5 置換混凝土加固法

2.6 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是指對(duì)加固構(gòu)件提前施加一部分預(yù)應(yīng)力或變形，來(lái)減小或抵消不希望出現(xiàn)的力和變形。預(yù)應(yīng)力加固法按加固對(duì)象分為預(yù)應(yīng)力拉桿加固和預(yù)應(yīng)力撐桿加固。預(yù)應(yīng)力拉桿加固適用于大偏心受壓構(gòu)件，鋼拉桿布置在受壓構(gòu)件的受拉側(cè)，施加預(yù)應(yīng)力后，能降低構(gòu)件的內(nèi)力，提高構(gòu)件的承載力。軸心受壓和小偏心受壓構(gòu)件應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力撐桿加固，分別在軸壓構(gòu)件的兩側(cè)和偏壓構(gòu)件的壓力較大側(cè)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼撐桿，可改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，減小結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。預(yù)應(yīng)力加固法主要適用于需大幅度提高承載力、剛度和抗裂性及加固后占空間小的混凝土承重結(jié)構(gòu)，尤其是高應(yīng)力狀態(tài)下的大跨結(jié)構(gòu)，如鋼筋嚴(yán)重銹蝕柱等。但這種方法的缺點(diǎn)是在施工時(shí)需要有專(zhuān)門(mén)的預(yù)應(yīng)力設(shè)備，施工工序復(fù)雜，且不適用于混凝土收縮徐變過(guò)大的結(jié)構(gòu)。由于橋梁結(jié)構(gòu)自重及跨度一般較大，在加固工程中較多應(yīng)用預(yù)應(yīng)力加固。鄭永瑞等[7]采用體外預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)T型梁進(jìn)行加固，與未加固粱相比，加固后試件承載提高約50%，撓度減小約85.74%，加固效果較好。楊勇等[8]采用曲線(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)某大型體育場(chǎng)進(jìn)行加固，加固修復(fù)后提高了看臺(tái)板的承載力、抗變形和抗裂能力，整體加固效果性?xún)r(jià)比較高（見(jiàn)圖6）。

圖6 預(yù)應(yīng)力加固法

2.7 復(fù)合加固法

復(fù)合加固是將兩種及其以上的加固方法或兩種高性能材料組合到一起的加固方法，在適當(dāng)?shù)奈恢貌扇『侠淼募庸谭椒òl(fā)揮出其優(yōu)點(diǎn)。朱萬(wàn)旭等[9]針對(duì)碳纖維加固技術(shù)如錨固難度大、碳纖維板易斷裂、抗沖擊能力差等缺點(diǎn)提出了預(yù)應(yīng)力加筋碳纖維板，使兩種材料在加固中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了構(gòu)件的變形能力，且施工方便，經(jīng)濟(jì)效益好。崔毅[10]對(duì)某橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出單一的加固方法效果有限，于是提出了預(yù)應(yīng)力鋼絲繩與外貼FRP布相結(jié)合的組合加固技術(shù)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證了該復(fù)合加固方法的可靠性（見(jiàn)圖7）。

圖7 復(fù)合加固法

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)既有破損鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，是保障建筑安全、適用、耐久的關(guān)鍵。針對(duì)不同工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況應(yīng)采用不同的加固方式，使建筑物性能得到提升，滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，增大截面法、外包鋼加固等較為常見(jiàn)，技術(shù)相對(duì)成熟，可大幅度提升構(gòu)件的剛度與承載能力，加固效果較好。由于新材料的不斷出現(xiàn)，粘貼纖維類(lèi)對(duì)受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂加固效果較好。隨著加固技術(shù)的提升，復(fù)合加固可充分發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也逐漸得到工程界的關(guān)注。新材料與新技術(shù)，尤其是裝配式技術(shù)在加固工程中的應(yīng)用，是未來(lái)加固領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。