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(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,山西 大同 037000)

1 混凝土結(jié)構(gòu)加固發(fā)展趨勢(shì)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康有序發(fā)展,節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材是建筑行業(yè)必須遵守的準(zhǔn)則,新建建筑體量趨于飽和,已建建筑結(jié)構(gòu)維修改造和加固是必然趨勢(shì)。其中混凝土結(jié)構(gòu)因其成型后不可更改的固有特點(diǎn),所以混凝土結(jié)構(gòu)的維修和加固是整個(gè)建筑加固的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。目前混凝土結(jié)構(gòu)加固的主要方法有以下幾種:

1)增大截面法;2)混凝土置換法;3)外包型鋼加固法及粘貼鋼板法;4)粘貼碳纖維加固法等。

建筑加固作為建筑工程領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),隨著社會(huì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,正逐漸成為重要的建筑保護(hù)手段。隨著城市老舊建筑數(shù)量的增加,建筑加固技術(shù)在維護(hù)和更新現(xiàn)有建筑方面的需求逐漸凸顯。為了延長(zhǎng)建筑壽命、提高抗災(zāi)性能,許多城市開(kāi)始注重對(duì)老舊建筑的加固工程。這不僅有助于保護(hù)文化遺產(chǎn),還能提高建筑的整體安全性和可持續(xù)性。新型建筑材料和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)為建筑加固提供了更多選擇,高性能混凝土、碳纖維增強(qiáng)材料等新型材料的應(yīng)用,以及先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù),為建筑加固提供了更為靈活、高效的解決方案。這種技術(shù)創(chuàng)新不僅提高了加固效果,還降低了工程成本,推動(dòng)了加固技術(shù)的不斷發(fā)展。隨著人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性的不斷關(guān)注,建筑加固在抗震減災(zāi)方面的應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)。在地震頻發(fā)地區(qū),通過(guò)加固建筑結(jié)構(gòu),提高其抗震性能,成為維護(hù)社會(huì)安全和降低災(zāi)害損失的緊迫需求。因此,加固技術(shù)在地震工程領(lǐng)域的研究和實(shí)踐日益深入,對(duì)于構(gòu)建更為安全可靠的城市環(huán)境具有重要意義。諸多混凝土結(jié)構(gòu)加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性在實(shí)際建筑物實(shí)施過(guò)程中得到了驗(yàn)證和檢驗(yàn),與其他加固方法相比,增大截面加固法的許多優(yōu)勢(shì)逐步凸顯,在不同類(lèi)型的混凝土結(jié)構(gòu),如橋梁、建筑物和水利工程中都得到了成功的應(yīng)用,驗(yàn)證了該方法施工方便、成本相對(duì)較低、對(duì)原有結(jié)構(gòu)影響小,應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì),成為今后混凝土結(jié)構(gòu)加固的流行趨勢(shì)。

2 增大截面加固法原理及設(shè)計(jì)

2.1 增大截面加固法的工作原理

增大截面加固法是增大原混凝土構(gòu)件截面面積并增配鋼筋,以提高其承載力和剛度或改變其自振頻率的一種直接加固法。本方法適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構(gòu)件的加固。結(jié)構(gòu)加固完成后的受力是構(gòu)件新增加結(jié)構(gòu)和原有老結(jié)構(gòu)共同作用的受力。如果受力單獨(dú)作用在新結(jié)構(gòu)或老結(jié)構(gòu)上,將會(huì)導(dǎo)致新結(jié)構(gòu)或老結(jié)構(gòu)破壞后,其余結(jié)構(gòu)再次單獨(dú)受力,其結(jié)果是整個(gè)結(jié)構(gòu)受到破壞,不能起到加固作用。這就需要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的新、老結(jié)構(gòu)完美結(jié)合,才能保證共同作用、共同受力。加固結(jié)構(gòu)的新加部分,因應(yīng)力應(yīng)變的滯后而不能充分發(fā)揮其效能,尤其是當(dāng)應(yīng)力、應(yīng)變值較高時(shí),對(duì)于以混凝土承載力為主的受壓和受剪構(gòu)件,往往會(huì)出現(xiàn)原結(jié)構(gòu)與后加固部分先后破壞的各個(gè)擊破現(xiàn)象,致使加固效果不理想或不起作用,為此,采用增大截面加固法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí),應(yīng)采取措施卸除或卸除大部分作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。加固時(shí)進(jìn)行卸荷,由于應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象得以降低或消失,破壞時(shí)新舊兩部分就可同時(shí)進(jìn)入各自的應(yīng)力狀態(tài),那么結(jié)構(gòu)的總體承載力可顯著提高[1]。

建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)不同的受力選用不同的加固方式。受壓構(gòu)件主要承受豎向荷載的作用,當(dāng)豎向荷載確定后,增加受壓構(gòu)件承載力涉及兩個(gè)方面:第一,提高構(gòu)件單位面積上的承載力,首先是提高材料的密度,一般來(lái)說(shuō)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)再次增加其密度很難做到;其次就是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行約束,在一定程度上提高其承載力,例如橡皮泥受壓后將會(huì)四面擴(kuò)大,如果將橡皮泥放在礦泉水瓶中,那么橡皮泥就能承受更大的壓力,這就是約束起的作用。第二,增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力截面面積即增大截面加固。受彎構(gòu)件主要承受荷載的彎矩,增加受彎構(gòu)件的承載力,同樣可以選擇增大截面的受壓、受拉面積,并可同時(shí)在受拉區(qū)增加受拉材料的強(qiáng)度[2-3]。

2.2 增大截面加固法的技術(shù)特點(diǎn)

增大截面法在設(shè)計(jì)構(gòu)造方面必須注意解決好新增加部分和原有部分的整體工作和共同受力問(wèn)題。加固結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中,結(jié)合面會(huì)出現(xiàn)拉壓彎剪等各種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),其中主要的是拉力和剪力,在彈性階段,結(jié)合面的剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力主要是靠新舊結(jié)合面的黏結(jié)強(qiáng)度承擔(dān),開(kāi)裂或極限狀態(tài)時(shí),將主要通過(guò)貫穿結(jié)合面的錨固鋼筋或錨固螺栓所產(chǎn)生的被動(dòng)剪切摩擦力來(lái)傳遞。

2.3 增大截面加固法的設(shè)計(jì)要求

1)混凝土強(qiáng)度要求不能低于相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的混凝土最低要求,如果原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)低,或者密實(shí)性差,甚至還有蜂窩或空洞等缺陷時(shí),應(yīng)先置換不滿足要求的混凝土,再進(jìn)行加固。

2)原構(gòu)件表面除進(jìn)行鑿毛外,還應(yīng)采取涂刷結(jié)構(gòu)界面膠、種植剪切銷(xiāo)釘?shù)却胧?以保證新舊混凝土的共同工作。

3)在截面受拉區(qū)增補(bǔ)主筋加固鋼筋混凝土構(gòu)件,試驗(yàn)結(jié)果表明,若原構(gòu)件主筋的極限拉應(yīng)變均能達(dá)到現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的0.01水平,而新增的主筋又按規(guī)范采用了熱軋鋼筋,則正截面受彎破壞時(shí),一次受力和二次受力兩種受力性質(zhì)的新增主筋均能屈服,均可近似按一次受力計(jì)算,只是在計(jì)算中應(yīng)考慮新增主筋在連接構(gòu)造上和受力狀態(tài)上不可避免受到各種因素的綜合作用,導(dǎo)致其強(qiáng)度不能完全發(fā)揮,從安全角度出發(fā),要對(duì)新增鋼筋的強(qiáng)度進(jìn)行折減。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

桐城金域辦公樓為北方某集團(tuán)建設(shè)的辦公樓。東西長(zhǎng)49.15 m,南北寬42.9 m,呈正方形布置,結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。地下2層,層高4.5 m,地上8層,層高3.9 m。因建筑使用功能調(diào)整,根據(jù)甲方要求,對(duì)5層—8層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造及加固。改造內(nèi)容為:建筑功能改變?cè)斐刹糠謨?nèi)隔墻的拆除和增設(shè),電梯間的封堵,中庭增設(shè)花園等,均造成荷載增加。部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)發(fā)生改變,因此必須對(duì)建筑進(jìn)行加固處理。

3.2 加固方案比較

我們從建筑安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和耐久性出發(fā),綜合比較了以下幾種加固方案,并與業(yè)主進(jìn)行了方案論證,最終實(shí)現(xiàn)了業(yè)主所有的要求。

3.2.1 粘鋼加固法

考慮到便捷的施工過(guò)程和改造期間機(jī)械應(yīng)用不方便的現(xiàn)狀,我們首先選用將鋼板采用黏接劑黏結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面,使鋼板與混凝土形成統(tǒng)一的整體,利用鋼板良好的抗拉強(qiáng)度達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力。但計(jì)算過(guò)程發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件縱向受力鋼筋一側(cè)配筋率小于0.2%,根據(jù)規(guī)范要求,此類(lèi)構(gòu)件不適合采用粘鋼法。

3.2.2 置換混凝土加固法

選用將承載力不足的鋼筋混凝土構(gòu)件通過(guò)對(duì)構(gòu)件原有混凝土進(jìn)行剔鑿,然后澆筑比原有混凝土更高等級(jí)的新混凝土,來(lái)達(dá)到使用目的。但經(jīng)過(guò)造價(jià)人員的核算,剔鑿混凝土只能使用靜力拆除,無(wú)法利用機(jī)械,以防止對(duì)其他構(gòu)件造成破壞。這種施工方式極大提高了施工成本,超出了甲方改造預(yù)算,該方案不予通過(guò)。

3.2.3 粘貼纖維復(fù)合材加固法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,采用纖維復(fù)合材進(jìn)行方案論證。因?yàn)樵擃?lèi)材料具有良好的抗拉強(qiáng)度,把它粘貼到鋼筋混凝土構(gòu)件表面,使其與混凝土共同作用,提高構(gòu)件承載能力,但同樣因?yàn)榇祟?lèi)材料不適合縱向受力鋼筋一側(cè)配筋率小于0.2%的構(gòu)件,因此該方案也不能實(shí)施[4]。

3.2.4 增大截面法

鋼筋混凝土受彎、受壓構(gòu)件的承載能力與其截面呈正比例關(guān)系,增大截面法是通過(guò)在原有構(gòu)件截面外新增受力鋼筋以及混凝土,使新舊受力鋼筋和混凝土共同作用,增大構(gòu)件截面尺寸,提高構(gòu)件承載能力。該方案無(wú)論構(gòu)件受拉、受彎都可以解決,并且受力明確,造價(jià)合理,可操作性強(qiáng),最后確定采用該方案。梁加大截面示意圖和1—1剖面圖見(jiàn)圖1,圖2。

4 加固施工控制

1)改造加固工程必須由有資質(zhì)的施工單位來(lái)承擔(dān),且這類(lèi)施工任務(wù)必須要有具備相關(guān)技術(shù)和有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的管理人員及操作工人,而且這些人員要有高度的責(zé)任心,否則不但難以保證施工質(zhì)量,還可能對(duì)原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量損傷和破壞,造成安全隱患[5-6]。

2)加固改造前必須經(jīng)檢測(cè)單位確認(rèn)結(jié)構(gòu)本身構(gòu)件是否有安全隱患。有裂縫時(shí),在改造加固時(shí)應(yīng)首先根據(jù)裂組的所在部位、形狀、寬度,分析其產(chǎn)生的原因及對(duì)構(gòu)件承載力有無(wú)影響,然后采用不同的處理方法進(jìn)行處理。

3)在本次加固工程中,為滿足承載力的需要,采用混凝土加大原梁、柱構(gòu)件截面加固法,按現(xiàn)行規(guī)范的做法,為保證新加部分混凝土與原有構(gòu)件共同工作而設(shè)置了大量錨栓或植筋拉結(jié)。為了避免該做法較多地?fù)p傷原構(gòu)件的混凝土或截?cái)嘣袖摻?本次設(shè)計(jì)采用新的節(jié)點(diǎn)做法。即將原有柱相隔一定距離把保護(hù)層剔鑿掉與新混凝土形成槽齒連接傳遞剪力。柱新增截面的縱向受力鋼筋配置在角部,以便在樓板處避開(kāi)梁直通[7]。

4)加固工程中,植筋、錨栓錨固長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有非常大的影響,而且對(duì)于常規(guī)的梁、墻、柱等構(gòu)件,其寬度、厚度很難滿足錨固長(zhǎng)度。采用植筋、錨栓時(shí),必須注意最小邊距和最小中距的規(guī)定,還應(yīng)特別注意在原有構(gòu)件鋼筋密集的部位鉆孔和定位的可能性,嚴(yán)禁損傷和截?cái)嘣瓨?gòu)件受力鋼筋。

5)后期施工過(guò)程中,施工單位必須與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行密切配合。對(duì)設(shè)計(jì)中的構(gòu)件構(gòu)造做法和施工要求,除對(duì)施工單位進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)交底外,還應(yīng)進(jìn)行多輪討論會(huì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)增大截面加固法加固的該辦公樓已經(jīng)順利施工和驗(yàn)收。加固方案具有諸多優(yōu)勢(shì),為結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效、可行的解決方案。增大截面加固法顯著提高了結(jié)構(gòu)的整體承載能力。通過(guò)增加構(gòu)件的截面尺寸,有效增加了結(jié)構(gòu)的抗彎能力和承載能力,使原本受力較弱的部位得到加固,提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,并且增大截面加固法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有顯著提升,更重要的是增大截面加固法維護(hù)了原有結(jié)構(gòu)形態(tài)。這種方法更注重保持原有結(jié)構(gòu)的外觀和形態(tài),能夠最大限度地減小對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響,使得結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)加固后依然具有獨(dú)特的文化和歷史價(jià)值。此外,增大截面加固法的施工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便,降低了加固工程的施工難度和成本。不需要拆除原有結(jié)構(gòu),只需在構(gòu)件的外部增加附加材料或構(gòu)件,從而減小了對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和施工,也降低了施工成本?？⒐な褂煤?受到甲方和施工單位一致好評(píng)。