混凝土結(jié)構(gòu)加固改造后安全性評定及處理對策

趙承明

(中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430064)

某選煤廠主廠房建于20世紀80年代初［1］，自投產(chǎn)使用起，主廠房特殊的用途及工藝導(dǎo)致其內(nèi)部使用環(huán)境不斷惡化。空氣干濕交替頻繁，有害氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)離子含量不斷增加，構(gòu)件表面固態(tài)附著物積聚，加上動力設(shè)備長期的振動荷載作用，部分鋼筋混凝土構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴重的損傷劣化現(xiàn)象，如混凝土疏松剝落、微裂縫密布、順筋裂縫擴展、鋼筋裸露銹蝕等，已對正常的生產(chǎn)和安全構(gòu)成威脅。近年來為適應(yīng)局部工藝改進的要求，廠房內(nèi)部設(shè)備的布局發(fā)生較大改變。因此，需要對主廠房部分區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行改造加固，以滿足工藝改進后整體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)使用的安全性要求。除新增構(gòu)件外，設(shè)計單位在主廠房鋼筋混凝土構(gòu)件的加固設(shè)計時主要采用了梁柱加大截面法和梁外包型鋼法。加固改造施工結(jié)束后，對主廠房改造區(qū)域構(gòu)件進行了安全性檢測，并進行設(shè)計校核，然后對加固改造后構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的安全性進行評定，提出了進一步的加固維護處理對策。

1 主要檢測內(nèi)容及結(jié)果分析［2］

1．1 使用環(huán)境及原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠性

1)主廠房建于20世紀80年代初，限于當時的設(shè)計和施工技術(shù)水平，構(gòu)件成型后混凝土強度較低、保護層厚度較小，施工質(zhì)量一般。鋼筋混凝土構(gòu)件普遍存在蜂窩、麻面等現(xiàn)象，大部分構(gòu)件表面存在大量不規(guī)則的微細裂縫，部分構(gòu)件存在嚴重的銹脹裂縫，最大裂縫寬度達到5 mm，已造成部分構(gòu)件表層混凝土疏松剝落。

2)主廠房內(nèi)部鋼筋混凝土構(gòu)件所處的氣態(tài)、液態(tài)環(huán)境中有害介質(zhì)含量較之正常環(huán)境要大幾十倍至幾千倍，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》，判定主廠房內(nèi)部氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)介質(zhì)對鋼筋混凝土的腐蝕性等級均為中級，煤泥等固態(tài)附著物對混凝土也有較大的腐蝕作用。并且，主廠房內(nèi)部部分構(gòu)件處于比較頻繁的干濕交替狀態(tài)，導(dǎo)致鋼筋混凝土材料及構(gòu)件劣化嚴重，引起鋼筋銹蝕、混凝土開裂、承載力下降等一系列安全性問題。

3)主廠房內(nèi)部所檢測的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土碳化深度平均值在25 mm以上;混凝土抗壓強度值基本滿足原設(shè)計要求(原200號)，部分梁柱混凝土抗壓強度值低于設(shè)計要求，且離散性較大;混凝土脆性增加，滲透性很高;內(nèi)部鋼筋銹蝕率在5%～15%之間，為中度銹蝕，鋼筋承載能力衰退，延性降低。

4)因選煤工藝的要求，主廠房內(nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較特殊的錯層、孔洞等，且內(nèi)部布置許多大型工業(yè)振動設(shè)備，自重在幾噸到幾十噸之間，振動頻率較大。測試結(jié)果表明，大型振動設(shè)備下鋼筋混凝土構(gòu)件做低周高頻的受迫振動;鋼筋混凝土梁在跨中由振動引起的應(yīng)變增量達到了95με甚至更大。

5)主廠房內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)布置、特殊的工藝和力學(xué)環(huán)境造成構(gòu)件、局部乃至整體結(jié)構(gòu)的不良受迫振動，而長期的受迫振動會加劇混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展，導(dǎo)致構(gòu)件變形加劇，同時與惡劣的自然環(huán)境耦合作用，加快鋼筋混凝土構(gòu)件的劣化速率，引起損傷腐蝕加劇，造成構(gòu)件及結(jié)構(gòu)承載力下降，嚴重影響結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命。

1．2 粘鋼加固鋼—混凝土粘結(jié)力

在主廠房加固設(shè)計中，對于多數(shù)承重梁采用了外包型鋼的加固方法，對比《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，這種方法常見于柱的加固補強，而對于受彎構(gòu)件的加固則不多見，且原設(shè)計所采用外包型鋼加固法既不是濕法加固，也不是干法加固，而是介于此二者之間。現(xiàn)場實際的施工與設(shè)計及規(guī)范要求存在一定的出入，如“U”型鋼板僅用錨栓錨固在混凝土上，而無其他可靠連接，加固改造施工時沒有對相應(yīng)部位進行卸載等。

采用ZY-10型錨桿拉力計對加固構(gòu)件的鋼—混凝土之間的粘結(jié)力進行檢測(見圖1)。從現(xiàn)場檢測時鋼—混凝土結(jié)合面破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，厚度為5 mm的鋼板主要表現(xiàn)為混凝土破壞，膠—混凝土破壞(粘結(jié)破壞)為次;厚度為8 mm的鋼板表現(xiàn)為混凝土破壞(見表1)。在選煤廠如此惡劣的自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境等多重因素耦合作用下外包型鋼加固效果將產(chǎn)生一定折減。

圖1 外包型鋼加固效果檢測

表1 鋼—混凝土粘結(jié)強度檢測結(jié)果

1．3 新舊混凝土整體性

在主廠房加固設(shè)計中，部分梁柱采用了加大截面的加固方法。在選煤廠惡劣自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境下，采取加大截面加固法是可行的，但必須嚴格按照規(guī)范［3］規(guī)定設(shè)計和施工，而且在加固改造施工時需要對原有結(jié)構(gòu)進行卸荷處理，防止結(jié)構(gòu)處于二次受力狀態(tài)。但是，從實際取芯檢測發(fā)現(xiàn)，原有混凝土表面打毛處理效果不明顯，輕微撞擊后，加大截面用細石混凝土界面即與原有混凝土界面剝離開，一定程度上影響了加固效果(見圖2)。

圖2 擴大截面加固新舊界面圖

2 加固設(shè)計計算校核［2］

在對選煤廠主廠房使用環(huán)境及鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性檢測結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)參數(shù)的折減，利用PKPM設(shè)計軟件對主廠房進行由單個構(gòu)件到整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)核驗算。將計算分析結(jié)果與折減后的實際情況進行對比校驗，獲得相關(guān)差額數(shù)據(jù)。

2．1 外包型鋼法理論計算校核

外包型鋼法一般用于混凝土柱的加固，被加固柱不僅提高了承載能力，延性也得到了提高，而很少用于加固受彎構(gòu)件。本文對于型鋼加固梁的理論計算校核采用等效成鋼筋面積的方法，同時考慮鋼筋混凝土構(gòu)件因內(nèi)部鋼筋銹蝕、混凝土劣化而引起的承載力下降及加固施工過程中對構(gòu)件所造成的二次損傷等因素，而對原構(gòu)件承載能力進行一定程度的折減。

以另一被加固受彎構(gòu)件為例，構(gòu)件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部新增2根∠63×5的角鋼。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計算原則計算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=1 326 mm2，新增等效鋼筋面積1 229 mm2＜1 326 mm2，因此加固不滿足要求。

在對外包型鋼加固構(gòu)件按照上述計算原則進行計算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構(gòu)件加固后仍不能滿足承載力要求，仍然需要進一步的加固處理。

2．2 加大截面法理論計算校核

對于加大截面加固過程中新增加的鋼筋(增補筋)，由于其相對于梁內(nèi)原筋存在著應(yīng)力滯后現(xiàn)象，因此規(guī)范［3］規(guī)定對增補筋的抗拉強度設(shè)計值，應(yīng)乘以0．9的折減系數(shù)。但是規(guī)范僅考慮了對增補筋的折減，而未考慮原有構(gòu)件在長時間服役過程中由于各種因素影響導(dǎo)致其承載力的降低，已有研究表明，混凝土劣化、鋼筋銹蝕等因素都會使鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力下降。因此，本文在參考相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際檢測分析結(jié)果，對原構(gòu)件承載力進行了一定程度的折減。

以某被加固受彎構(gòu)件為例，構(gòu)件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部加高100 mm，上部加高80 mm，上部新增2根直徑22的二級鋼筋，下部新增3根直徑22的二級鋼筋。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計算原則計算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=815 mm2，新增鋼筋面積1 140 mm2＞815 mm2，滿足要求。

在對加大截面加固構(gòu)件按照上述計算原則進行計算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構(gòu)件加固后仍不能滿足承載力要求，需要進一步的加固處理。

3 安全性評定及處理對策

3．1 安全性評定

綜合主廠房鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性檢測結(jié)果和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算的計算差額，依據(jù)《工業(yè)廠房可靠性鑒定標準》的評定體系［4］，評定選煤廠主廠房加固改造后上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)項目安全性等級為:大部分B級，部分C級(承載能力、正常使用性能和耐久性能不滿足要求，但主要承重構(gòu)件尚有一定的安全儲備，短期內(nèi)不至于發(fā)生意外事故，變更使用，進行全面修復(fù)和加固)，個別構(gòu)件D級(承載能力嚴重不足，有發(fā)生意外事故的可能，停止使用，進行大修和加固)。

3．2 處理對策

綜合分析檢測結(jié)果、加固設(shè)計計算校核及安全性評定結(jié)論，提出進一步處理對策。

1)對混凝土剝落、鋼筋外露、銹蝕但在加固改造施工中未進行處理的B級構(gòu)件，應(yīng)將表面疏松混凝土剔除，并對鋼筋除銹，再用水泥砂漿將其凹凸不平部位進行分層修補完整。2)結(jié)合檢測、計算校核及安全性評定結(jié)果，對于未加固的C級，D級構(gòu)件，必須進行加固處理，且在加固時應(yīng)對被加固構(gòu)件進行卸荷處理;對于加固后仍不能滿足安全使用要求的構(gòu)件，應(yīng)采取措施進行二次加固;對于改造過程中新增加鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)進行一定的防腐蝕處理，保證其耐久性。3)在進行進一步的加固設(shè)計時必須采取分類加固補強和長期維護并重的原則，并優(yōu)先采用粘貼碳纖維材料和增大截面的加固方法，同時確保加固材料與原結(jié)構(gòu)的相容性和長期粘結(jié)力。4)對于振動影響明顯區(qū)域，應(yīng)采取有效的減振措施，并對振動設(shè)備附近部分主要構(gòu)件進行長期跟蹤觀測，重點研究在選煤廠工業(yè)廠房這種惡劣自然環(huán)境和特殊工藝力學(xué)環(huán)境耦合作用下構(gòu)件的長期承載能力變化規(guī)律、內(nèi)部損傷劣化規(guī)律及構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的耐久使用壽命［5］。

［1］中華人民共和國煤炭工業(yè)部選煤設(shè)計研究院．《180萬噸選煤廠主廠房》和《上海大屯煤礦礦區(qū)選煤廠主廠房》施工圖［Z］．1978．

［2］上海大屯能源股份有限公司．選煤廠主廠房改造部分結(jié)構(gòu)安全性檢測校驗及鑒定(內(nèi)部資料)［Z］．2006．

［3］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］．

［4］GB J144-90，工業(yè)廠房可靠性鑒定標準［S］．

［5］呂恒林，周淑春，吳元周，等．煤礦地面工業(yè)環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化機理和防治技術(shù)研究［A］．2007年第一屆海峽兩岸三地混凝土技術(shù)研討會論文集［C］．2007．