混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及加固方法

胡建強(qiáng)

（立誠建筑設(shè)計(jì)院有限公司，蘇州 215200）

50年來，我們的國家結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與加固技術(shù)經(jīng)歷了從無到有、從單一到綜合、從局部構(gòu)件到整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。尤其是最近20多年來，我國結(jié)構(gòu)檢測(cè)加固的發(fā)展非常迅猛，檢測(cè)加固的對(duì)象從初始階段的低層、破舊的小型民用建筑擴(kuò)展到建設(shè)工程中的各種結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)類型。結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在提高建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)，也為國家和企業(yè)節(jié)省了大量建設(shè)資金，并保障了企業(yè)的安全高效生產(chǎn)和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 鋼筋混凝土加固中的技術(shù)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為一種廣泛使用于建筑工程的結(jié)構(gòu)類型，由于其自身特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)施工中遇到的問題，使得其往往存在各種缺點(diǎn)和不足。一方面，為了節(jié)省資金，提高建筑的使用年限，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全性，需要對(duì)老舊建筑進(jìn)行檢測(cè)加固。另一方面，由于設(shè)計(jì)施工的不合理，使得工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量在沒有達(dá)到預(yù)期值等情況下都需要在施工過程中或后期使用過程中對(duì)建筑采取加固措施。鋼筋混凝土加固問題既是國內(nèi)外一個(gè)長久的熱點(diǎn)問題，也是一個(gè)令很多設(shè)計(jì)施工人員頭痛的問題。如何根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，采取有效措施，優(yōu)質(zhì)高效地完成加固作業(yè)，是擺放在每個(gè)建筑工作者面前的一個(gè)重要問題，需要我們進(jìn)行積極的探索和研究。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)加固問題是一項(xiàng)實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的問題，需要廣大建筑工業(yè)人員不但要了解現(xiàn)行規(guī)章制度，還應(yīng)對(duì)以往類似工程的實(shí)施情況有所了解，如此才能不斷提高檢測(cè)加固作業(yè)設(shè)計(jì)施工的水平。

目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣的幾種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方法主要有10來種，包括增大截面法、纖維材料加固法、外包鋼法、改變結(jié)構(gòu)受力體系法、預(yù)應(yīng)力加固法、化學(xué)灌漿法、粘鋼法等。這些方案能夠得到廣泛應(yīng)用，必然有其原因。在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合工程實(shí)際，在熟練掌握每種加固方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍的基礎(chǔ)上，選擇適合工程對(duì)象的最優(yōu)方法和技術(shù)。下文以鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術(shù)和碳纖維加固技術(shù)為例，對(duì)其特點(diǎn)和使用方法、適用范圍進(jìn)行介紹。

1.1 鋼筋混凝土柱外包粘鋼加固技術(shù)

在建筑工程歷史上，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一門新興的學(xué)科。幾年來，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)工作一直在開展，理論分析也逐漸完善，規(guī)范編制更為合理，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的運(yùn)用也更加普遍。其中，粘鋼加固法是比較新穎的一種加固方法。它的原理是：在梁柱四周，用乳膠水泥、環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿或焊接等方法實(shí)現(xiàn)加固的目的。這種方法可以提高結(jié)構(gòu)承載力，而且簡單，快速，不影響結(jié)構(gòu)外形，降低了施工對(duì)生產(chǎn)和生活的影響。外包粘鋼加固技術(shù)有2種形式：干式外包鋼和濕式外包鋼。下面簡要分析一下2種方法。

1.1.1 干式外包鋼加固的概念及原理

干式外包鋼加固是指鋼筋混凝土柱采用外包型鋼加固，當(dāng)型鋼和混凝土之間無任何連接，或雖填塞水泥砂漿但仍不能確保結(jié)合面剪力可靠傳遞時(shí)，稱為干式外包鋼。其加固原理是利用型鋼與扁鋼箍形成鋼構(gòu)套，鋼構(gòu)套對(duì)混凝土柱形成包裹約束，達(dá)到增強(qiáng)鋼筋混凝土柱構(gòu)件軸向承載力的一種加固方法，以達(dá)到構(gòu)件滿足承載力要求的一種補(bǔ)強(qiáng)加固方法。干式外包鋼加固技術(shù)是一種比較傳統(tǒng)的技術(shù)，并不是新興的，通過實(shí)踐我們不難發(fā)現(xiàn)，這種方法提高了鋼筋混凝土柱的軸向抗壓能力，但是具有局限性。

1.1.2 濕式外包鋼加固的概念及原理

濕式外包鋼加固是指鋼筋混凝土柱采用外粘型鋼加固，即型鋼和混凝土之間通過結(jié)構(gòu)膠粘貼連接，能確保結(jié)合面剪力可靠傳遞時(shí)，稱為濕式外包鋼加固。其加固原理是利用型鋼與扁鋼箍形成鋼構(gòu)套，鋼構(gòu)套對(duì)混凝土柱形成包裹約束，達(dá)到增強(qiáng)鋼筋混凝土柱構(gòu)件軸向承載力的目的。另外通過結(jié)構(gòu)膠的剪力傳遞作用，外加鋼材的強(qiáng)度又能補(bǔ)足混凝土構(gòu)件內(nèi)部受拉鋼筋的缺失。從而達(dá)到構(gòu)件滿足承載力要求的一種補(bǔ)強(qiáng)加固方法。濕式外包鋼加固不但能通過鋼構(gòu)套的約束作用，提高構(gòu)件垂直承載力，還能通過結(jié)構(gòu)膠的剪力傳遞作用，使后加型鋼與原混凝土構(gòu)件共同受力，從而補(bǔ)強(qiáng)混凝土構(gòu)件內(nèi)部配筋不足、抵抗水平荷載等。

1.1.3 兩種加固形式的區(qū)別

從二者加固的原理我們可以看出，干式外包鋼施工程序更為簡單，而濕式外包鋼承載力大，整體工作性能強(qiáng)。在實(shí)際的施工中，根據(jù)具體情況選擇合適的方法才是最重要的。例如：加固混凝土框架柱，選用外包鋼加固法是最明智的。因?yàn)槭┕せ旧蠈?duì)加固構(gòu)件的截面尺寸和外觀影響不大，承載能力要求較高，對(duì)靜力加固的結(jié)構(gòu)必須考慮結(jié)構(gòu)2次受力問題。在外包鋼加固法中，低強(qiáng)鋼材是首選材料。這種材料可以減少加固構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變滯后現(xiàn)象而充分發(fā)揮后加部分的潛力，同時(shí)可以提高2次結(jié)合面的粘結(jié)性，保障新舊部分均勻受力。另外，加固結(jié)構(gòu)中的水泥和混凝土，一定要收縮性差，最好具有微膨脹的特點(diǎn)，這樣提高了與原結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性。最后，加固中的粘結(jié)劑，粘結(jié)強(qiáng)度一定要高，而且要耐老化，這樣才能達(dá)到修復(fù)加固的目的。

1.2 鋼筋混凝土碳纖維加固技術(shù)

1.2.1 碳纖維簡介

碳纖維是一種綜合了碳和纖維特征的新型材料，它不僅具有傳統(tǒng)碳材料高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還具備纖維材料柔軟性好，加工性能良好的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維材料力學(xué)性能和工程性能俱佳，與目前廣泛應(yīng)用的鋼材相比，其比重不足鋼的四分之一，但抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到鋼材的7至9倍，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型復(fù)合材料?？梢灶A(yù)見，碳纖維材料必將在工程結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮出越來越大的作用。

除輕質(zhì)高強(qiáng)外，碳纖維材料還具有抗腐蝕、耐疲勞，溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，因而非常適用于土木工程結(jié)構(gòu)。

目前在工程結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用較廣的碳纖維材料主要是碳纖維布。利用結(jié)構(gòu)專用膠將碳纖維布粘貼在待加固結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面，可以有效提高傳統(tǒng)技術(shù)中所用鋼材的強(qiáng)度，而厚度卻僅有2mm左右，基本可以忽略，不會(huì)造成構(gòu)件截面積的增大。

1.2.2 碳纖維材料和其他加固材料的區(qū)別

碳纖維材料以其優(yōu)異的性能逐漸應(yīng)用到建筑工程中，同其他加固材料相比，具有以下特點(diǎn)：

1）抗拉強(qiáng)度強(qiáng)：試驗(yàn)表面碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到鋼材的7～9倍，甚至10倍。

2）彈性模量：相比于鋼材，碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量較強(qiáng)。但也并不是說所有的復(fù)合材料均如此，如芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量僅為鋼材的1/4～1/2。

3）抗疲勞強(qiáng)度：碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的抗疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。雖然金屬的硬度高，但由于是脆性材料，其疲勞強(qiáng)度極限并不是特別高，往往僅能達(dá)到靜荷強(qiáng)度的3～4成。而在金屬基體中摻入纖維后，可延緩內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，并進(jìn)行內(nèi)力重分布，從而可有效提高材料的抗疲勞性能。一般來說，復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限可達(dá)到靜荷強(qiáng)度的7～8成。除此之外，由于復(fù)合材料的延性較好，發(fā)生破壞前會(huì)產(chǎn)生較明顯的變形，可為相關(guān)人員的預(yù)防和勘察提供線索，也能減輕損失的后果。

4）與碳纖維板的比較：碳纖維片材粘結(jié)度高，可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板材則適用于規(guī)則構(gòu)件表面。此外，由于粘貼板材時(shí)底層樹脂的用量多、厚度大，與混凝土界面的粘接強(qiáng)度不如片材強(qiáng)。

1.2.3 碳纖維加固的工具

工具是建筑工程中不可缺少的，各種技術(shù)不同，采用的工具也是不同的。在碳纖維加固技術(shù)中，所使用的工具包括：基底處理工具，粘貼碳纖維，檢測(cè)類工具，修補(bǔ)類工具，勞保類用品。

其中，基底處理工具主要是指用于打磨混凝土表面的磨機(jī)、用于剔鑿混凝土表面松散部位的混凝土殘?jiān)溺Y子和用于清除混凝土表面的不潔污漬的鋼絲刷；粘貼碳纖維工具是指用于調(diào)和環(huán)氧樹脂的調(diào)料容器、用于稱量材料各組分的重量的衡器、用于攪拌混合樹脂材料的攪拌器，用于修補(bǔ)凹凸不平及粘貼碳纖維撫平的刮板、用于涂刷樹脂的滾筒刷和用于碳纖維的脫泡和壓緊的羅拉。作為建筑人員，明確工具用途，選擇合適的工具也是搞好建筑工作的前提。

2 結(jié)構(gòu)加固的展望

結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展。新材料的開發(fā)是推動(dòng)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展取決于測(cè)試儀器的發(fā)展，加固技術(shù)的發(fā)展依賴于新材料的開發(fā)。通過重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫的新型材料產(chǎn)生的施工方便、加固效果好的加固方法可以有效推動(dòng)加固技術(shù)的發(fā)展。

加固技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方面體現(xiàn)在加固理論的改進(jìn)上。目前的結(jié)構(gòu)加固工作基本上是針對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力不足而實(shí)施，缺乏對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的把握，從而導(dǎo)致有時(shí)加固效果會(huì)適得其反。如對(duì)結(jié)構(gòu)某一層的加固，會(huì)加大該層的剛度，造成相鄰樓層的剛度差異，不利于結(jié)構(gòu)抗震而對(duì)梁、柱的補(bǔ)強(qiáng)，與抗震概念設(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁”的思想有悖。這些問題的產(chǎn)生，都與只重視局部，缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)整體的考量有關(guān)，需要提高加固理論才能夠得到解決。

加固施工技術(shù)的先進(jìn)性和科學(xué)性、施工機(jī)具的先進(jìn)性也是結(jié)構(gòu)加固技術(shù)提高的重要表現(xiàn)，但是卻沒有受到應(yīng)有的重視，尚缺乏足夠的研究，這一方面以后需要加強(qiáng)。

3 結(jié) 語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方案的選擇要具有針對(duì)性，不同的工程結(jié)構(gòu)都有其自身特點(diǎn)，需要結(jié)合這些特點(diǎn)，綜合考慮性價(jià)比、性能比和質(zhì)量比以及施工技術(shù)的科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)施的難易程度進(jìn)行加固措施的比選，只要這幾個(gè)方面都做好了，才能算得上是優(yōu)秀的加固方案，才能取得經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的最大化。筆者認(rèn)為，化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)法作為目前結(jié)構(gòu)加固工程中最先進(jìn)的方法之一，在實(shí)際工程中可優(yōu)先考慮。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的加固方法對(duì)人力、物力和時(shí)間的要求高，往往無法在工程質(zhì)量、施工周期、安全性和經(jīng)濟(jì)性這幾個(gè)指標(biāo)中找到合適的平衡點(diǎn)，而化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)法則能較好地解決這一問題，顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢(shì)，因而往往成為工程加固中的優(yōu)選方案。當(dāng)然，隨著建筑科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，新型建材的日益涌現(xiàn)，更好、更新的建筑加固方法、科技和材料也必將會(huì)被相繼開發(fā)出來，到時(shí)廣大建筑人員將會(huì)有更多的選擇余地。只有牢牢掌握結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的原則，才能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的加固方案。

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