文／賴力、邢靈巧 攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川攀枝花 617023

引言：

既有建筑物的使用要求、用途發(fā)生改變，在設(shè)計(jì)施工中要對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。建筑物周邊地理環(huán)境、所在地區(qū)發(fā)生的自然災(zāi)害，使用年限以及建筑使用功能改變等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)的損壞時(shí)有發(fā)生，為此，進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)加固是一項(xiàng)非常良好的措施，利用許多科學(xué)合理的方法，盡可能地恢復(fù)建筑結(jié)構(gòu)功能，充分確保結(jié)構(gòu)的安全使用。

鑒于上述原因，對現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)建成的建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)的相關(guān)辦法進(jìn)行研究，并對各種方法對應(yīng)各類工程的適用性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較都是十分必要的。由于工業(yè)建筑的特殊性，結(jié)合實(shí)際工程案例，就置換混凝土加固法、粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材加固法等方法進(jìn)行討論。

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用加固方法在工程中的具體應(yīng)用

1.1 置換混凝土加固法

1.1.1 概述

置換混凝土加固法適用于結(jié)構(gòu)中承重構(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。置換混凝土加固法的有效應(yīng)用，關(guān)鍵在于新舊混凝土結(jié)合面的處理效果。置換部位的結(jié)合面處理效果良好，舊混凝土表面結(jié)構(gòu)層露出，新混凝土中含有的水泥由于受到預(yù)壓應(yīng)力而滲到里面，在此基礎(chǔ)上，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的水泥水化反應(yīng)，從而粘合在一起。置換混凝土加固法一方面能夠用來加固混凝土質(zhì)量相對較差的新建筑物，另一方面，還能夠用來修復(fù)那些混凝土結(jié)構(gòu)受損的建筑物。

1.1.2 工程實(shí)例一

（1）工程概況

某既有框架結(jié)構(gòu)廠房，對其一層柱進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度不足，需進(jìn)行加固處理。首層柱高H=5600mm，截面尺寸為700mm×700mm，原柱一側(cè)配筋為518+320，對稱配置，加固鋼筋為916，柱的承載力設(shè)計(jì)值為6500kN。

（2）設(shè)計(jì)依據(jù)

筆者在設(shè)計(jì)過程中考慮到承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低，置換混凝土加固法：

通過這一技術(shù)處理軸心受壓構(gòu)件過程中，其正截面承載力必須滿足以下基本條件：

其中：N—加固后的軸向壓力設(shè)計(jì)值；

φ—受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)GB50010 的要求取值；

ac—置換部分新增混凝土的強(qiáng)度利用系數(shù)，若置換環(huán)節(jié)無支頂，在這種情況下，該指標(biāo)取值為0.8；若該環(huán)節(jié)有支頂，那么該指標(biāo)取值為1.0；

fco、fc—原構(gòu)件混凝土和置換部分新混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Ac0、Ac—原構(gòu)件截面扣去置換部分后的剩余面積和置換部分的截面面積；

as—新增箍筋強(qiáng)度利用系數(shù)，取as=0.9；

（3）加固方案

①加固設(shè)計(jì)參數(shù)

采用置換混凝土的方法加固，柱加固詳圖如圖1 所示。

圖1

②加固前柱承載力計(jì)算

經(jīng)檢測，fo=7.2N/mm2

已知:A'so=4429mm2，f'yo=360N/mm2

加固前按GB50010-2010 規(guī)范進(jìn)行求解：

故承載力不足。

③加固設(shè)計(jì)計(jì)算

采用 C35 混凝土進(jìn)行加固置換，加固后計(jì)算得：

（4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

綜上所述，對于類似于本工程承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土發(fā)生強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷時(shí)，通過該技術(shù)可以更好的補(bǔ)充缺失的混凝土強(qiáng)度，補(bǔ)足缺陷，取得更好的成效。

1.2 粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材加固法

1.2.1 概述

具體來說，即指在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面粘上纖維布，這個(gè)過程中用到的材料是高性能粘結(jié)劑，通過這種方法來改善建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以有效加固建筑物，充分確保結(jié)構(gòu)的安全使用。

這種方法表現(xiàn)出非常突出的優(yōu)勢，例如強(qiáng)度高、耐腐蝕性及耐久性提升明顯、基本不增加結(jié)構(gòu)自重、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)帶來的諸多好處使得該加固方法在大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中取得廣泛應(yīng)用。

1.2.2 工程實(shí)例二

（1）工程概況

某綜合樓進(jìn)行改造，該樓第二層框架某T 形截面梁b×h=250mmx550mm，b=750mm，h=80mm，C20混凝土，HRB400 級，受拉鋼筋面積為322（Aso=1140mm2，配率0.98%)。梁的抗剪能力滿足要求，僅需進(jìn)行抗彎加固，要求抗彎承載力提高40%，不考慮二次受力。

（2）設(shè)計(jì)依據(jù)

考慮到工程工期、投資需求及適用范圍，筆者決定采用粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材加固法：

①在矩形截面受彎構(gòu)件的受拉邊混凝土表面上采用該方法時(shí)，其正截面承載力根據(jù)以下式子進(jìn)行求解：

其中M—加固后彎矩設(shè)計(jì)值；

x—混凝土受壓區(qū)高度；

b、h—矩形截面寬度和高度；

f'y、f'yo、Aso、A'so—原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、截面面積；

a'—縱向受壓鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊的距離；

ho—構(gòu)件加固前的截面有效高度；

ff—纖維復(fù)合材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按照其品種，按碳纖維復(fù)合材設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)及玻璃纖維復(fù)合材（單向織物）設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)采用；

Afe—纖維復(fù)合材的有效截面面積；

ψf—考慮其抗拉應(yīng)變達(dá)不到設(shè)計(jì)值而引入的強(qiáng)度利用系數(shù)，若其大約1.0，在這種情況下，其取值為1.0；

εcu—混凝土極限壓應(yīng)變，取0.0033；

εf—纖維復(fù)合材拉應(yīng)變設(shè)計(jì)值，根據(jù)其品種，分別按碳纖維復(fù)合材設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)及玻璃纖維復(fù)合材（單向織物）設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)采用；

εfo—考慮二次受力影響時(shí)，其滯后應(yīng)變，需要根據(jù)GB50367 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行求解，如果二次受力影響忽略不計(jì)，那么該指標(biāo)取值為0。

②實(shí)際粘貼的纖維復(fù)合材截面面積Af，需要根據(jù)以下的方法進(jìn)行求解：

除此之外，其厚度折減系數(shù)km主要通過以下方法來取值：

①如果使用的材料是預(yù)成形板，那么該指標(biāo)取值為1.0；

②如果使用多層粘貼的纖維織物時(shí)，那么就通過以下方法進(jìn)行求解，

其中 Ef——纖維復(fù)合材彈性模量設(shè)計(jì)值，分別按碳纖維復(fù)合材設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)及玻璃纖維復(fù)合材（單向織物）設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)采用；

nt、tt—纖維復(fù)合材（單向織物）層數(shù)和單層厚度。

（3）加固方案

①原梁承載力計(jì)算

采用高強(qiáng)度I 級碳纖維布：

得Afe=75.44mm2

預(yù)估采用3 層0.167mm 厚規(guī)格的碳纖維布：

因此選用粘貼3 層250mm 寬的碳纖維布。

③技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

根據(jù)本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，采用該技術(shù)進(jìn)行處理后，粘貼纖維和混凝土一起發(fā)揮加固作用，在很大程度上改善了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。且纖維增強(qiáng)聚合物自重輕，對原有結(jié)構(gòu)荷載影響較小，強(qiáng)度高。加固后大大提高了結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性，達(dá)到了對建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的;同時(shí)也具有施工簡便，縮短工期，節(jié)省投資等特點(diǎn)。

2、其余常用加固方法概述

2.1 增大截面加固法

這個(gè)方法的基本原理如下：增大梁等構(gòu)件的配筋與截面，利用這種措施提升其各項(xiàng)性能，例如剛度、承載力等。該技術(shù)表現(xiàn)出非常突出的優(yōu)越性，例如工藝簡單，相對較強(qiáng)的適用性，能夠用來加固大部分混凝土構(gòu)件。其主要包括以下幾種類型：單側(cè)、雙側(cè)、三側(cè)及四面包套的加固。按照加固要求進(jìn)行劃分，主要包括以下幾種類型：加大斷面、加配鋼筋以及綜合上述兩者的加固。加固中應(yīng)將新舊鋼筋加以焊接，做好新舊混凝土的結(jié)合。

2.2 外粘型鋼加固法

這種方法的適用范圍如下：構(gòu)件截面面積增大相對較少，而其承載力需明顯改善的場合。經(jīng)外粘型鋼加固法處理后外包鋼會(huì)對混凝土構(gòu)件起到一定的約束作用，在一定程度上提升了其延性以及承載力。另一方面，該方法表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，例如容易施工、速度比較快等，到現(xiàn)在為止，它主要在加固鋼筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹桿等構(gòu)件中使用。采用外粘型鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)使用特殊的粘膠進(jìn)行處理，比如常用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行灌注。采用外粘型鋼加固鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)，外粘型鋼的膠縫厚度宜控制在3-5mm。型鋼表面需要涂上水泥砂漿（厚度必須保持在25mm 以上），在此基礎(chǔ)上，配備上相應(yīng)的防護(hù)層（現(xiàn)實(shí)中人們通常使用鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加固），有時(shí)候人們會(huì)使用其它裝飾材料進(jìn)行處理，提高改造后混凝土構(gòu)件的耐久性。

2.3 粘貼鋼板加固法

到現(xiàn)在為止，這是用來加固建筑結(jié)構(gòu)工程是普遍采用的方法，能夠獲得良好的效果。在結(jié)構(gòu)的表面通過結(jié)構(gòu)膠粘劑粘上鋼板，達(dá)到加固和增強(qiáng)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的目的。粘貼鋼板法，與其他的加固方法比較，有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)性，主要有:堅(jiān)固耐用、施工快速、簡潔輕巧、靈活多樣、經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，該法主要用于下列設(shè)計(jì)方案:混凝土強(qiáng)度等級無法滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要提高情況下的加固、工業(yè)廠房牛腿節(jié)點(diǎn)的加固、懸掛式吊車梁荷載發(fā)生變化情況下的加固、樓面荷載集中荷載作用下的加固、火災(zāi)后梁柱混凝土燒壞情況下的加固、爆炸沖擊波破壞混凝土構(gòu)件情況下的加固、工業(yè)廠房屋面桁架下弦腐蝕破壞嚴(yán)重情況下的加固、梁柱在酸堿性環(huán)境下受化學(xué)腐蝕的加固、舊房改造綜合加固、重要建筑物局部新增荷載補(bǔ)充加固等。

2.4 外加預(yù)應(yīng)力加固法

這是一種通過預(yù)應(yīng)力筋來處理建筑物的梁、板等構(gòu)件的技術(shù)，起到加固構(gòu)件的作用。該項(xiàng)技術(shù)一方面非常容易進(jìn)行施工，另一方面，還能夠在保持梁、板截面高度不變以及不改變結(jié)構(gòu)使用空間的情況下，明顯改善構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，在很大程度上提升建筑物的性能。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)方案，外加預(yù)應(yīng)力加固法適用于混凝土構(gòu)件截面相對較小或需增加其使用荷載、需改善其使用性能、其處于高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，同時(shí)不容易通過直接的措施將其結(jié)構(gòu)上的荷載卸除。使用這種技術(shù)處理建筑物過程中，必須充分兼顧到建筑物構(gòu)件的受力性質(zhì)、構(gòu)造特點(diǎn)以及施工現(xiàn)場實(shí)際情況，在此基礎(chǔ)上，采用科學(xué)合理的處理方法。

結(jié)語：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期的自然條件以及人為因素的影響下，其總體功能會(huì)逐漸降低，這是一個(gè)無法避免的問題，也是社會(huì)各界需要高度注意的一個(gè)問題。作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員，不僅要做好新建建筑物的設(shè)計(jì)工作，還要能科學(xué)的去評估結(jié)構(gòu)受損壞的客觀規(guī)律和損壞程度，采取一些有效的方法來保障結(jié)構(gòu)的安全性能，對既有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)的相關(guān)辦法進(jìn)行研究是一項(xiàng)非常重要的工作。

綜上，在實(shí)際工作中要以建筑結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)和要求制定科學(xué)合理的加固方法，能夠延長建、構(gòu)筑物的使用壽命，節(jié)省不必要的投資，縮短對既有生產(chǎn)、生活的影響，促使建筑更加安全。