高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

白小斐

摘要：隨著時(shí)間的流逝，很多建筑慢慢老化、損傷，導(dǎo)致其使用功能下降，無法滿足人們的使用要求，甚至因?yàn)榘踩[患的存在而威脅人們的人身安全，鋼筋混凝土作為建筑工程中最為常用的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)其進(jìn)行維修加固一直是建筑人員關(guān)注的重大問題。針對(duì)這一問題，提出了幾種鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為相關(guān)的工程改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：高層鋼筋混凝土框架;結(jié)構(gòu)加固;方法優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU746 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-2020-03

0引言

隨著我國(guó)科技的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)條件以及生活水平逐漸提高，對(duì)于建筑物的安全性要求也越來越高。且隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，很多老舊的建筑無論是在結(jié)構(gòu)上還是功能上都不能滿足人們的生活需要以及社會(huì)的發(fā)展需求。另外，環(huán)境問題也是當(dāng)今人們關(guān)注的重大問題，人們的環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，對(duì)于節(jié)能減排的要求也越來越高，建筑物中材料、資源消耗最大，很多資源也不可再生，對(duì)舊建筑進(jìn)行維修改造，最大限度的延長(zhǎng)其使用壽命更符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密實(shí)，是當(dāng)今建筑物中使用最多的結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于老化的建筑進(jìn)行維修加固時(shí)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固問題是重中之重，加固改造項(xiàng)目也越來越多。尋找技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、安全l生佳的加固技術(shù)，對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是人們努力的方向和目標(biāo)。本文立足于國(guó)內(nèi)外加固研究的現(xiàn)狀，對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，還有客觀的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益，前景也較為廣闊。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

加固技術(shù)伴隨著建筑結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種新型建筑逐漸增多，同時(shí)舊建筑的加固技術(shù)也逐漸發(fā)展。隨著加固技術(shù)的不斷發(fā)展，加固理論的研究也逐漸完善。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于建筑的加固改造研究開始于20世紀(jì)50年代。工業(yè)革命時(shí)期，發(fā)達(dá)國(guó)家開始關(guān)注建筑保護(hù)問題，對(duì)于建筑的改造加固的研究也逐漸發(fā)展起來。日本屬于地震多發(fā)的國(guó)家，因此，較早地編制了《混凝土工程裂縫調(diào)查及補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)規(guī)程》，該規(guī)程中規(guī)范了對(duì)于鋼筋混凝土裂縫的修補(bǔ)技術(shù)。20世紀(jì)70年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始使用粘鋼技術(shù)對(duì)房屋建筑進(jìn)行加固，并且開始了對(duì)于纖維復(fù)合材料的加固研究，70年代后期，日本科學(xué)家為了抗震加固提出了粘滯阻尼器的想法。ANSYS有限元分析軟件的使用，為很多沒有試驗(yàn)條件的工程提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家舊建筑的改造加固技術(shù)變得成熟，并引領(lǐng)了建筑行業(yè)的發(fā)展方向，取得了顯著的成果。

1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)對(duì)于加固理論的研究開始的較晚，但是國(guó)家較為重視這一方面的發(fā)展，因此，近幾年來加固技術(shù)的研究也有了較大的進(jìn)展。我國(guó)的加固技術(shù)研究工作開始與20世紀(jì)80年代，80年代初期進(jìn)行了建筑補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)與抗震加固技術(shù)的研究，80年代后期開始對(duì)于粘鋼加固技術(shù)的研究，90年代，我國(guó)科學(xué)家的研究主要關(guān)注點(diǎn)在粘鋼加固技術(shù)上，科學(xué)家研究了梁粘鋼加固，編寫了《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》，為后期實(shí)際工程的運(yùn)用提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。90年代后期，我國(guó)開始研究纖維復(fù)合材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)，并取得了較好的研究成果。隨著有限元分析法的發(fā)展，我國(guó)也展開了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，但是尚處于發(fā)展階段。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從理論研究階段發(fā)展到應(yīng)用探討，數(shù)學(xué)規(guī)劃法的發(fā)展也有了質(zhì)的飛躍。但是，迄今為止，優(yōu)化方法都以傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作為優(yōu)化模型，但是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有較大的局限性，限制了現(xiàn)有的優(yōu)化理論和方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于高層結(jié)構(gòu)加固研究較欠缺，理論研究跟不上實(shí)際工程的應(yīng)用，達(dá)不到實(shí)際工程的需求。目前我國(guó)對(duì)于加固方法的優(yōu)化分析研究不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，缺少加固設(shè)計(jì)中優(yōu)化分析的應(yīng)用，因此在選擇加固方法的時(shí)候?qū)τ诜桨傅膬?yōu)越性把握不夠。

2高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方法

目前，高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的加固方法主要有加大截面法、粘鋼加固法、粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法、外包型鋼加固法、置換混凝土加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法等。

2.1加大截面法

加大截面法是指，采用與原構(gòu)件相同的材料來增加原構(gòu)件的截面面積，從而提高原構(gòu)件的承載能力和剛度，達(dá)到加固目的的方法。該方法較為傳統(tǒng)，施工工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性較好、設(shè)計(jì)成熟，但是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要進(jìn)行澆筑，因此施工時(shí)間長(zhǎng)。雖然使用同樣的材料增加了截面積，但是加固后建筑物的使用面積減少。具體的工程示意圖如圖1所示

2.2粘鋼加固法

粘鋼加固法是指在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力不足面粘貼薄鋼板，從而提升構(gòu)件承受能力的方法。該方法施工簡(jiǎn)單，不影響建筑物的使用面積，但是加固效果依賴于施工工藝和操作水平，不確定因素較多。該方法的工程示意圖如圖2所示。

2.3粘帖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法

粘帖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法是指，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用膠結(jié)材料將其貼于原構(gòu)件的受力部分，增強(qiáng)構(gòu)建的承載能力的方法。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料耐腐蝕性能好，因此在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中應(yīng)用較廣泛。但是這種材料的抗老化能力較差，其壽命以及使用效果依賴于環(huán)境條件，通常在室內(nèi)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的加固中應(yīng)用較普遍。

2.4外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是指，通過粘結(jié)劑將型鋼包在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的表面，從而發(fā)揮加固作用的方法。外包型鋼加固法分為干式加固法和濕式加固法。干式加固法中型鋼和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)沒有粘結(jié)在一起，兩者分別受力，施工工藝簡(jiǎn)單;濕式加固法中型鋼和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，二者共同受力，加固效果較好。該方法的工程示意圖如圖3所示。

2.5置換混凝土加固法

置換混凝土加固法是指，將原構(gòu)件中受壓區(qū)或者有缺陷區(qū)域的混凝土用新的、強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土材料置換，從而實(shí)現(xiàn)加固效果的方法。該方法不影響建筑物的使用面積，但是施工時(shí)間較長(zhǎng)，適用范圍較窄。

2.6外加預(yù)應(yīng)力加固法

外加預(yù)應(yīng)力加固法是指，在原構(gòu)件的外部采用鋼拉桿或預(yù)應(yīng)力鋼撐管進(jìn)行加固的方法。該方法加固效果較好，但是對(duì)原構(gòu)件的外觀有一定的影響，適用于原鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)截面較小或者需要改善使用性能但其處于高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)又難以卸除載荷的情況。使用該方法時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況來判斷具體應(yīng)該采用鋼拉桿還是預(yù)應(yīng)力鋼撐管的方式。

3高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1加固方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

上節(jié)中介紹了高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)常用的加固方法，從上述描述中可知，不同的加固方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適于其應(yīng)用的環(huán)境、范圍也都不同，因此在實(shí)際工程中對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，需要根據(jù)具體的環(huán)境和使用情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到較好的加固效果，保證加固工作的合理性。本小節(jié)將針對(duì)上述加固方法提出幾種優(yōu)化高層混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

首先介紹經(jīng)驗(yàn)加權(quán)平均法，根據(jù)技術(shù)人員以及施工人員的經(jīng)驗(yàn)從而選擇最優(yōu)的加固方案。顯然，這種方法要求施工人員以及技術(shù)人員擁有足夠的施工經(jīng)驗(yàn)，具備專業(yè)的知識(shí)，能夠判斷高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的具體信息，確定施工過程中確定各個(gè)影響因素在各方案i中的重要性，并對(duì)之量化處理得到Xn再根據(jù)各指標(biāo)i的重要性賦予其權(quán)重wi，最后用方案在指標(biāo)i下的得分乘以權(quán)重w;再求和，得到方案i的最終得分Yi，計(jì)算公式為

根據(jù)得分情況確定最優(yōu)的加固方案。該方法充分結(jié)合加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而選擇出最合理的加固方法。

其次是定性分析法，技術(shù)人員運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)模型、分析方法以及理論對(duì)施工過程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加固方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，客觀、科學(xué)、合理地對(duì)高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

3.2加固后結(jié)構(gòu)的體系計(jì)算

利用PKPM軟件中的鑒定加固模塊，輸入最終選擇的加固方法和加固尺寸對(duì)加固后的體系進(jìn)行模擬計(jì)算，具體的模塊流程圖如圖4所示。

4結(jié)語

混凝土具有原材料資源豐富、成本低、壓縮強(qiáng)度高、剛度大、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，因此是建筑工程中使用最廣泛的材料。受環(huán)境因素和人為因素的影響，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的老化現(xiàn)象，各項(xiàng)性能變差，不僅影響建筑的正常使用，在抗震抗災(zāi)方面的表現(xiàn)也較差，容易造成倒塌等事故，威脅人們的人身安全。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的維修加固不僅可以改善建筑物的性能，提升建筑物的承載能力，還能節(jié)約資源，降低經(jīng)濟(jì)成本。目前鋼筋混凝土加固方法多種多樣，在建筑物維修加固過程中方法選擇不當(dāng)會(huì)影響加固效果，導(dǎo)致加固效果不佳，影響建筑物的正常使用，因此合理、科學(xué)的選擇加固方法可以保障加固效果達(dá)到最佳，具有顯著的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益。文中提出了幾種加固方法優(yōu)化方式，可以為建筑工程中的相關(guān)工作提供參考。