鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)探析

楊龍龍

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510641）

0 引言

鋼筋混凝土是現(xiàn)階段使用最廣泛的建筑材料之一，因其可模性好、整體性好等優(yōu)點(diǎn)在世界范圍內(nèi)廣受青睞。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各地興建了大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑。時(shí)至今日，相當(dāng)一部分建造時(shí)間較為久遠(yuǎn)的建筑由于各種原因已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段的使用需求。主要包括：建筑服役時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能出現(xiàn)退化；災(zāi)害性事件的發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)損傷；使用功能需求多樣化導(dǎo)致設(shè)計(jì)承載力無法滿足當(dāng)前的需求；規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的提升導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)無法滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)際情況決定無法將存在安全隱患的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)悉數(shù)推倒重建，因此，采用合理有效的加固方法提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，保證其使用安全，延長(zhǎng)其使用年限或改變其使用功能，使之能繼續(xù)安全服役，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

本文以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，首先總結(jié)了對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的意義；隨后，從加固方法的原理、技術(shù)要點(diǎn)、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)方面對(duì)不同的加固方法進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了不同加固方法的適用性，總結(jié)了不同加固方法在設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)注意的問題，希望能為從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的工程師提供借鑒。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的意義

1.1 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用過程中難免會(huì)遭遇一些極端的自然災(zāi)害或受到外界環(huán)境的侵蝕，這些不利因素會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的退化，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命［1］。直接拆除這些結(jié)構(gòu)不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。采用合理的加固技術(shù)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受損部位進(jìn)行加固修復(fù)，可以有效地提升構(gòu)件的承載力，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命，使其能夠繼續(xù)正常地使用。

1.2 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

我國位于環(huán)太平洋地震帶，地震活動(dòng)較頻繁。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。一些抗震性能較差或結(jié)構(gòu)布置不合理的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。引入可行的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，可以達(dá)到增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，提升結(jié)構(gòu)抗震性能的目的［2］。

1.3 保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全

建筑結(jié)構(gòu)為人的各種生產(chǎn)生活活動(dòng)提供了場(chǎng)所，但是一旦其安全性出現(xiàn)問題則會(huì)造成巨大的損失。隨著建筑使用時(shí)間的增長(zhǎng)，其穩(wěn)固性和可靠性均會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰減，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中的問題也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患［3］。因此，利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)對(duì)安全性不滿足要求的建筑進(jìn)行加固，提高它的安全性，可以達(dá)到保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的目的。

1.4 滿足人民的多樣化需求

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑功能的要求也日益提高。一些興建年代較為久遠(yuǎn)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能已經(jīng)無法滿足人們的使用需求，但是結(jié)構(gòu)重建又受到土地資源和經(jīng)濟(jì)成本的限制［4］。因此，對(duì)原有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，不僅節(jié)約了成本，還可以豐富老舊建筑的使用功能，滿足現(xiàn)階段人民的多樣化需求。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方法的受力特點(diǎn)可以將其分為直接加固法和間接加固法［5］。直接加固法是通過一些加固補(bǔ)強(qiáng)措施，直接提高構(gòu)件的承載能力或剛度使其滿足設(shè)計(jì)要求的方法；主要包括增大截面法、置換混凝土法、外包型鋼法、粘貼鋼板法、粘貼纖維法以及繞絲法等，如圖1 所示。間接加固法則是通過一些技術(shù)措施改變結(jié)構(gòu)的傳力途徑，減小被加固構(gòu)件的荷載效應(yīng)從而使其滿足設(shè)計(jì)需求的方法；主要包括預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)法等，如圖2所示。

圖1 直接加固法示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Direct Strengthening Methods

圖2 間接加固法示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Indirect Reinforcement Method

2.1 增大截面加固法

增大截面法的原理是在原有鋼筋混凝土構(gòu)件的周圍增加新的混凝土層提高構(gòu)件的承載力和剛度，進(jìn)而達(dá)到加固混凝土結(jié)構(gòu)的目的，如圖1?所示。這種方法適用于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎承載力和抗剪承載力加固以及受壓構(gòu)件的加固，具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)成熟以及傳力可靠明確等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量大、工期長(zhǎng)、影響正常的生產(chǎn)生活，而且加固后的截面尺寸增大會(huì)壓縮建筑原有的使用空間［6］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：增大截面法的工藝流程為界面處理?補(bǔ)配鋼筋?支模?澆筑混凝土?養(yǎng)護(hù)拆模?施工質(zhì)量檢驗(yàn)。加固時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)要求：①加固前應(yīng)卸除構(gòu)件上的活荷載；②新增混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原構(gòu)件高出一級(jí)，且不低于C20；③用于加固鋼筋混凝土樓板時(shí)，新增混凝土層的厚度不得小于40 mm，用于加固梁柱構(gòu)件時(shí)不得小于60 mm；④配鋼筋需采用熱軋鋼筋，板、梁、柱的受力鋼筋直徑分別應(yīng)不小于8 mm、12 mm、14 mm，U 形箍直徑應(yīng)與原構(gòu)件箍筋保持一致；⑤新增受力鋼筋應(yīng)與原鋼筋焊接；當(dāng)對(duì)構(gòu)件受拉側(cè)進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)設(shè)置與原箍筋焊接的U 形箍，焊接長(zhǎng)度為單面焊10d或者雙面焊5d，d為箍筋直徑；⑥梁新增縱向受力鋼筋兩端應(yīng)可靠錨固；柱新增縱向受力鋼筋下端伸入基礎(chǔ)，上端與上層柱腳連接。

2.2 置換混凝土加固法

該方法保留原構(gòu)件中的鋼筋，采用新混凝土替換原結(jié)構(gòu)中存在缺陷的混凝土，從而提高結(jié)構(gòu)承載力，如圖1?所示。此方法一般適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度不足或存在缺陷的承重構(gòu)件局部加固，加固后不影響建筑使用空間，但濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，鑿除混凝土?xí)r易擾動(dòng)原鋼筋［7］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：置換混凝土加固法的工藝流程為搭設(shè)支撐?卸荷?剔除缺陷混凝土?界面處理?支模?澆筑混凝土?養(yǎng)護(hù)拆模?施工質(zhì)量檢驗(yàn)。加固技術(shù)要點(diǎn)如下：①加固梁構(gòu)件時(shí)應(yīng)施加有效支頂，加固墻、柱構(gòu)件時(shí)應(yīng)對(duì)原構(gòu)件在施工過程中的承載狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算、觀測(cè)和控制，確保置換界面處的混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力；②新混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原構(gòu)件混凝土高一級(jí)，且不低于C25；③非置換部分混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度不可低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度；④混凝土置換深度對(duì)于板構(gòu)件不小于40 mm，對(duì)梁、柱構(gòu)件不小于60 mm，置換長(zhǎng)度應(yīng)超過檢測(cè)和驗(yàn)算結(jié)果所確定范圍至少100 mm；⑤置換梁受壓區(qū)混凝土?xí)r，置換區(qū)域應(yīng)沿梁中線對(duì)稱，不可僅置換一隅；⑥原構(gòu)件混凝土表面處理應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，確保新舊混凝土協(xié)同工作。

2.3 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是將型鋼包于混凝土構(gòu)件的角部或兩側(cè)，用綴板將型鋼連接成鋼構(gòu)架與原混凝土構(gòu)件共同受力，如圖1?所示。可根據(jù)型鋼構(gòu)架與原混凝土構(gòu)件之間是否存在有效粘結(jié)分為外粘型鋼法（濕式外包）和無粘結(jié)外包型鋼法（干式外包），兩種方法均適用于加固承載力和抗震能力不足的鋼筋混凝土柱和梁。其優(yōu)點(diǎn)為施工簡(jiǎn)便、現(xiàn)場(chǎng)工作量少、受力可靠且加固效果好，缺點(diǎn)是型鋼易生銹，不宜用于含腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境［8］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：外包型鋼加固法的工藝流程為型鋼骨架制作?界面處理?型鋼骨架安裝?注膠?固化養(yǎng)護(hù)?施工質(zhì)量檢查?防護(hù)層施工。加固技術(shù)要點(diǎn)如下：①當(dāng)工程允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用濕式外包法；②角鋼厚度不應(yīng)小于5 mm，加固梁和桁架時(shí)長(zhǎng)度不應(yīng)小于50 mm，加固柱時(shí)不應(yīng)小于75 mm；③沿構(gòu)件軸線需采用截面大于40 mm×4 mm的鋼箍板/綴板與角鋼連接，間距不得超過角鋼最小回轉(zhuǎn)半徑的20 倍，且不得超過500 mm；④加固梁構(gòu)件時(shí)，應(yīng)在梁角部粘貼角鋼，如受壓區(qū)存在翼緣或樓板，可將受壓區(qū)角鋼更換為鋼板，箍板需穿過樓板與鋼板連接（樓板空洞待箍板焊接后用結(jié)構(gòu)膠封堵、錨固）；⑤梁端角鋼需與柱角鋼焊接；⑥采用濕式外包法時(shí)，原構(gòu)件截面的角部需打磨為直徑不小于7 mm的圓角，膠縫厚度為3～5 mm。

2.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是將薄鋼板用粘接劑粘貼于混凝土構(gòu)件表面，使其形成具有整體性的復(fù)合截面，如圖1?所示。該方法一般用于加固承受靜荷載的受彎構(gòu)件、受拉構(gòu)件和大偏心受壓構(gòu)件。此方法的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、材料利用率高、基本對(duì)原構(gòu)件截面無影響，缺點(diǎn)是不適用溫度長(zhǎng)期高于60 ℃的環(huán)境、加固效果易受膠粘工藝與操作水平影響［9］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：粘貼鋼板加固法的工藝流程為卸除活載?加工鋼板?界面處理?粘接鋼板?固定養(yǎng)護(hù)?施工質(zhì)量檢驗(yàn)。加固技術(shù)要點(diǎn)如下：①不適用于縱向受力鋼筋單向配筋率小于0.2%的鋼筋混凝土構(gòu)件；②構(gòu)件混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度應(yīng)大于C15，且混凝土表面的正拉粘結(jié)強(qiáng)度不得低于1.5 MPa；③鋼板的寬度應(yīng)小于100 mm，手工涂膠時(shí)鋼板厚度不超過5 mm，壓力注膠時(shí)不超過10 mm；④加固梁正截面抗彎承載力時(shí)，應(yīng)在鋼板端部及集中荷載兩側(cè)設(shè)U 形箍；加固板時(shí)應(yīng)設(shè)橫向鋼壓條進(jìn)行錨固；⑤加固梁或大偏心受壓構(gòu)件斜截面時(shí)，U 形箍間距不應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定的最大箍筋間距的70%以及梁高的1/4。

2.5 粘貼纖維加固法

粘貼纖維加固法是采用粘接劑將碳纖維、玄武巖纖維等纖維材料織物粘貼在混凝土構(gòu)件表面，與構(gòu)件共同工作提升承載力，如圖1?所示。該法可用于加固受彎、抗剪、以及抗拉承載能力不足鋼筋混凝凝土構(gòu)件，也可用于提高鋼筋混凝土柱的延性。優(yōu)點(diǎn)是材料輕質(zhì)高強(qiáng)，不影響構(gòu)件截面、加固效果好、施工簡(jiǎn)便工期短；缺點(diǎn)與粘貼鋼板法相似，粘貼劑工作環(huán)境受限且膠粘質(zhì)量要求較高［10］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：粘貼纖維加固法的工藝流程為卸除活載?界面處理?涂刷底膠并找平?粘貼纖維布?養(yǎng)護(hù)?施工質(zhì)量檢驗(yàn)?防護(hù)面施工。加固技術(shù)要點(diǎn)如下：①為保證纖維與混凝土協(xié)同工作，構(gòu)件的混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度不得低于C15，且正拉粘結(jié)強(qiáng)度不得低于1.5 MPa；②為緩解纖維布的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，施工前應(yīng)卸除構(gòu)件活載；③當(dāng)纖維布需要底膠時(shí)，不得私下減少涂刷底膠工序；④粘貼纖維時(shí)需保證底膠表面平整無凸起，無殘留物及灰塵。

2.6 繞絲加固法

繞絲加固法是在混凝土構(gòu)件表面纏繞鋼絲，約束混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)提高其單軸抗壓強(qiáng)度，從而提高構(gòu)件承載力和抗震性能，如圖1?所示。繞絲法一般適用于鋼筋混凝土柱的延性加固，其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便，不影響使用空間，缺點(diǎn)是使用條件受限，加固非圓形構(gòu)件時(shí)效果明顯降低。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：粘繞絲加固法的工藝流程為卸除活載?剔除保護(hù)層?界面處理?繞絲施工?混凝土面層施工?養(yǎng)護(hù)?施工質(zhì)量檢驗(yàn)。加固技術(shù)要點(diǎn)如下：①混凝土強(qiáng)度較高時(shí)，繞絲法的約束較差，所以不得加固混凝土強(qiáng)度高于C50 的構(gòu)件；②為了提高對(duì)混凝土的約束效應(yīng)，加固方形截面構(gòu)件時(shí)應(yīng)在截面四邊中部設(shè)直徑為25 mm 的鋼筋，并對(duì)角部進(jìn)行倒角；③繞絲應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，且鋼絲間距應(yīng)保持均勻，施力繃緊時(shí)需對(duì)鋼絲點(diǎn)焊加以固定。當(dāng)局部鋼絲松弛時(shí)應(yīng)當(dāng)打入鋼楔繃緊，但不能導(dǎo)致其他部位變松。

2.7 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是采用預(yù)應(yīng)力拉桿、鋼絞線或型鋼支撐等施加反向荷載，減小被加固構(gòu)件的應(yīng)力或變形，如圖2?所示。一般用來加固處于高應(yīng)力狀態(tài)且難以卸荷的構(gòu)件，尤其適用于大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該方法施工方便，可消除后加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，后加部分能與原結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同工作，但存在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)易損壞且延性較差、錨固區(qū)存在較大集中力等缺點(diǎn)［11］。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：加固工藝流程為清理結(jié)構(gòu)?裝置定位?裝置制作?裝置安裝?張拉固定?施工質(zhì)量檢驗(yàn)?防護(hù)面施工。加固過程中應(yīng)當(dāng)注意以下要求：①錨固區(qū)傳力預(yù)埋件、擋板以及承壓板的安裝應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，錨固區(qū)要局部加強(qiáng)；②張拉時(shí)要施力同步，防止構(gòu)件發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)或扭轉(zhuǎn)；③新增預(yù)應(yīng)力拉桿、錨具、墊板綴板及各種緊固件均應(yīng)進(jìn)行防銹蝕處理。

2.8 增設(shè)支點(diǎn)加固法

增設(shè)支點(diǎn)加固法的原理是通過新增支點(diǎn)減小鋼筋混凝土構(gòu)件的跨度，調(diào)整構(gòu)件截面的內(nèi)力分布，降低構(gòu)件的內(nèi)力峰值，從而使構(gòu)件的承載力滿足設(shè)計(jì)需求，如圖2?所示。一般適用于梁、板、桁架的加固。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可大幅度提高承載力，減小梁、板的撓曲變形，施工簡(jiǎn)單，受力可靠，缺點(diǎn)是影響建筑原貌和使用功能，占用空間。

工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)：加固工藝流程為卸除活載?型鋼套箍制作、安裝?節(jié)點(diǎn)板安裝?鋼斜撐安裝?連接節(jié)點(diǎn)檢測(cè)?驗(yàn)收。加固時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下要求：①制作支承結(jié)構(gòu)的材料，應(yīng)根據(jù)加固結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境和使用要求確定；②采用彈性支點(diǎn)加固法時(shí)，應(yīng)充分考慮支承結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。

3 混凝土結(jié)構(gòu)加固改造中應(yīng)注意的問題

3.1 考慮局部加固對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響

在加固設(shè)計(jì)中，各種加固方法多停留在構(gòu)件層面，但是結(jié)構(gòu)作為一個(gè)復(fù)雜的整體，局部的加強(qiáng)難免會(huì)對(duì)相鄰構(gòu)件甚至整體結(jié)構(gòu)造成影響。因此要求設(shè)計(jì)師在制定加固方案時(shí)要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從總體上把握，盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的破壞和損傷［12］。

3.2 合理運(yùn)用各種加固方法

每種加固方法都有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在工程中，采用單一加固方法往往效果非常有限。因此在實(shí)際工程中同時(shí)采用多種加固方法進(jìn)行綜合加固，不僅可以解決單一加固方法使用條件受限的問題，還可發(fā)揮多種加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更好的加固效果［13］。

3.3 與實(shí)際施工技術(shù)相結(jié)合

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程中，施工技術(shù)水平的高低直接影響加固的效果［14］。加固后新加受力構(gòu)件如不能與原構(gòu)件協(xié)同受力，將造成巨大的安全隱患。所以加固設(shè)計(jì)中必須保證施工后的新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)能連接可靠，粘接牢固，形成整體，共同工作。

4 總結(jié)

混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法種類繁多，每種方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。增大截面法適用范圍廣但會(huì)影響使用功能；置換混凝土法不影響使用空間但易擾動(dòng)原構(gòu)件鋼筋及混凝土；外包型鋼法受力可靠但施工要求較高；粘貼鋼板法施工便捷但需解決鋼板的防腐及抗火問題；粘貼纖維法不增加結(jié)構(gòu)自重但膠粘質(zhì)量對(duì)加固效果影響較大；繞絲法不影響使用空間但使用條件受限；預(yù)應(yīng)力法能解決應(yīng)力滯后問題且易于后期維護(hù)但工藝較復(fù)雜；增設(shè)支點(diǎn)法受力明確易于拆卸但對(duì)使用空間影響較大。

工程師在選擇加固方法時(shí)應(yīng)充分考慮各加固技術(shù)的適用性及其不足之處。當(dāng)要求加固后使用空間不受影響時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用置換混凝土法、粘貼鋼板法、預(yù)應(yīng)力法以及粘貼纖維法等對(duì)構(gòu)件截面影響較小的加固方法；當(dāng)建筑長(zhǎng)期處于高溫或腐蝕環(huán)境中時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用增大截面法、置換混凝土法以及增設(shè)節(jié)點(diǎn)法等在惡劣環(huán)境下受力可靠的的加固方法；當(dāng)原設(shè)計(jì)地基承載力富余量較小時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用粘貼纖維法、預(yù)應(yīng)力法以及置換混凝土法等對(duì)結(jié)構(gòu)自重影響較小的加固方法；對(duì)建筑進(jìn)行臨時(shí)加固時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用增設(shè)支點(diǎn)法等具有可逆性的加固方法。