混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)淺析

王 鳳 劉秋玲

建國以來我國完成的各類建筑，相當(dāng)多的建筑已經(jīng)進入中老年期，必須進行維修和加固[1]。對已修建好的各類房屋建筑、橋梁進行維修、保護和加固，保持其正常使用功能，延長其使用壽命，對我國而言，不但可以節(jié)約投資，而且能夠減少土地的征用，對緩解日益緊張的城市用地矛盾有著重要的意義[2]。

1 混凝土加固結(jié)構(gòu)的受力特征

加固時原混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)受力，并產(chǎn)生一定的應(yīng)力應(yīng)變，加固屬于二次受力，而加固一般都是在未卸載或部分卸載的情況下進行的，原結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在著一定的應(yīng)力應(yīng)變，所以加固的部分并不能馬上承受荷載，只有在荷載發(fā)生變化時，才能協(xié)助原結(jié)構(gòu)共同分擔(dān)荷載。這樣新加結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力應(yīng)變始終滯后于原結(jié)構(gòu)，新、舊結(jié)構(gòu)不能同時達到應(yīng)力峰值。發(fā)生破壞時，新加部分可能并不能達到自身的承載能力極限。同時，如果原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力和變形較大，則新加部分的應(yīng)力將處于較低水平，潛力不能充分發(fā)揮，起不到應(yīng)有的加固效果。加固結(jié)構(gòu)屬于新、舊二次組合結(jié)構(gòu)，加固部分能否達到預(yù)期效果，取決于新、舊部分能否成為整體，共同工作，即新、舊結(jié)構(gòu)的結(jié)合面能否充分地傳遞剪力。但實際上，新、舊混凝土結(jié)合面的抗剪強度一般總是遠低于一次整澆混凝土的抗剪強度，因此，在整體承載能力上二次組合結(jié)構(gòu)比一次整澆結(jié)構(gòu)要低一些。加固結(jié)構(gòu)的這些受力特征，決定了加固結(jié)構(gòu)不同于新建混凝土結(jié)構(gòu)，合理的處理好這些問題，是設(shè)計、施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

2 建筑加固原則

1)盡可能使加固措施發(fā)揮綜合效應(yīng)，提高加固效率。2)盡可能保留和利用原結(jié)構(gòu)構(gòu)件，發(fā)揮原結(jié)構(gòu)的潛力，避免不必要的拆除和更換。3)盡可能減小對建筑物使用功能的影響。4)加固后結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和校核除了應(yīng)遵守結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則外，尚應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)在加固時的工作應(yīng)力，加固部分應(yīng)變滯后的特點，新舊材料協(xié)同工作的程度，加固后構(gòu)件截面形心和剛度的變化等。5)避免或盡可能減小設(shè)計方案的負面效應(yīng)，充分考慮加固措施對結(jié)構(gòu)體系、未加固構(gòu)件、地基等可能造成的不利影響。6)應(yīng)采取可靠措施保證新舊材料的共同工作，盡可能通過合理安排新舊構(gòu)件的拆裝順序，通過臨時卸載、臨時支頂或采取預(yù)應(yīng)力加固的方法等，減小應(yīng)力滯后現(xiàn)象，充分發(fā)揮新增部分的作用。

3 幾種常見的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法

3.1 直接加固的一般方法

3.1.1 增大截面加固法

增大截面加固法也稱為外包混凝土加固法，它采用同種材料(混凝土和普通鋼筋)對原結(jié)構(gòu)進行加固補強，通過增大混凝土和鋼筋截面的面積和一些構(gòu)造措施，保證后加固部分與原構(gòu)件可靠連接，共同工作，達到提高截面承載力和剛度的目的。

增大截面法的技術(shù)特點是，在設(shè)計構(gòu)造方面必須注意解決好新加部分與原有部分的整體工作、共同受力問題。加固結(jié)構(gòu)在受力過程中，結(jié)合面會出現(xiàn)拉壓彎剪等各種復(fù)雜應(yīng)力，其中主要是拉力和剪力。該方法施工工藝簡單，適用面廣，可廣泛用于梁、板、柱、墻、基礎(chǔ)、屋架等混凝土構(gòu)件的加固。但是該方法要求現(xiàn)場作業(yè)工作量大，養(yǎng)護時間較長，對生產(chǎn)和生活有一定影響，而且構(gòu)件的截面增大后對結(jié)構(gòu)的外觀和房屋凈空也有一定影響[4]。

3.1.2 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法指對原有結(jié)構(gòu)強度低、韌性差的構(gòu)件材料用強度高、韌性好的混凝土材料置換的方法。該方法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土強度偏低或有嚴(yán)重缺陷的局部加固。施工工藝簡單方便，工期短，占用空間小，不影響使用功能，而且造價比較低，經(jīng)濟合理。置換部分應(yīng)位于構(gòu)件受壓區(qū)內(nèi)，且應(yīng)根據(jù)受力方向?qū)⒂腥毕莼炷撂蕹?，剔除位置?yīng)在沿構(gòu)件整個寬度的一側(cè)或?qū)ΨQ的兩側(cè)，不得僅剔除截面的一隅[1]。

3.1.3 外包鋼加固法

外包鋼加固是把型鋼(一般為角鋼或槽鋼)或鋼板包于構(gòu)件的四角或兩角的加固方法，采用該方法加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，應(yīng)采用環(huán)氧樹脂膠粘劑進行灌注，把型鋼與被加固構(gòu)件粘結(jié)成一整體，以保證型鋼架和原構(gòu)件形成一個整體共同受力。該加固法技術(shù)先進、受力可靠、加固性能好、占用空間小、施工簡便、施工周期短、現(xiàn)場工作量小，安全并能減輕勞動強度。但用鋼量較大，外包材料表面溫度不宜高于60℃，還要有可靠的防腐蝕措施，適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。

3.1.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法主要原理是依靠膠粘劑來使新增薄鋼板與混凝土形成一個整體來共同受力。加固用的鋼板，最好選用Q235鋼或16Mn鋼。粘結(jié)用的膠粘劑稱為結(jié)構(gòu)膠，常由環(huán)氧樹脂加入適量的增韌劑、固化劑、增塑劑配制而成。相比其他的幾種加固方法，粘貼鋼板加固法有自己獨特的優(yōu)點。粘貼鋼板加固法施工速度快，從清理、修補加固構(gòu)件表面，到將鋼板粘貼并加壓固化，僅需1 d～2 d時間，相比其他加固方法能節(jié)省大量施工時間。此外，粘貼鋼板加固法鋼材的利用率高、用量少，可按計算的需要量下料，并將鋼材粘貼于加固部位，原構(gòu)件整體協(xié)同工作，用少量鋼材就能大幅度提高構(gòu)件的抗裂性，抑制裂縫的發(fā)展，提高承載力。該加固法主要應(yīng)用于正常環(huán)境下承受靜載的受彎和受拉構(gòu)件，對于承受動載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)慎重采用。

3.1.5 粘貼纖維材料加固法

纖維復(fù)合材料作為一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)補強加固材料在我國逐漸興起，纖維增強復(fù)合材料是利用樹脂類膠結(jié)材料將纖維布粘貼于混凝土表面，從而達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。結(jié)構(gòu)加固中常用的FRP(纖維增強復(fù)合材料)有:CFRP(碳纖維增強塑料)、GFRP(玻璃纖維增強塑料)和AFRP(芳綸纖維增強復(fù)合材料)。與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)越性。

3.2 間接加固法

1)預(yù)應(yīng)力加固法。采用異型材料(高強鋼筋或型鋼)，通過施加預(yù)應(yīng)力迫使新材料與原材料共同受力，達到對結(jié)構(gòu)加固的一種方法。該方法具有能夠克服被加固構(gòu)件截面超載，減少原構(gòu)件裂縫寬度和撓度等優(yōu)點。適用于要求提高構(gòu)件承載力、剛度和抗裂度以及加固后占用空間小的混凝土受彎構(gòu)件或變壓構(gòu)件，此方法不適用于溫度高于60℃環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)，也不適用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。2)增加構(gòu)件法。在原結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與構(gòu)件間增設(shè)一個新的構(gòu)件，以減少作用在原構(gòu)件上的荷載，達到加固結(jié)構(gòu)的作用。適用于單層工業(yè)廠房或增設(shè)新構(gòu)件后不影響使用要求的多層房屋的樓面梁、柱的加固，施工時不破損原結(jié)構(gòu)，施工安全。3)增設(shè)支點加固法。通過增設(shè)支承點來減小結(jié)構(gòu)計算跨度，達到減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和提高其承載能力的加固方法。該法簡單可靠，但對于使用空間有一定影響，適用于梁、板、桁架、網(wǎng)架等水平結(jié)構(gòu)的加固。按照增設(shè)的支承結(jié)構(gòu)的變形性能，增設(shè)支點法可分為剛性支點和彈性支點兩種情況。相對而言，剛性支點加固對結(jié)構(gòu)承載能力提高幅度較大，彈性支點加固對結(jié)構(gòu)使用空間的影響程度較低。4)增加結(jié)構(gòu)整體性加固法。通過增設(shè)支撐使多個構(gòu)件形成空間整體共同工作，整體破壞的概率小于單個構(gòu)件破壞的概率，在不加固其中任何一個構(gòu)件的情況下提高了結(jié)構(gòu)的可靠度。

4 結(jié)語

對于建筑結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況，分別采取不同的加固方法以取得最佳效果，來滿足不同的使用要求。上述混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)還有待于在實踐中進一步探索，隨著建筑科學(xué)技術(shù)的不斷進步，新型建筑材料不斷出現(xiàn)，更好的加固施工方法將會有更大拓展。因此，加固施工方案的選擇范圍也將具有廣泛的空間。

[1] 卓尚木，季直昌，卓昌志.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)事故分析與加固[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997:53-85.

[2] 王濟川.房屋常見事故分析、鑒定與處理[M].長沙:湖南科技出版社，1996:64-107.

[3] 陳文彬.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的探討[J].建筑施工，2010，3(27):66-68.

[4] 周希茂.增大截面法加固鋼筋混凝土框支架的非線性有限元分析[D].西安:西安科技大學(xué)，2006.