既有鋼筋混凝土梁加固后可靠度分析

劉 俊 如

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

1 概述

全國既有建筑面積規(guī)模巨大，并且統(tǒng)計預(yù)測未來一段時間內(nèi)全國既有建筑面積還將不斷遞增。雖然目前國內(nèi)建筑業(yè)還處于大規(guī)模興建階段，但是不得忽視的是加固改造工程及其從業(yè)人員也在不斷增多，所以有學(xué)者認(rèn)為國內(nèi)建筑業(yè)正準(zhǔn)備走向新建與加固改造并行階段。工程結(jié)構(gòu)是否要加固主要看工程結(jié)構(gòu)是否滿足預(yù)先的設(shè)計功能要求。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)快要達(dá)不到或已經(jīng)達(dá)不到設(shè)計的功能要求時，應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)行加固改造。僅就某市某區(qū)現(xiàn)存的4 000余套公管房而言，就有超過1/3的房屋結(jié)構(gòu)曾有過或仍處于快要或已經(jīng)達(dá)不到設(shè)計的功能要求的狀況。

2 工程結(jié)構(gòu)性能缺陷原因分析

致使工程結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計的功能要求的原因是多方面的，可以總結(jié)如下。

2.1 結(jié)構(gòu)接近或達(dá)到設(shè)計使用年限

正常情況下，工程結(jié)構(gòu)是有一定使用壽命的，人們一般將其理解為設(shè)計使用年限。對于普通房屋而言，其設(shè)計使用年限一般為50年。雖然結(jié)構(gòu)接近或達(dá)到設(shè)計使用年限時不一定就不能再使用，但是或多或少會存在病害。對于存在病害較多、較嚴(yán)重的建筑物，要考慮對其進(jìn)行加固改造。

2.2 結(jié)構(gòu)有先天性缺陷

工程結(jié)構(gòu)的誕生要經(jīng)過勘察、設(shè)計和施工這三個主要的建設(shè)過程，由于人為因素和自然因素的影響，工程結(jié)構(gòu)可能會存在各種各樣的先天性缺陷。先天性缺陷是否會表達(dá)，什么時候表達(dá)，以怎樣的形式表達(dá)，表達(dá)后的結(jié)果怎樣，這很難確定，因此說先天性缺陷的不確定性很大。但是人們可以通過檢測手段和經(jīng)驗(yàn)判斷采取措施消除部分先天性缺陷，主要措施就是加固改造。

2.3 結(jié)構(gòu)材料性能劣化

工程結(jié)構(gòu)在使用過程中，由于環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、凍融、氯鹽等，會導(dǎo)致材料性能劣化以致結(jié)構(gòu)損傷，并且損傷會隨時間不斷累積加重。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，材料性能劣化主要是由混凝土碳化和鋼筋銹蝕引起的，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力下降，進(jìn)而影響工程結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.4 結(jié)構(gòu)遭遇各種災(zāi)害

我國幅員遼闊，人口眾多，每年頻繁出現(xiàn)地震、洪水、風(fēng)火等災(zāi)害，工程結(jié)構(gòu)不可避免的受到影響。僅就火災(zāi)而言，全國每年接報火災(zāi)在30萬起左右，其中建筑物火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的90%以上。這些火災(zāi)使得不少建筑物提前報廢，更使得大量的建筑物受到不同程度的損傷，如需繼續(xù)使用，則應(yīng)當(dāng)經(jīng)過評估后確定是否要進(jìn)行加固改造。

2.5 結(jié)構(gòu)使用功能改變

目前，越來越多的工程結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)使用功能改變的情況，改變的后果往往是荷載增加、跨度增加、層數(shù)增加等，從而導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力增大，極有可能滿足不了實(shí)際使用要求。因此，在使用功能改變之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行力學(xué)分析，然后制定合理的加固方案，這樣才能盡量不出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)使用功能改變而導(dǎo)致的建筑倒塌事故。綜上，人們應(yīng)當(dāng)對仍在使用中的建筑物進(jìn)行科學(xué)合理的日常管理維護(hù)，必要時對其進(jìn)行加固改造，以保證建筑物滿足設(shè)計的功能要求，從而避免發(fā)生事故產(chǎn)生損失。在這樣的情況下，結(jié)構(gòu)加固改造成為了一個比較熱門的研究方向。通常來說，研究結(jié)構(gòu)加固改造的基本目的是保證建筑安全可靠，最根本的目的是防災(zāi)減損。

3 研究發(fā)展

目前，由于強(qiáng)柱弱梁設(shè)計思想的影響，學(xué)者們對軸心受壓和偏心受壓加固柱的受力性能和可靠度研究較多。由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)較多，近些年國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料加固梁的加固實(shí)驗(yàn)研究以及可靠度研究也不少。還有學(xué)者研究加固方案優(yōu)選的，但往往都是運(yùn)用層次分析法或在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法進(jìn)行計算評估，雖然計算指標(biāo)的覆蓋面很全，但主觀因素影響很大。此外，有些學(xué)者在研究加固梁時，并不考慮既有梁與擬建梁的不同。現(xiàn)總結(jié)部分研究進(jìn)展如下。

3.1 加固前可靠度

1997年Dan M.Frangopol等提出了一種在腐蝕介質(zhì)下計算鋼筋混凝土梁可靠度的方法，該方法基于美國高速公路運(yùn)輸協(xié)會提供的規(guī)范公式和實(shí)測的鋼筋截面損失數(shù)據(jù)。文章研究了腐蝕對鋼筋混凝土抗彎和抗剪承載力的影響，最后提出了在腐蝕環(huán)境下，基于剩余壽命的可靠度設(shè)計方法。

2003年徐善華[1]給出了既有結(jié)構(gòu)抗力、目標(biāo)可靠指標(biāo)和承載能力壽命預(yù)測的計算方法，建立了基于動態(tài)可靠度的既有結(jié)構(gòu)承載力評估理論，并結(jié)合鋼筋混凝土構(gòu)件分析了結(jié)構(gòu)抗力、動態(tài)可靠指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律。新的既有結(jié)構(gòu)的抗力衰減模型，并提出了考慮抗力隨時間衰減的情況下，既有結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的分析方法。

2012年楊超等[2]根據(jù)結(jié)構(gòu)的失效模式確定了結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，并由此建立了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程，最后依據(jù)蒙特卡洛法運(yùn)用ANSYS軟件求出了結(jié)構(gòu)的失效頻率，進(jìn)而估算出了結(jié)構(gòu)的失效概率。

3.2 加固后可靠度

1999年貢金鑫等[3]針對鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件，考慮結(jié)構(gòu)改變使用功能和結(jié)構(gòu)承載力不足兩種情形，采用增大截面法進(jìn)行加固處理，然后將加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為一個整體，考慮材料及荷載的變異性，采用一次二階矩法計算了加固后的可靠度。2003年Dimitri V.Val研究了纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土柱的可靠度，分析時采用已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋鯢RP對鋼筋混凝土的約束作用，預(yù)測了加固后鋼筋混凝土柱的承載力，并確定了鋼筋混凝土柱與FRP共同工作時的強(qiáng)度折減系數(shù)。2007年鄭雷綱根據(jù)構(gòu)件加固后的目標(biāo)使用期不同,以粘鋼加固設(shè)計為例,考慮構(gòu)件加固后的抗力衰減因素，以及不同目標(biāo)使用期內(nèi)的荷載取值的不同，對加固后鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了可靠性研究和分析。2012年李春霞[6]通過實(shí)驗(yàn)分析了滯后應(yīng)變對抗彎加固效果的影響，然后對常見的三種荷載組合工況，采用JC法計算了在不同荷載效應(yīng)比值下碳纖維布加固混凝土梁的可靠指標(biāo)，并從可靠度角度出發(fā)建立了碳纖維布加固梁的受彎承載力實(shí)用設(shè)計公式。2013年王偉濤[7]考慮加固結(jié)構(gòu)二次受力的影響，分析了結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前的應(yīng)力水平對加固后材料利用率的影響，并對加固后影響可靠指標(biāo)的因素進(jìn)行了分析，最后對增大截面法加固鋼筋混凝土梁的可靠度進(jìn)行了分析。2016年Hassan Baji等考慮模型誤差、材料屬性、截面尺寸、FRP應(yīng)變效應(yīng)和載荷偏心率的不確定性，研究了FRP約束的RC柱的抗壓變異性。然后，依據(jù)ACI 440設(shè)計FRP約束的RC柱，并計算了可靠指標(biāo)。結(jié)果表明，為了達(dá)到傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的目標(biāo)可靠度，需要將ACI 440指南的阻力減小系數(shù)修改為0.85。

3.3 加固方案優(yōu)選

2009年徐天水[8]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，提出了混凝土可靠性鑒定較為合理的二級模糊評估模型。作者結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和研究成果將指標(biāo)層和項目層評估分級標(biāo)準(zhǔn)化，通過逐層評估對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評估，從而確定了建筑物的可靠性等級，最后進(jìn)行了模糊優(yōu)選。2009年石林[10]對常用建筑結(jié)構(gòu)加固方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，建立了開放性的建筑結(jié)構(gòu)加固方案評價指標(biāo)體系，隨后融合利用層次單排序和指數(shù)標(biāo)度的改進(jìn)權(quán)重確定方法，建立了改進(jìn)的層次分析方法的基本構(gòu)架，進(jìn)而對建筑結(jié)構(gòu)加固方案進(jìn)行評價優(yōu)選。2016年李勤等首先剖析了傳統(tǒng)的理想點(diǎn)法并針對該法缺陷進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，然后考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境等影響因素，運(yùn)用改進(jìn)理想點(diǎn)法來綜合選擇加固方案，建立了基于改進(jìn)理想點(diǎn)法的建筑結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選模型。

4 鋼筋混凝土梁的加固設(shè)計理論

4.1 增大截面加固梁的設(shè)計

采用增大截面法加固設(shè)計時，須作出如下五點(diǎn)假定：梁的變形規(guī)律符合平截面假定；忽略中和軸以下混凝土的抗拉作用；混凝土極限壓應(yīng)變?nèi)?.003 3cuε；縱向鋼筋的極限拉應(yīng)變?nèi)?.01；縱向鋼筋的應(yīng)力取應(yīng)變與彈性模量的乘積。

4.2 粘貼鋼板加固梁的設(shè)計

采用粘貼鋼板法加固設(shè)計時，除了要作4.1五個假定外，還須作出如下假定：鋼板的拉應(yīng)變按平截面假定確定；鋼板的應(yīng)力取拉應(yīng)變與彈性橫量的乘積；鋼板的滯后應(yīng)變應(yīng)按加固前的初始受力情況確定；鋼板與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。

4.3 粘貼碳纖維復(fù)合材法加固設(shè)計

采用粘貼碳纖維復(fù)合材法加固設(shè)計時，除了要作4.1的五個假定外，還須作出如下假定：碳纖維復(fù)合材的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系取直線式，拉應(yīng)力取拉應(yīng)變與彈性模量的乘積；碳纖維復(fù)合材的滯后應(yīng)變應(yīng)按加固前的初始受力情況確定；碳纖維復(fù)合材與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。

5 結(jié)語

增大截面加固法和粘貼鋼板加固法的抗彎加固效果相當(dāng)，粘貼碳纖維板加固法的抗彎加固效果最不好；結(jié)構(gòu)破壞前新增鋼板的抗拉強(qiáng)度能得到充分利用，而新增碳纖維板的抗拉強(qiáng)度并不能得到充分利用。