鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)應(yīng)用研究

■劉蔚曉 ■時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003

混凝土是現(xiàn)代建筑工程的重要材料，我國(guó)建筑采用混凝土材料已有近百年的歷史，隨著時(shí)間的推移，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的老化和損傷，由于設(shè)計(jì)缺陷或施工不當(dāng)可能造成混凝土結(jié)構(gòu)蜂窩、麻面、孔洞等質(zhì)量缺陷，重者可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂、傾斜、坍塌等重大事故。為此，研究混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 結(jié)構(gòu)加固要求

在加固方案的選擇上，應(yīng)盡可能爭(zhēng)取做到以下幾點(diǎn):(1)綜合各加固措施，優(yōu)選加固效果好，施工工期短，材料用量少，簡(jiǎn)單易操作、勞動(dòng)強(qiáng)度低的加固方法，充分發(fā)揮綜合效應(yīng);(2)對(duì)于可以繼續(xù)使用的原結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量保留，發(fā)揮其潛力，避免無(wú)謂的拆卸、更換，節(jié)省材料及勞動(dòng)力;(3)盡可能減小加固構(gòu)件對(duì)建筑物原使用功能的影響;(4)避免或盡可能降低加固方案帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，事先要充分考慮加固措施可能會(huì)帶來(lái)的不利影響。(5)在加固材料的選擇上，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)要比原結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，且不低于C20;在加固的混凝土中不能摻入火山灰、粉煤灰、高爐礦渣等其他混合材料。對(duì)于粘結(jié)材料及化學(xué)灌漿材料，其粘結(jié)強(qiáng)度要比被粘結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度大。

2 結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是在確認(rèn)建筑物的可靠性后，對(duì)存在問(wèn)題的部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，從而恢復(fù)建筑物原有的使用功能和安全性的技術(shù)措施。目前混凝土建筑結(jié)構(gòu)常用的加固技術(shù)可分為直接加固法和間接加固法。

直接加固法包括加大截面法、混凝土置換法、外包鋼加固法、黏貼纖維復(fù)合材料法。加大截面法是指增大截面尺寸、增加受力配筋，從而提高建筑結(jié)構(gòu)承載力的方法。該方法施工簡(jiǎn)便、技術(shù)成熟、質(zhì)量易于控制，適用于板、柱、梁、墻及一般構(gòu)造物等多種結(jié)構(gòu)的加固，但該方法現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，可能減少原有建筑使用空間等缺陷?；炷林脫Q法是清除建筑結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)或存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷部位的混凝土，重新澆灌新混凝土的加固方法。該方法濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、清除混凝土工作量大，同時(shí)需要增設(shè)部分加固設(shè)施。外包鋼加固法是將型鋼(通長(zhǎng)為角鋼)外包于構(gòu)件四角(或兩角)來(lái)加固混凝土結(jié)構(gòu)，外粘鋼加固法是通過(guò)在混凝土構(gòu)件表面粘貼鋼板，提高結(jié)構(gòu)承載力來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，這兩種方法都具有施工操作簡(jiǎn)便、施工時(shí)間短、，效果可靠等優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)際效果主要取決于粘鋼施工質(zhì)量。黏貼纖維復(fù)合材料法是將高強(qiáng)度纖維織物黏貼于加固構(gòu)件表面，該方法具有高強(qiáng)高效，不增加構(gòu)件自重和體積，對(duì)受拉和受壓承載力不足的加固具有較好效果。

間接加固法可分為增加支撐法、預(yù)應(yīng)力法。增加支撐法即指增加支承構(gòu)件的方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，該方法的優(yōu)點(diǎn)是受力明確、安裝簡(jiǎn)便、維修效果可靠;缺點(diǎn)是容易破壞建筑物的原貌和使用功能，會(huì)使建筑物的凈空間減小，所以該方法常用于搶險(xiǎn)工程或?qū)Υ罂缈臻g要求不高的建筑。預(yù)應(yīng)力法是通過(guò)設(shè)置外加預(yù)應(yīng)力拉桿或撐桿的方式，改變?cè)Y(jié)構(gòu)部分內(nèi)力模式，從而提高建筑結(jié)構(gòu)承載力。

另外，混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為帶裂縫工作，但裂縫如若開(kāi)展過(guò)大，會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性，對(duì)裂縫超過(guò)規(guī)范限值的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行裂縫修補(bǔ)。裂縫修補(bǔ)方法主要有以下3 種:表面處理法、填充法、灌漿法。裂縫修補(bǔ)的材料主要為樹(shù)脂和水泥。修補(bǔ)方法與修補(bǔ)材料的類型密不可分。根據(jù)工程實(shí)際和建筑結(jié)構(gòu)要求，選擇合理的加固材料和方法是實(shí)施混凝土建筑結(jié)構(gòu)加固工程的關(guān)鍵。

3 案例分析

3.1 工程概況

某市綜合辦公樓項(xiàng)目，呈長(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)約200m，南北寬約300m，總建筑面積約7.0 萬(wàn)方，地上19 層，建筑面積約6.1 萬(wàn)方，地下1 層，建筑面積約0.9 萬(wàn)方。該辦公綜合樓的報(bào)告廳位于主體結(jié)構(gòu)四層，有大空間的使用要求，其屋面為大跨度框架結(jié)構(gòu)，是建筑結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)。在施工過(guò)程中，由于模板支撐體系失穩(wěn)導(dǎo)致報(bào)告廳屋面整體坍塌，事故造成一系列不良影響，必須采取積極有效的加固措施。

3.2 事故分析與評(píng)估

綜合樓屋面垮塌事故發(fā)生后，建設(shè)單位組織相關(guān)部門進(jìn)行原因分析和影響評(píng)估。從施工現(xiàn)場(chǎng)看，施工單位未按照預(yù)先設(shè)定的模板支護(hù)系統(tǒng)專家論證方案進(jìn)行施工，導(dǎo)致模板支護(hù)系統(tǒng)整體失穩(wěn)，造成屋面破壞。主要有兩方面的問(wèn)題:一是支撐系統(tǒng)的橫向和縱向排架間距未滿足設(shè)計(jì)方案要求，排架底部未按要求設(shè)置掃地桿，未設(shè)置剪刀撐。二是支撐系統(tǒng)中部分支撐桿落在未到齡期的懸挑梁上，同時(shí)尚未完成結(jié)構(gòu)受力核算，懸挑梁下面也沒(méi)有設(shè)置新的支護(hù)措施。

屋面坍塌對(duì)該項(xiàng)目造成較大影響。一是坍塌造成四層周邊尚未凝固的混凝土散落在四樓混凝土柱頭上并形成塊狀凝結(jié)，受沖擊力影響四樓部分混凝土柱頭表面的保護(hù)層出現(xiàn)開(kāi)裂;二是部分裸露鋼筋受倒塌外力影響發(fā)生嚴(yán)重變形，甚至產(chǎn)生90°壓彎;三是四層懸臂陽(yáng)臺(tái)受倒塌外力沖擊，懸臂梁根部斷裂;四是受倒塌外力作用，三層部分梁在撞擊后發(fā)生開(kāi)裂，裂縫最寬處約0.5mm，深度達(dá)300mm。根據(jù)屋面坍塌原因及受損情況分析，該報(bào)告廳部分梁、柱、裸露鋼筋受損嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)采取加固措施。

3.3 加固技術(shù)方案

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)加固主要涉及兩方面:一是混凝土工程;二是鋼筋工程。

3.3.1 混凝土工程加固

混凝土工程加固的重點(diǎn)是:四樓柱頭混凝土結(jié)構(gòu)和懸臂梁、板混凝土結(jié)構(gòu)。

(1)混凝土柱頭加固。經(jīng)檢測(cè)，混凝土柱頭結(jié)構(gòu)完好，強(qiáng)度基本符合要求。但也存在部分結(jié)構(gòu)缺陷，一方面，坍塌的屋面使周邊未達(dá)終凝的混凝土散落在柱頭上凝結(jié)成塊，從而影響混凝土柱頭的咬合力;另一方面，部分柱頭鋼筋的混凝土保護(hù)層出現(xiàn)張拉裂縫和脫落現(xiàn)象。為此，采取的主要修復(fù)方法是:首先，將散落在結(jié)構(gòu)層上的混凝土鑿去，并用清水沖洗干凈，直至顯露原結(jié)構(gòu)層;其次，采用扁嘴鑿將混凝土柱頭上脫落或開(kāi)裂部分鑿除，若混凝土的剝落位置在鋼筋中心線附近，則應(yīng)將鋼筋周邊混凝土全部清除，以滿足混凝土與鋼筋的握裹力，混凝土裂縫清除后，可與柱子同步澆筑新混凝土;第三，為保障新、舊混凝土的緊密銜接，在交界面上采用鑿毛處理，以增強(qiáng)混凝土面的契合表面積，并在交接面增刷界面劑，同時(shí)為了避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象，鑿除的范圍應(yīng)為混凝土外皮至內(nèi)10cm 以上。

(2)懸臂梁、板結(jié)構(gòu)。經(jīng)檢測(cè)，該綜合樓四層懸臂梁板混凝土結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重，懸臂梁板已嚴(yán)重?cái)嗔?，?yīng)及時(shí)清除已破壞的建筑結(jié)構(gòu)，并對(duì)懸臂部分采用加固處理。一是混凝土加固面的處理。懸臂梁的根部是新舊混凝土的結(jié)合面，將交界面表面鑿毛，每隔10cm 開(kāi)鑿寬度8cm，深度5cm 的凹槽，以增強(qiáng)新舊混凝土的咬合力，充分沖洗鑿毛面和凹槽面，并涂刷界面劑，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。二是強(qiáng)化懸臂梁根部的抗彎、抗剪性能。由于新澆筑的混凝土與原混凝土存在施工縫，這樣會(huì)減弱懸臂梁的抗彎、抗剪能力，為此采取增加懸臂梁尺寸，增大縱向受力筋的。方式進(jìn)行加固，將已拆除的懸臂梁K126、L16 的截面增加50mm，同時(shí)上排鋼筋、下排鋼筋附近各增加4 根直徑為25mm 的的螺紋鋼。在懸臂梁中增設(shè)鋼筋后，增設(shè)直徑為10mm 間距100mm 的箍筋。通過(guò)上述措施，能夠有效增強(qiáng)懸臂梁根部的抗彎抗剪能力

(3)混凝土梁裂縫處理。報(bào)告廳屋面倒塌后，三層KL6 部位受外力撞擊產(chǎn)生寬約0.5mm，深約300mm 的裂縫，檢測(cè)報(bào)告顯示，自坍塌事故發(fā)生后的5 個(gè)多月中，裂縫無(wú)擴(kuò)大發(fā)展，混凝土強(qiáng)度滿足要求。為此，對(duì)該處裂縫采用封閉灌膠處理。

圖1 懸臂梁上部增設(shè)鋼筋分布圖

圖2 四層懸臂梁L26 下部增設(shè)鋼筋分布圖

3.3.2 鋼筋工程加固

該項(xiàng)目鋼筋工程加固主要涉及四樓柱裸露鋼筋、四樓懸臂梁和懸臂板裸露鋼筋。

(1)四樓柱裸露鋼筋。該坍塌事故造成四樓樓面裸露鋼筋部分呈90°彎折。為節(jié)約利用資源，檢測(cè)單位切除部份彎折鋼筋并調(diào)直后，檢測(cè)其抗拉、抗彎性能，結(jié)果滿足要求。經(jīng)X 探傷后，鋼筋內(nèi)部完好。因此，該部分鋼筋以保留為主。一是做好裸露鋼筋的除銹處理;二是直螺紋鋼筋損壞部分應(yīng)予以切除，采用冷擠壓套筒連接。

(2)四樓懸臂梁和懸臂板裸露鋼筋。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，四樓懸臂板裸露鋼筋保存較為完好，應(yīng)適當(dāng)除銹。四樓懸臂梁上部鋼筋受彎嚴(yán)重，應(yīng)予以切除，并采用冷擠壓套筒連接。施工中嚴(yán)格按照《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ107 -2010)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工。故在施工中，懸臂梁的下部所增設(shè)鋼筋，盡量靠近原設(shè)計(jì)位置，原鋼筋應(yīng)予保留，并與新鋼筋同步捆扎。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是土木工程領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)加固技術(shù)具有多變性和特殊性，要根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際情況和各種加固措施的應(yīng)用效果，綜合考慮結(jié)構(gòu)加固中整體和局部、臨時(shí)和長(zhǎng)久、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，確定優(yōu)選的結(jié)構(gòu)加固方案。本文以工程案例為分析對(duì)象，從混凝土柱頭加固處理、斷裂懸臂梁板修補(bǔ)、混凝土梁裂縫封閉、裸露鋼筋處理等方面，對(duì)已坍塌的建筑開(kāi)展加固措施探討，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

［1］張益多，劉榮桂.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用綜述［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(6):2 -6.

［2］衛(wèi)龍武，呂志濤，郭彤.建筑物評(píng)估、加固和改造［M］.江蘇:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2010.7 -54.

［3］梁叢中.鋼筋混凝土梁粘鋼加固的抗震構(gòu)造及其性能研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2012.21 -25.