混凝土板加固技術(shù)研究進展

閆 澤 衛(wèi)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 新鄭 451163)

0 引言

從工程建設(shè)發(fā)展規(guī)律上看，建筑業(yè)經(jīng)過一段高速發(fā)展期之后，必將迎來一段長期的維護期。西方發(fā)達國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成比較早，率先進入了維護期。以橋梁結(jié)構(gòu)為例，20世紀90年代，美國的橋梁加固維護費用已經(jīng)超過了新建項目，歐洲每年因橋梁的鋼筋銹蝕而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失可達幾十億美元。我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目前處于新區(qū)開發(fā)與舊城改造相結(jié)合階段，并正向以舊房維護改造和加固為主的階段邁進。

施工缺陷、荷載效應(yīng)和外部環(huán)境作用等因素的影響，將引起鋼筋混凝土樓板、板式橋和蓋板涵等混凝土板的鋼筋銹蝕、混凝土劣化、損傷累積、抗力衰減，從而導(dǎo)致安全性降低、使用性變差和耐久性下降等問題。此外，設(shè)計標準的提高和使用功能的改變，也對混凝土板的結(jié)構(gòu)功能提出了更高的要求。為了提高混凝土板的結(jié)構(gòu)功能，延長服役周期，相應(yīng)的加固方法不斷地開發(fā)和完善。

1 傳統(tǒng)加固法

1.1 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固法是一種主動加固法，將預(yù)應(yīng)力高強鋼絞線錨固于被加固構(gòu)件外部，以達到加固效果。相關(guān)學(xué)者研究，該加固技術(shù)更有效地提高混凝土空心板的承載力，可以廣泛應(yīng)用于工程實踐。Liban R[1]利用有限元法研究了在不同張拉位置下，體外預(yù)應(yīng)力對鋼—混凝土組合梁的力學(xué)性能的影響，建立了三維鋼—混凝土組合梁模型，分別給出了懸臂梁和簡支梁的計算結(jié)果。體外預(yù)應(yīng)力加固法加固和卸載過程合一，共同工作性能好，使構(gòu)件由超筋轉(zhuǎn)化為適筋梁，構(gòu)件的剛度明顯得到增大；但是，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋易腐蝕，耐久性差，錨固區(qū)集中荷載大。

1.2 增大截面法

增大截面法是一種直接加固方法，通過增大構(gòu)件的截面尺寸或者增加配筋率來提高其承載力和剛度，經(jīng)研究，此方法提高了承載能力和剛度。Liu S M[2]開發(fā)了有限元程序模擬了橋梁受力過程，提出了理論分析結(jié)果，與試驗結(jié)果進行了對比；結(jié)果表明，二次應(yīng)力對加固混凝土梁的極限承載力影響是有限的。增大截面法對提高結(jié)構(gòu)剛度和承載力都非常有效；但是，濕作業(yè)多，施工周期長。還有人對增大截面法加固損傷鋼筋混凝土板進行了試驗研究，分析了不同配筋率對承載力、剛度的提高效果；結(jié)果表明，相同荷載作用下，增大截面加固法對提高抗彎剛度效果更好。

1.3 粘鋼加固法

粘鋼加固法也是一種直接加固法，將鋼板粘貼于混凝土板，以提高構(gòu)件的承載力和剛度。Pan L Y，Ren W分別對兩根粘鋼加固帶裂縫鋼筋混凝土梁和外粘鋼板加固鋼筋混凝土T形梁進行了試驗研究和非線性分析，結(jié)果表明，底部鋼板與鋼筋混凝土梁具有良好的工作性能，側(cè)部鋼板帶可以有效地防止底部鋼板與鋼筋混凝土梁剝離，鋼板粘結(jié)區(qū)和螺栓錨固間距對開裂荷載、屈服荷載和極限荷載產(chǎn)生影響，增大鋼板粘結(jié)區(qū)域面積、減小螺栓錨固間距可以顯著提高極限荷載，降低梁的破壞可能性。吳燦彬[3]對比分析了加固鋼板長度和鋼板厚度對鋼筋混凝土梁加固后的極限承載力和剛度的影響；結(jié)果表明，大于梁純彎區(qū)長度的加固鋼板能夠顯著提高加固后鋼筋混凝土梁的極限承載能力，有助于提升梁加固后的初始剛度及剛度退化率。粘鋼加固法堅固耐用，施工快速，簡潔輕巧，靈活多樣；但是，端部錨固難度大，工人的粘貼技術(shù)水平對加固效果影響大。

1.4 FRP加固法

FRP加固法也是一種直接加固法，將FRP布或者FRP筋粘貼或錨固于混凝土板上，以提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)功能。Abdul-Salam B[4]對16件GFRP和CFRP筋加強鋼筋混凝土單向板進行了試驗研究，分析討論了FRP筋類別、直徑和抗剪剛度對構(gòu)件失效模式的影響；結(jié)果表明，縱向FRP筋有效地提高了構(gòu)件的抗剪性能，采用高強混凝土強度可以提高初始抗裂荷載和極限荷載具。Raongjant W[5]對4塊FRP板加固混凝土單向隔熱板進行試驗研究，結(jié)果表明，構(gòu)件的承載力和剛度受到泡沫夾心層和FRP板后的影響，采用FRP板加固法加固的混凝土單向隔熱板可以作為住宅建筑和小商業(yè)建筑的樓板和屋面板。Choi J[6]對FRP布粘貼鋼筋混凝土板進行了試驗，考查了加固材料、預(yù)加荷載和加固等級等因素，比較了ACI—318和試驗結(jié)果的等效截面慣性矩；結(jié)果表明，混凝土板的抗彎強度隨著加固等級的提高而提高，有預(yù)加荷載的混凝土。FRP輕質(zhì)高強，耐腐蝕性能好，可設(shè)計性能好；但是，F(xiàn)RP屬于脆性材料，受力過大不會發(fā)生形變而是直接斷裂，損壞后基本無法修復(fù)，只能更換，成本較高。

1.5 灌芯加固法

灌芯加固法是將混凝土空心板注入灌漿料的一種加固方法，在板頂空腔方向切割長條孔，將鋼筋穿入空閑板的空腔內(nèi)，然后，將灌漿料注入空腔內(nèi)。吳運伸[7]采用試驗的方法研究了灌芯加固后混凝土空心樓板抗彎性能，比較了使用相同材料不同位置加固混凝土空心樓板的開裂荷載、極限承載力和跨中撓度；結(jié)果表明，加固后空心板開裂荷載均值、極限承載力均值和跨中撓度均值分別提高了148%,100%和270%。灌漿加固法施工簡單，材料易得，濕作業(yè)相對較少，施工便利；但是，這種加固方法只適用于空心預(yù)應(yīng)力混凝土板，適用范圍小。

2 新型加固法

2.1 復(fù)合加固法

復(fù)合加固法是將兩種或多種單一加固法進行組合的加固方法。胡克旭[8]采用板底粘貼碳纖維布和板頂疊合混凝土層的方法研究對預(yù)應(yīng)力空心板的加固效果；結(jié)果表明，采用這種加固方法可以大幅度提高構(gòu)件的承載力和延性。王立軍、盧亦焱等提出了碳纖維布—聚合物砂漿復(fù)合加固方法、外貼井字形CFRP—鋼板復(fù)合條帶加固鋼筋混凝土雙向板的新型復(fù)合加固方法，建立了碳纖維布—聚合物砂漿復(fù)合加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板極限承載能力的計算方法，提出了其限制條件。推導(dǎo)了井字形CFRP—鋼板復(fù)合條帶加固雙向板在局部荷載作用下的承載力計算公式，這種加固方法通過纖維受力傳遞到鋼板上，從而增大FRP—混凝土界面粘結(jié)力和界面摩擦力，使得加固構(gòu)件的承載力提高幅度更大。

2.2 新材料加固法

織物纖維加固法是采用新材料織物纖維薄板對混凝土板進行加固的方法?？椢锢w維增強材料具有很大的靈活性，可以按照設(shè)計要求布置紗線增強方向，適合于受彎構(gòu)件加固；這種材料，不存在基體中難以分散的效果，其增強效果顯著于短纖維。徐勇[9]對織物纖維薄板加固的鋼筋混凝土梁受彎性能和受剪性能進行了試驗研究，考查了加固后構(gòu)件的撓度、破壞形式、承載力等特性，并得出加固效果良好的結(jié)論。潘永燦[10]研究了這種纖維織物增強混凝土薄板加固方法對提高試驗梁抗彎承載力的效果；結(jié)果表明，該加固方法可以有效提高試驗梁的承載力，減小試驗梁的裂縫寬度和跨中撓度。

2.3 組合結(jié)構(gòu)加固法

組合結(jié)構(gòu)法是將鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于混凝土板加固中的一種方法，這種加固方法將現(xiàn)有加固方法和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)理論結(jié)合起來，充分利用了新舊材料性能，具有剛度大、承載力高、動力性能良好和抗震性能優(yōu)越等特點，充分發(fā)揮了混凝土和鋼板各自的優(yōu)點。鋼板—混凝土組合加固混凝土板的加固機理、有限元模擬方法和工程應(yīng)用等方面的研究已經(jīng)逐步開展。新型組合結(jié)構(gòu)加固中，將拼裝波紋板技術(shù)與混凝土結(jié)合，應(yīng)用到了大秦鐵路涵洞加固工程。賀文濤[11]利用ABAQUS軟件計算分析了波紋鋼板—混凝土加固橋梁的承載力，計算結(jié)果表明，加固后，橋梁各部位最大應(yīng)力和剛度均滿足規(guī)范限制的要求，具有較大的安全儲備，波紋鋼系桿拱可以作為永久模板，降低了施工難度，提高了施工進度，節(jié)約了工程造價。

3 混凝土板加固研究趨勢

傳統(tǒng)的加固方法的研究相對較為完善，加固后的混凝土板受彎承載力的研究相對成熟，研究方法主要為試驗研究，其次為有限元模擬和理論分析。對于體外預(yù)應(yīng)力加固法，構(gòu)件的剛度、裂縫和撓度的分析，以及轉(zhuǎn)向塊與錨固端板的合理設(shè)計，是今后研究的熱點。對于增大截面法，新舊混凝土粘結(jié)性能、剪切強度影響因素和抗震性能等方面是今后研究的熱點。對于粘鋼加固法，構(gòu)件加固后的裂縫和剛度等問題是今后一個研究熱點。對于粘貼FRP加固法，粘貼預(yù)應(yīng)力FRP在縮小構(gòu)件裂縫的同時，增加了其使用壽命，是今后的研究熱點；此外，端部錨固問題和相關(guān)規(guī)范的制定也是今后的研究熱點。灌芯加固法使用范圍有限，但是具有施工便利性優(yōu)點，適用于預(yù)應(yīng)力空心混凝土板的加固；灌漿料孔道的縱向受剪能力，后置配筋、灌漿料和預(yù)應(yīng)力空心混凝土板之間的共同工作性能是今后的研究熱點。新型加固方法各自有適用條件，探索新型的加固方法是現(xiàn)代加固補強技術(shù)發(fā)展的客觀要求。新型加固方法的探索有三種途徑：一是將兩種及兩種以上既有的加固方法進行復(fù)合，例如盧亦焱提出的外貼井字形CFRP—鋼板復(fù)合條帶加固法；二是將新材料應(yīng)用到混凝土板加固中，如織物纖維加固法；三是將新型結(jié)構(gòu)技術(shù)引入混凝土板加固中，如組合結(jié)構(gòu)加固法。

4 結(jié)語

通過對近年來混凝土板加固研究成果分析，以下幾方面有可能成為今后混凝土板加固領(lǐng)域值得關(guān)注的課題：

1)傳統(tǒng)加固方法的有限元模擬分析和實用設(shè)計方法的完善。

2)將兩種或兩種以上單一加固方法進行復(fù)合對混凝土板進行加固。

3)新材料在混凝土板加固中的應(yīng)用。

4)將組合結(jié)構(gòu)原理和方法應(yīng)用于混凝土板加固中。