鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗倒塌加固方法與設(shè)計(jì)

王傳偉，宋慧敏，王爾遠(yuǎn)

(1.菏澤市建筑工程施工圖審查中心，山東 菏澤 274000；2.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 266000； 3.山東鴻達(dá)工程監(jiān)理咨詢有限公司，山東 菏澤 274900)

1 概述

隨著土木工程中材料和技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在建筑物基本上都是鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)結(jié)構(gòu)(簡稱RC結(jié)構(gòu))，只有少數(shù)是磚石和木結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在大多數(shù)民用建筑是不考慮沖擊、爆炸、罕遇地震等極端荷載造成的建筑物倒塌[1-4]，只有少數(shù)的人防工程與軍事建筑物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)倒塌產(chǎn)生的混凝土碎塊剝落與飛濺對周圍建筑的危害是不可估量的，造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。建筑結(jié)構(gòu)的倒塌是不確定的，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗倒塌加固時需要進(jìn)行連續(xù)性、分段式加固，提高結(jié)構(gòu)整體的抗倒塌能力[5-7]。

當(dāng)發(fā)生異常荷載時，建筑結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等主要受力構(gòu)件會發(fā)生局部的破壞，通過構(gòu)件之間的逐步破壞，最終導(dǎo)致整體倒塌。為了防止建筑物發(fā)生整體倒塌破壞，研究人員對結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件進(jìn)行加固，從而提高整體的抗倒塌能力[8]。因此本文總結(jié)了常用于RC結(jié)構(gòu)抗倒塌加固的材料和方法，將目前常用于抗倒塌加固的粘貼纖維復(fù)材和鋼板法進(jìn)行詳細(xì)介紹，提出了RC結(jié)構(gòu)抗倒塌加固設(shè)計(jì)流程以及抗倒塌加固概念設(shè)計(jì)方法，從增加重要構(gòu)件的延性、承載力、傳力路徑和結(jié)構(gòu)的抗力等多個方面系統(tǒng)性闡述了影響結(jié)構(gòu)倒塌的關(guān)鍵因素。

2 RC結(jié)構(gòu)抗倒塌加固主要方法

2.1 粘貼FRP

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性及抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和研究，成為繼混凝土、鋼材后的第三大建筑材料[9-11]。FRP材料的一個最常見應(yīng)用是用作外包混凝土構(gòu)件進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固，提高RC結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，目前已被用于梁、板、柱和墻的結(jié)構(gòu)加固中[12-15]。ABDULRAHMAN等[16]研究了FRP布加固RC板抗倒塌性能，通過用ABAQUS軟件模擬加固后的板，加固后的板承載能力符合規(guī)范中的抗倒塌要求。JIANG等[17]對方形混凝土截面從局部到整體采用粘貼FRP布的加固方式，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)遇到強(qiáng)烈震動，F(xiàn)RP布明顯提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。HAO等[18]研究了CFRP布加固斜拉橋在爆炸荷載下的抗倒塌，研究表明，僅在受拉側(cè)粘貼CFRP布加固效果不明顯，需要結(jié)合其他加固措施進(jìn)行抗倒塌加固。韓建平等[19]研究了CFRP加固6層RC框架在罕遇地震下的倒塌破壞，研究表明，對底層和2層RC柱加固抗整體倒塌效果最佳。呂大剛等[20]采用FRP加固非延性RC框架，只對結(jié)構(gòu)底部的塑性鉸區(qū)域加固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)上移，對結(jié)構(gòu)的抗倒塌是不利的。對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗倒塌加固時，抗倒塌能力基本上取決于結(jié)構(gòu)自身薄弱位置延性的大小。申柳雷等[21]模擬了框架梁粘貼CFRP和GFRP的加固方式，模擬結(jié)果表明，采用FRP加固時，相當(dāng)于半剛性加固，GFRP加固框架梁可以明顯提高構(gòu)件的延性和耗能能力，采用多種復(fù)合材料組合可以很大程度上提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。通過對GFRP布加固框架梁抗倒塌破壞試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生大位移變形時，GFRP布發(fā)揮抗拉能力，試件提前進(jìn)入懸鏈線階段，最終因鋼筋拉斷試件發(fā)生倒塌。大量的試驗(yàn)研究表明FRP加固RC結(jié)構(gòu)抗倒塌的延性通常與FRP材料本身的斷裂應(yīng)變有關(guān)，因此利用大應(yīng)變FRP材料斷裂應(yīng)變大的特點(diǎn)，可以增加RC結(jié)構(gòu)的延性。

2.2 粘貼鋼板

在對結(jié)構(gòu)加固抗倒塌時，在保證避免建筑物連續(xù)倒塌的同時還要求結(jié)構(gòu)的完整性，但是目前的設(shè)計(jì)人員針對結(jié)構(gòu)抗倒塌并不是設(shè)計(jì)主要考慮因素。為了避免增加結(jié)構(gòu)自重，研究人員提出一種減小加固重量的方法，以提高結(jié)構(gòu)抗倒塌的能力，這主要包括在鋼筋混凝土梁和柱采用粘貼鋼板或外包型鋼以及在鋼筋混凝土梁中部或梁柱節(jié)點(diǎn)端部增設(shè)受力鋼筋。宋波等[22]研究了在大震作用下，框架砌體結(jié)構(gòu)采用內(nèi)嵌鋼框架-鋼板帶的加固方式，研究表明，隨著地震強(qiáng)度的增加，框架砌體結(jié)構(gòu)在鋼板帶的約束下，并未發(fā)生損壞，避免了砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌。李奉閣等[23]對RC柱采用外包型鋼和增設(shè)鋼支撐局部加固的方法，提高了設(shè)防類別，滿足乙類抗倒塌要求；為了提高梁在爆炸荷載作用下的抗倒塌能力，研究了在梁的不同位置粘貼鋼板以及鋼板長度對倒塌的影響，結(jié)果表明，最佳加固方法是在梁的頂部和底部用鋼板加固，提高梁的抗彎能力[24]。高山等[25]研究了鋼板加固半剛性節(jié)點(diǎn)抗倒塌性能，采用鋼板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)增加了節(jié)點(diǎn)的延性，提高了節(jié)點(diǎn)抗倒塌能力。TAN等[26]采用焊接鋼板加固梁柱的方法，在一定范圍內(nèi)，周圍構(gòu)件提供的軸向約束對梁柱結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能影響較大。AL-SALLOUM等[27]采用螺栓鋼板加固預(yù)制節(jié)點(diǎn)，利用鋼板高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，提高了節(jié)點(diǎn)抗剪能力，當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)時，鋼板消耗能量明顯增加，提高了整體抗倒塌能力。

3 提升抗倒塌加固設(shè)計(jì)

3.1 抗倒塌加固評估

由于建筑結(jié)構(gòu)的倒塌是非線性的，因此對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌加固前的評估是一個比較復(fù)雜的過程，采用合理的評估方法是避免結(jié)構(gòu)倒塌的關(guān)鍵。目前評估人員主要從材料強(qiáng)度、構(gòu)件承載力與變形、能量等角度來評估待加固結(jié)構(gòu)的抗力水平。結(jié)構(gòu)加固抗倒塌評估還需要確定結(jié)構(gòu)、材料的特性，建立合理的計(jì)算模型，選擇不同的極端作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，并依據(jù)不同的風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)確定其倒塌風(fēng)險，結(jié)構(gòu)倒塌風(fēng)險評估各個環(huán)節(jié)中結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)及非線性對加固評估是極其重要的。對建筑物中所有構(gòu)件都進(jìn)行抗倒塌加固也是不合理的，應(yīng)該首先對構(gòu)件是否需要進(jìn)行抗倒塌加固進(jìn)行評估，其中一些結(jié)構(gòu)可能需要翻新以抵抗倒塌，對于一些通過評估之后認(rèn)為不必要加固的建筑物，可直接拆除重建，不必進(jìn)行加固。因此可根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度、自然環(huán)境(如泥石流、颶風(fēng)、山石墜落等惡劣環(huán)境)、結(jié)構(gòu)加固后要達(dá)到的抗力水平、建筑物使用功能和重要性等加固指標(biāo)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗倒塌加固。

3.2 設(shè)計(jì)流程

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗倒塌加固設(shè)計(jì)之前，通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體評估，確定待加固建筑物可以進(jìn)行抗倒塌加固，選擇加固的結(jié)構(gòu)部件，否則不必進(jìn)行加固或者拆除重建。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件位置等具體特點(diǎn)，選擇合適的加固方法，并與實(shí)際施工方法緊密結(jié)合，采取有效措施，保證新增構(gòu)件、部件與原結(jié)構(gòu)連接可靠，新增截面與原截面黏結(jié)牢固，形成整體共同工作。結(jié)構(gòu)抗倒塌加固應(yīng)根據(jù)抗力級別和受力情況做到結(jié)構(gòu)各個部位抗力相協(xié)調(diào)，并應(yīng)避免對未加固部分以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和地基基礎(chǔ)造成不利的影響，否則需要重新選擇加固方法。建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌加固，應(yīng)綜合考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，避免不必要的拆除或更換，應(yīng)充分考慮選用的加固方法對原有建筑結(jié)構(gòu)帶來的內(nèi)部使用空間變化等問題，如果不滿足內(nèi)部使用功能需要重新對加固方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此可以看出抗倒塌加固設(shè)計(jì)是一個反復(fù)性的設(shè)計(jì)過程，只要其中一步不滿足則需要重新設(shè)計(jì)，確定加固施工方案即可展開施工，完成加固施工之后，最終還需要對加固施工進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收，通過驗(yàn)收之后完成結(jié)構(gòu)抗倒塌加固，詳細(xì)加固設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3.3 抗倒塌加固方法設(shè)計(jì)

3.3.1 提高構(gòu)件變形能力

避免結(jié)構(gòu)倒塌的關(guān)鍵是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的梁、板和柱的變形能力，研究人員采用粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的方法提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，充分發(fā)揮FRP材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。一方面提高了構(gòu)件的承載力；另一方面提高了構(gòu)件的變形能力。通過在柱端、梁跨中以及板中心處粘貼FRP，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限承載力狀態(tài)時，可充分發(fā)揮懸鏈線作用，保證結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件發(fā)生失效后能夠有效防止整體倒塌。當(dāng)采用FRP布抗倒塌加固時一般粘貼層數(shù)不超過4層，如果通過加固評估之后需要粘貼4層以上FRP布，此時可采用粘貼FRP板提高結(jié)構(gòu)的變形能力，如圖2所示。

3.3.2 改變結(jié)構(gòu)傳力體系

為了增加建筑物內(nèi)部使用空間，大跨度結(jié)構(gòu)中梁的跨度與板的面積均超過普通構(gòu)件跨度，為了防止大跨度結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，通過增設(shè)支點(diǎn)改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，增設(shè)支點(diǎn)位置如圖3所示。當(dāng)柱被移除時，梁的跨度增加，并且在大多數(shù)情況下會導(dǎo)致更大的撓度，因此為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，讓結(jié)構(gòu)有可靠的可替代傳力路徑，從而避免連續(xù)倒塌的發(fā)生，可替代傳力路徑對于結(jié)構(gòu)抗倒塌至關(guān)重要。選擇支承結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的材料類型，應(yīng)根據(jù)被加固結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境及使用要求確定，采用新增支點(diǎn)改變梁、板和柱傳力路徑時，新增的支柱、支撐的上端應(yīng)與被支撐的構(gòu)件可靠連接，支承下端可直接支承于基礎(chǔ)上，也可以通過梁、柱進(jìn)行斜支承，并且均進(jìn)行基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算。

3.3.3 增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接處

當(dāng)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)承重柱發(fā)生失效，此時主次梁上部荷載將會重新分布，梁的跨度增大，荷載傳遞路徑減少，就會造成節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生集中荷載，引起結(jié)構(gòu)局部倒塌甚至整體倒塌，為了抵抗建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，提高構(gòu)件的抗剪能力，避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。在節(jié)點(diǎn)處可以適當(dāng)增加配筋，提高節(jié)點(diǎn)處的延性與承載力，達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的目的，通過對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗倒塌加固，提高了梁板的彈塑性作用區(qū)間段，如圖4所示。對于混凝土構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處可以采用現(xiàn)澆混凝土、鋼板加固等方式提高節(jié)點(diǎn)承載力；對于鋼框架，應(yīng)采用焊接或螺栓帶肋鋼板的復(fù)合連接點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)處有一定的轉(zhuǎn)動能力，防止連續(xù)倒塌。

4 結(jié)論

總結(jié)了目前對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌加固的現(xiàn)狀，介紹了常用的加固方法對提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力與構(gòu)件承載力的作用效果。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗倒塌加固時，為了避免不必要構(gòu)件的加固，本文提出了對結(jié)構(gòu)抗倒塌加固之前需要先進(jìn)行評估，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要程度、結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用功能等方面進(jìn)行選擇抗倒塌加固方法。結(jié)合目前對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌加固的研究現(xiàn)狀，對今后提高結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下幾個方面：

1)由于缺乏足夠的連續(xù)加固，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可能容易發(fā)生連續(xù)倒塌，因此應(yīng)對待加固部件相鄰構(gòu)件進(jìn)行同等抗倒塌加固。

2)目前對結(jié)構(gòu)抗倒塌加固的研究局限于有限元模擬與構(gòu)件層面，還應(yīng)進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)體系抗倒塌加固進(jìn)行研究。

3)對抗倒塌加固之后的構(gòu)件需要進(jìn)行定期健康監(jiān)測與維護(hù)，可以進(jìn)一步研究遭受多次沖擊荷載等異常荷載的作用，加固構(gòu)件的抗倒塌能力。