房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)的加固施工技術(shù)*

周立宏

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展,對工程結(jié)構(gòu)性能要求不斷提高,原有工程老齡化與長期損耗后材料劣化等引起結(jié)構(gòu)安全問題。未超過結(jié)構(gòu)使用年限的建筑物拆除重建浪費社會資源,對既有結(jié)構(gòu)加固改造是工程師面臨的重要問題。隨著我國城市化進程加快,各地舊式建筑物面臨改造利用趨勢,鋼筋砼結(jié)構(gòu)在我國建筑業(yè)中占比很大,建筑結(jié)構(gòu)加固學(xué)科主要研究恢復(fù)受損建筑物使用功能,混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是對受損建筑物構(gòu)件加固恢復(fù)安全性?！痘炷两Y(jié)構(gòu)加固規(guī)范》提出加固方法與使用技術(shù)。近年來我國鋼筋砼結(jié)構(gòu)建筑物加固方面研究取得一定成就,但對加固方法選用停留于經(jīng)驗層面,很少有學(xué)者從技術(shù)經(jīng)濟性等各方面進行系統(tǒng)化研究,深入研究房建工程混凝土結(jié)構(gòu)加固施工技術(shù)具有重要意義。

1 房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)加固分析

20世紀(jì)建筑工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用得到快速發(fā)展,結(jié)構(gòu)體系由于人為破壞等原因,建筑物使用中存在很多安全隱患,初建項目因設(shè)計施工管理等問題造成出現(xiàn)各種質(zhì)量問題,應(yīng)及時采取措施加強結(jié)構(gòu)加固,保證建筑質(zhì)量安全[1]?；炷灵_發(fā)后強度不斷提高,混凝土結(jié)構(gòu)因材質(zhì)劣化造成過早失效,我國鋼筋砼結(jié)構(gòu)在工業(yè)民用建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,早期建筑物需要采取適當(dāng)加固補強技術(shù)措施滿足建筑物耐久性要求。

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)建筑加固的必要性

建筑結(jié)構(gòu)加固原因分為主客觀因素,包括人為損壞,自然災(zāi)害與功能改變等?；炷两Y(jié)構(gòu)加固前需要分析原結(jié)構(gòu)損傷缺陷,混凝土結(jié)構(gòu)加固原因主要是使用損傷缺陷與超過設(shè)計期限?；炷两Y(jié)構(gòu)加固設(shè)計施工要確保原有結(jié)構(gòu)性能,考慮使用功能造價成本等進行改善,要分析荷載取值條件,遵循抗震設(shè)防原則,進行承載力驗算[2]。我國結(jié)構(gòu)加固方面作出大量研究,頒布許多規(guī)范規(guī)程,主要包括《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》等。

建筑結(jié)構(gòu)加固是建筑業(yè)的新興學(xué)科領(lǐng)域,主要研究對原有建筑結(jié)構(gòu)部件改造提高承載力。建筑業(yè)發(fā)展經(jīng)歷大規(guī)模新建與加固階段,許多發(fā)達(dá)國家進入維修加固階段,我國社會處于大規(guī)模城鎮(zhèn)化發(fā)展時期,面臨老舊建筑維修加固改造建設(shè)[3]。我國現(xiàn)有工業(yè)民用建筑屋面及在600億m2以上,20%以上建筑物投入使用超過30年,建筑物使用中由于結(jié)構(gòu)老化等自然災(zāi)害與人為損傷原因?qū)е庐a(chǎn)生安全隱患,新建建筑物因勘察設(shè)計技術(shù)管理問題出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題,建筑結(jié)構(gòu)改造加固成為我國建筑業(yè)的發(fā)展方向。混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類建筑中,主要優(yōu)點是可塑性強,防火持久性強,造價維護成本低。隨著我國經(jīng)濟實力的提高,人們對房屋建筑結(jié)構(gòu)安全要求不斷提高。我國是多自然災(zāi)害國家,目前施工管理存在很多問題,對具有重要作用的建筑超出原有結(jié)構(gòu)使用年限后進行結(jié)構(gòu)加固是延長壽命的主要手段。

1.2 房建工程砼結(jié)構(gòu)加固要求

混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是對損傷建筑物加固恢復(fù)使用功能,混凝土結(jié)構(gòu)加固分為直接與間接法,直接加固根據(jù)工程實際選用置換法,粘貼纖維復(fù)合材料法等,間接加固采用外加預(yù)應(yīng)力法等,應(yīng)用實際工程中加固方法有增大截面加固法,外粘型鋼加固法等。改造加固工程包括設(shè)計與施工階段,設(shè)計中要考慮新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同工作問題,充分認(rèn)識了解原結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,損傷情況等;施工階段保證進度質(zhì)量,采取卸荷措施減小原結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

舊建筑改造加固不同于新建項目,對施工技術(shù)工藝要求較高,設(shè)計受到原有結(jié)構(gòu)受力性能的影響,結(jié)構(gòu)設(shè)計施工中要保證結(jié)構(gòu)性能下降低施工條件要求等,加固設(shè)計施工要求遵循結(jié)構(gòu)體系總體與加固方案效應(yīng)原則,先鑒定后加固原則。加固后的混凝土結(jié)構(gòu)抗力性能不同于原結(jié)構(gòu),原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變存在壓縮變形,加固改造是對結(jié)構(gòu)二次受力,加固后結(jié)構(gòu)是新舊重新組合結(jié)構(gòu),混凝土結(jié)合面抗剪強度低于澆筑砼,決定加固設(shè)計計算不同于新建結(jié)構(gòu)。房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)加固工作包括可靠性鑒定,加固方案優(yōu)選設(shè)計與施工組織驗收等。實際工程中要選擇多種加固方法配合使用才能達(dá)到預(yù)期效果。加固后避免破壞原有結(jié)構(gòu)受力體系,加固方案設(shè)計要考慮經(jīng)濟性條件。

2 房屋混凝土建筑結(jié)構(gòu)加固施工技術(shù)

房屋建筑質(zhì)量是人們關(guān)注的焦點,政府持續(xù)頒布完善建筑規(guī)范等,針對施工設(shè)計機構(gòu)進行嚴(yán)格限制,為降低質(zhì)量風(fēng)險事故產(chǎn)生等帶來保障。由于眾多老舊建筑耐久性不能滿足使用要求,施工設(shè)計單位在工程建設(shè)中存在違規(guī)情況,混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)作為對老舊建筑再利用手段,成為房屋建筑業(yè)的重要環(huán)節(jié)。房建工程混凝土結(jié)構(gòu)加固有多種方法,要結(jié)合工程實際選擇適合的加固施工技術(shù)。

2.1 截面加大加固法

截面加大加固是增大構(gòu)件橫截面積提供承載力,適用于鋼筋砼受壓構(gòu)件加固,僅在受壓區(qū)加固受彎構(gòu)件時可做疊合式受彎構(gòu)件設(shè)計,隨著加固技術(shù)的發(fā)展,加大截面加固法不斷完善。截面加固法優(yōu)勢是技術(shù)承受操作簡單,提升結(jié)構(gòu)承載力效果好,可適用于梁柱體等混凝土構(gòu)件加固。缺陷是養(yǎng)護時間長,對結(jié)構(gòu)外形等造成影響。預(yù)設(shè)鋼材腐蝕等風(fēng)險高,結(jié)構(gòu)受力方向未發(fā)生變化,對接面造型處理與材料性能等因素有關(guān)。增大截面加固法設(shè)計中要考慮新增部分與原結(jié)構(gòu)受力承載問題,加固結(jié)構(gòu)力作用下產(chǎn)生剪力等復(fù)雜應(yīng)力,新老結(jié)構(gòu)對接面是受力薄弱環(huán)節(jié),開裂造成剝離自受力。研究結(jié)合面粘性性能,改善結(jié)合面施工工藝對促進加固改造技術(shù)發(fā)展具有工程應(yīng)用價值。

2.2 外包鋼加固法

外包鋼加固是將鋼板等建材外包于鋼砼結(jié)構(gòu)表面,增強結(jié)構(gòu)整體剛度實現(xiàn)加固目的。利用束縛原理結(jié)構(gòu)增強承載力,矩形截面柱在四角外包角鋼,圓形截面柱多用偏鋼加套箍。適用于要求較大增強截面抗震的鋼砼柱體等方面加固,根據(jù)粘結(jié)形式分為外粘型與無粘接外包加固法。外包鋼加固法優(yōu)點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強等,適用于需要較大增強承載力的造型加固?？蚣軜?gòu)型主要受力集中于節(jié)點位置[4]。通常分為干濕外包鋼加固,外粘型鋼加固法使用環(huán)氧樹脂澆灌,保證形成整體協(xié)同受力,可增強結(jié)構(gòu)的承載力。無粘接外包鋼加固法無法保證連接面受力均衡傳遞,承載力提升相對較小。外包鋼加固法整體性好,項目規(guī)定不得采用粘結(jié)劑時優(yōu)先選用無粘接外包鋼加固法。

2.3 粘鋼板加固法

粘貼鋼板加固技術(shù)是采用建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在構(gòu)件薄弱部位,增強加固對象整體結(jié)構(gòu)剛度方法,在國外發(fā)展成熟廣泛應(yīng)用,國內(nèi)90年代開始推行粘貼鋼板加固法。鋼板固定于預(yù)應(yīng)力砼薄弱部位,增強構(gòu)件抗彎剛度降低繞度,避免內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中情況,粘貼鋼板加固法具有施工簡便,占用空間小,加固效果好等優(yōu)點。其缺點是加固處理后鋼板具有應(yīng)力滯后情況,粘接劑質(zhì)量是影響加固效果的主要因素,目前關(guān)于結(jié)構(gòu)膠抗老化周期未獲得實證研究,粘鋼板加固法不適用于特殊造型梁。適用于靜力下產(chǎn)生正截面受彎受剪受壓結(jié)構(gòu)加固,待處理混凝土結(jié)構(gòu)測試強度須達(dá)到C15以上。粘鋼板加固法加固質(zhì)量與粘接材料有關(guān),應(yīng)保證結(jié)構(gòu)后期所處環(huán)境溫度不超過60度,高溫高濕環(huán)境下混凝土構(gòu)件要選擇具備相應(yīng)性能的粘接劑。

2.4 貼碳纖維加固法

CFRP為高強度新型復(fù)合材料,近些年在土木工程行業(yè)中應(yīng)用得到快速發(fā)展,借助碳纖維材料使混凝土構(gòu)件實現(xiàn)增固技術(shù),利用協(xié)同受力性能實現(xiàn)抗震性能增強目標(biāo)。具有強度高質(zhì)量輕等優(yōu)點,我國在本世紀(jì)初開始CFRP技術(shù)的研究應(yīng)用,尚未建立系統(tǒng)的理論體系。采用CFRP 加固法可以運用至磚砌體某些力學(xué)特征中。運用碳纖維材料加固優(yōu)點是強度高效果好,實施混凝土構(gòu)件補強加固中可提升結(jié)構(gòu)負(fù)載能力,實現(xiàn)補強加固的目的。相比其他加固方法可節(jié)省材料消耗,運用CFRP 材料加固具有較好的耐久性,可適用于各類建筑結(jié)構(gòu)中。對某些大型殼體項目才贏CFRP加固可保證質(zhì)量。碳纖維加固技術(shù)具有良好的增強加固作用,總體社會經(jīng)濟效益較好。貼碳纖維加固法克提高框架結(jié)構(gòu)塑性鉸轉(zhuǎn)動能力,有效加強混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能,改善建筑物結(jié)構(gòu)延性。

3 房建工程砼結(jié)構(gòu)加固方案設(shè)計

我國建筑結(jié)構(gòu)主要形式為鋼筋砼結(jié)構(gòu),建國初期興建大量工業(yè)民用建筑使用多年存在安全隱患,如鋼筋銹蝕嚴(yán)重等,未采取有效強化措施導(dǎo)致安全事故發(fā)生。我國每年有大批廠方因工藝要求等原因亟待更新,中國對建筑結(jié)構(gòu)抗震要求設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不斷升級,許多地區(qū)現(xiàn)有房屋不能滿足新的需求,需要對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震加固。建筑物加固方案選擇非常重要,加固方案選擇受資金投入,施工周期等因素影響,要結(jié)合工程實際選擇合適的設(shè)計方案。

鋼筋砼結(jié)構(gòu)改造施工加固方案優(yōu)選依據(jù)科學(xué)方法,對備選方案進行優(yōu)劣排序,綜合考慮定性定量因素進行優(yōu)選。鋼筋砼結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選模型內(nèi)容包括優(yōu)選對象目標(biāo)方法等。鋼筋砼結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選目的是選擇最佳施工方案,對加固方案選擇考慮影響因素分析,確定最優(yōu)加固施工方案,構(gòu)建加固方案優(yōu)選指標(biāo)體系要圍繞鋼筋砼結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選目的,選擇科學(xué)系統(tǒng)性加固方案優(yōu)選指標(biāo),結(jié)構(gòu)加固對周圍環(huán)境影響較大,施工周期難以把握,定性指標(biāo)難以量化處理,通過加固工程施工現(xiàn)場調(diào)研,咨詢加固改造方面專家后從技術(shù)經(jīng)濟環(huán)境方面歸納加固方案優(yōu)選指標(biāo),遵循方案優(yōu)選指標(biāo)選擇原則,確定混凝土結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選指標(biāo)包括施工難度,結(jié)構(gòu)改善性能,施工工期成本維護費用等。

4 房建工程項目混凝土結(jié)構(gòu)加固施工技術(shù)應(yīng)用

某房屋建筑工程結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆砼框架,裙房高度為28 m,包括地下室2層,建筑設(shè)計使用年限為50年,工程抗震房烈度為7度,地震設(shè)計分組為第一組鋼筋砼條形基礎(chǔ),內(nèi)墻采用200 mm 厚加氣砼砌塊,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)墊層砼等級為C10,設(shè)計出采用配重法通過增加自重抵御水浮力作用。受到地基條件影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到損害,依據(jù)建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)規(guī)范對工程現(xiàn)場勘察檢測,結(jié)構(gòu)梁板柱局部有細(xì)微裂縫,需要采用合理的方式加固。

工程對柱加固中采取干式外包角鋼加固法,構(gòu)成角鋼與原柱承擔(dān)外部荷載結(jié)構(gòu),使用夾具對鋼后施焊板加緊,梁加固對下方使用角鋼補強,梁上部使用U型箍固定偏鋼,用U 型箍實現(xiàn)抗拉角鋼與抗壓砼組合,提升抗沖切性能。根據(jù)檢測鑒定結(jié)果提出備選加固方案,采用粘貼鋼板加固法加固梁,局部增加側(cè)向剛性支撐;方案工期估算為45天,加固后結(jié)構(gòu)體系傳力明確,粘鋼加固梁較多家住手腳架等輔助器具,加固施工噪音小,加固后結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間不見效。采用加大截面法加固砼框架梁,工期估算為60天,加固后結(jié)構(gòu)體系傳力明確,采用增大截面法加固施工現(xiàn)場濕作業(yè)大,加固施工噪音大干擾周圍居民生活。

5 結(jié)語

建筑使用中出現(xiàn)各種問題,鋼筋砼結(jié)構(gòu)加固是工程界研究的熱點,隨著科研人員深入研究,砼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)廣泛應(yīng)用于各國建筑工程維修加固中。我國建筑市場潛力巨大,目前建筑規(guī)模不斷擴大,建筑加固施工中出現(xiàn)很多新技術(shù),需要加強對砼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究,解決不同場景下結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題。建筑砼結(jié)構(gòu)加固施工前要采取措施保證施工質(zhì)量,權(quán)衡經(jīng)濟效率因素制定詳細(xì)施工方案,通過相關(guān)部門審核后進行施工。隨著鋼筋砼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的成熟,對結(jié)構(gòu)加固補強效果關(guān)鍵是是否達(dá)到設(shè)計功能,需要加強施工管理,保證工程施工質(zhì)量。