結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)技術(shù)-鋼加固綜述

許凱龍

(廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，現(xiàn)代建筑也在不斷進(jìn)步，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)要求也越來(lái)越高，但是對(duì)于已建成的建筑來(lái)說(shuō)，不可能全部推倒重建，所以對(duì)于原有的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是必然選擇。我國(guó)自然災(zāi)害多，地震、風(fēng)災(zāi)、洪水自然災(zāi)害幾乎每年都發(fā)生，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。地震具有很大的破壞力，可以使大量建筑物在瞬間損壞或倒塌，并造成各種次生災(zāi)害，造成人員傷亡，帶來(lái)破壞與恐慌，是迄今人類尚難以抵御的自然災(zāi)害。在地震災(zāi)害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在地震中，受損的工程結(jié)構(gòu)對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了更大的威脅。因此，對(duì)地震破壞后的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究加固修復(fù)技術(shù)具有重要的工程價(jià)值。

5·12汶川地震中，大量建筑結(jié)構(gòu)遭受地震損傷。根據(jù)地震災(zāi)區(qū)的調(diào)查結(jié)果，除少數(shù)地區(qū)建筑物倒塌和嚴(yán)重?fù)p壞外，受影響地區(qū)輕度或中度損壞的建筑比例相當(dāng)高，特別是根據(jù)我國(guó)地震規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和正常施工與使用的建筑，即使強(qiáng)度過(guò)大，損壞程度不同，仍能達(dá)到“中震可修，大震不倒”。對(duì)于能夠再次修復(fù)的建筑物，無(wú)論是從解決災(zāi)區(qū)人民問(wèn)題的緊迫性還是從災(zāi)后重建的經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，“加固、修復(fù)”比“推動(dòng)重建”更合理。所以在未來(lái)的數(shù)十年內(nèi)，加固勢(shì)必成為建筑業(yè)內(nèi)的重要角色。在我國(guó)已成熟的各項(xiàng)加固技術(shù)中，鋼材料應(yīng)用到加固結(jié)構(gòu)在后期使用過(guò)程中都體現(xiàn)出了優(yōu)良的抗震性能，所以本文結(jié)合鋼加固的特征具體概述幾項(xiàng)在實(shí)際工程中經(jīng)常使用到的鋼加固技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)鋼加固的需要

鋼材料在結(jié)構(gòu)加固中無(wú)論是從應(yīng)用面還是施工展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)有很多，重要的是它在后期的結(jié)構(gòu)耐久或抗震方面都起到了重要的作用，這也就是鋼材料本身優(yōu)良的力學(xué)性能的體現(xiàn)。下面就具體的描述鋼加固的幾項(xiàng)特點(diǎn)。

1.1 適用范圍廣

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)種類較多，其中有框架結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等。對(duì)于這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的技術(shù)也有很多種，但很多由于材料或施工不能通用，但是鋼加固卻沒(méi)有這方面的限制。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查，目前在國(guó)內(nèi)所有的加固結(jié)構(gòu)中，均可用鋼材進(jìn)行加固。相比于混凝土加固或是碳纖維布加固，鋼加固的應(yīng)用面更廣。

1.2 施工方便

鋼加固的施工工序是先對(duì)所需加固的型鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，然后再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，所以對(duì)于鋼加固來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化了在實(shí)際結(jié)構(gòu)場(chǎng)地的加固施工工序，也節(jié)省了工地的物力和人力，尤其對(duì)于搶險(xiǎn)工程來(lái)說(shuō)，更是大幅節(jié)約了施工資源和施工時(shí)間。并且如果加固方案不滿足，很容易進(jìn)行變更，只需在工廠重新制造加固所需的鋼構(gòu)件，無(wú)需對(duì)原有結(jié)構(gòu)改造，避免了對(duì)結(jié)構(gòu)的二次破壞。

1.3 力學(xué)性能

由于鋼材本身就具有良好的力學(xué)性能，尤其體現(xiàn)在彈塑性能上，具有良好的變形能力。在抗震中，它良好的耗能變形能力可以發(fā)揮很大的作用，無(wú)論是抗拉或是抗壓，鋼材都能夠滿足。在地震中，建筑物所受到的力是多向的，結(jié)構(gòu)所受到的約束力也必須是多向的，在力學(xué)上，鋼材加固后力學(xué)分析也正是多向的。相對(duì)于混凝土加固只能提供抗壓力和碳纖維布所提供的抗拉力，鋼加固在力學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)是顯著的。

1.4 加固后耐久性能

建(構(gòu))筑物在長(zhǎng)期自然環(huán)境和使用環(huán)境作用下會(huì)逐漸受到破壞，這是一個(gè)不可逆的客觀過(guò)程，見(jiàn)圖1曲線①。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，施工維護(hù)質(zhì)量較低劣，或設(shè)計(jì)時(shí)使用環(huán)境和荷載條件比預(yù)期差，結(jié)構(gòu)的承載力會(huì)隨著時(shí)間急劇下降，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。加固、修復(fù)老化和損壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，如曲線①和曲線②分別代表老化和損壞的建筑物的使用壽命曲線，它們的使用壽命分別為OA和OB；在C點(diǎn)時(shí)同時(shí)用鋼材和混凝土進(jìn)行加固修復(fù)，則形成了曲線③和曲線④，使建筑物的使用壽命延長(zhǎng)至OE或OD，可以明顯看出，在修復(fù)后，鋼材的使用期限明顯比混凝土修復(fù)要長(zhǎng)。所以在加固中，鋼加固的耐久性能良好。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)耐久性示意圖

2 鋼加固在實(shí)際加固工程中的應(yīng)用方法

2.1 粘鋼加固法

粘鋼法，如圖2，3所示，就是將鋼板或是鋼條通過(guò)粘貼高強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)膠使其原加固結(jié)構(gòu)結(jié)合成為一個(gè)整體，從而提高結(jié)構(gòu)承載力的加固方法。在這種加固方法中，加固上的鋼板或鋼條代替橫向的箍筋或是縱向的鋼筋。可以提高結(jié)構(gòu)的承載力和耐變能力，但對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度幾乎不增加。

圖2 結(jié)構(gòu)梁粘鋼(鋼條)法示意圖

但是在粘鋼加固中，對(duì)于加固效果影響較大的則是鋼板或鋼條和構(gòu)件之間的粘結(jié)錨固性能，因此，加固構(gòu)件的錨固破壞機(jī)理與如何采取措施避免錨固破壞等則是該加固方法的關(guān)鍵所在。該加固方法適用于各種缺筋少筋的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，用鋼量少，對(duì)于構(gòu)件的截面積影響小，缺點(diǎn)則是加固后的受力依賴錨固強(qiáng)度，效果相對(duì)來(lái)說(shuō)不可靠。

2.2 外粘型鋼加固法

外粘型鋼的加固方法又稱包鋼,是通過(guò)膠栓和高強(qiáng)度無(wú)機(jī)粘結(jié)材料將角鋼和鋼板箍與原混凝土柱可靠連接，為了達(dá)到整體受力，共同約束原始構(gòu)件，改進(jìn)承載力能力要求的加固方法。

此外，因其新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱產(chǎn)生良好的三軸應(yīng)力狀態(tài)，從而可以大幅度提高柱子的承載力。在對(duì)柱、桁架、梁和一般構(gòu)筑物加固時(shí)，具有受力可靠的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力可得到顯著提高，對(duì)使用空間的影響較小，施工簡(jiǎn)單,濕作業(yè)少。

外粘型鋼和鋼板的加固方法適用于受靜力作用的受彎構(gòu)件、受拉構(gòu)件，不允許增加使用中構(gòu)件的截面尺寸，它可以大大提高鋼筋的承載力和剛度。其優(yōu)點(diǎn)是施工方便，現(xiàn)場(chǎng)工作量少，工期短，受力可靠，對(duì)建筑物外觀和凈空影響不大；缺點(diǎn)是鋼材用量大，加固維護(hù)成本高。

2.3 鋼構(gòu)套加固法

鋼構(gòu)套加固就是把鋼板或是型鋼包在被加固的構(gòu)件(梁或柱)外側(cè)，如圖4所示。通過(guò)結(jié)構(gòu)膠或是焊接的方式把型鋼以及鋼板緊密的和被加固構(gòu)件結(jié)合在一起，然后在外包鋼板與構(gòu)件之間充分注膠，使結(jié)合后形成的鋼構(gòu)套與加固構(gòu)件共同作用，從而達(dá)到提高加固構(gòu)件承載力和剛度的目的。該種方法主要通過(guò)約束原有構(gòu)件以提高耐變形能力，同時(shí)它也可增加構(gòu)件的受彎和受剪能力。

圖4 結(jié)構(gòu)柱、梁鋼構(gòu)套法示意圖

鋼構(gòu)套加固的優(yōu)點(diǎn)是加固后框架柱占用的使用面積小，不改變結(jié)構(gòu)外形，不影響美觀，并且加固效果很明顯，加固后對(duì)各項(xiàng)力學(xué)性能都能夠提升，不足是它的施工相對(duì)復(fù)雜，尤其在有焊接的時(shí)候，需要注意不能在焊接時(shí)破壞被加固的構(gòu)件。缺點(diǎn)同樣也有用鋼量大，加固費(fèi)用相對(duì)偏高。

2.4 繞絲加固法

繞絲加固法是通過(guò)纏繞退火鋼絲使被加固的受壓構(gòu)件混凝土受到約束作用，進(jìn)而增加其極限承載力和延性，具有增加重量少、截面形狀和尺寸變化小、對(duì)構(gòu)件的環(huán)境空間要求少的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是矩形截面混凝土構(gòu)件承載力的增加不顯著，限制了該方法的應(yīng)用，其加固法常用于薄壁圓筒構(gòu)件。

2.5 高強(qiáng)鋼筋網(wǎng)及復(fù)合砂漿外層加固

高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)片—復(fù)合砂漿外層加固法則是間接使用鋼進(jìn)行加固的方法，該種加固方法用于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件和大偏心受拉構(gòu)件時(shí)，具有對(duì)原有構(gòu)件的修復(fù)與界面處理比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)孔力學(xué)性能較好的優(yōu)點(diǎn)，如果使用高強(qiáng)度不銹鋼鋼筋，也能抵抗腐蝕性介質(zhì)的作用。

3 結(jié)構(gòu)鋼加固與修復(fù)的工序

加固前的鑒定。包括資料收集、整理分析、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、抗力驗(yàn)算和鑒定報(bào)告的編寫等內(nèi)容。

確定鋼加固的具體方案。在選擇加固修復(fù)方案時(shí), 需要聽取使用和施工單位的意見(jiàn), 選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)使用功能影響不大、施工方便的加固和修復(fù)方案，例如選擇粘鋼、包鋼或是鋼構(gòu)套。

型鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)和加固材料的控制。根據(jù)已確定的加固和修復(fù)方案選擇型鋼材料, 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造處理和繪制鋼構(gòu)件圖。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該把設(shè)計(jì)的型鋼構(gòu)件的力學(xué)性能交代清楚, 有利于加固后對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能效果的估算，同時(shí)要充分考慮到施工時(shí)型鋼構(gòu)件對(duì)建筑物正常使用時(shí)的吻合性。并且在方案確定后，對(duì)于各種鋼材焊接技術(shù)要嚴(yán)格控制，并且在對(duì)鋼材粘貼時(shí)所使用的膠水反應(yīng)后的粘合強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算控制，保證在加固時(shí)鋼材加固在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)有效果。

鋼加固的施工。其因?yàn)槭┕?chǎng)地狹小, 受到設(shè)施管道和原有構(gòu)件的限制, 施工時(shí)需要考慮到復(fù)雜性和特殊性, 做好施工組織設(shè)計(jì), 嚴(yán)格按照計(jì)劃方案施工, 保證加固的結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量。

加固后工程驗(yàn)收。加固和修繕工程完工后, 由使用單位或其主管部門驗(yàn)收，對(duì)一些重要加固部位和施工質(zhì)量或是鋼構(gòu)的材料產(chǎn)生懷疑時(shí), 需要采取必要的檢測(cè)手段對(duì)加固和修復(fù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，主要包括加固后鋼的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)膠水的粘合性進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 鋼加固修復(fù)的注意事項(xiàng)

原構(gòu)件表面不平整的，先將原有的基層清理干凈，直到露出新的密實(shí)底層，如果還不平整就設(shè)法將其填補(bǔ)平整。

各加固方法的各種型鋼的下料必須與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況吻合，嚴(yán)格控制型鋼尺寸，將其與加固構(gòu)件匹配。

在加固時(shí)使用到建筑結(jié)構(gòu)膠也要嚴(yán)格控制粘結(jié)質(zhì)量，并且在施工時(shí)要注意使其黏貼緊密，在粘結(jié)完后注意要加緊錨固，使其膠水與構(gòu)件充分反應(yīng)，粘結(jié)牢固。

在鋼構(gòu)件的焊接時(shí)，必須嚴(yán)格控制焊接的質(zhì)量，并且避免在焊接時(shí)對(duì)加固構(gòu)件造成的熱破壞。

在鋼構(gòu)套或包鋼加固時(shí)，鋼構(gòu)件的封邊必須要嚴(yán)密牢固。

5 結(jié) 語(yǔ)

與目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平適宜，結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)主要是以傳統(tǒng)的方法與技術(shù)為主。但是鑒于建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，特別是鋼材料為代表的加固修復(fù)技術(shù)的發(fā)展已成為主要方向，我們應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、鑒定和評(píng)價(jià)到所有的加固設(shè)計(jì)、施工和工程質(zhì)量相應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，建立起具體鋼加固方案，應(yīng)將所有的鋼加固方法歸納分類，建立一個(gè)以鋼加固為主的適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的加固體系。從國(guó)內(nèi)發(fā)展來(lái)看，土木工程結(jié)構(gòu)加固上，鋼材料和鋼加固技術(shù)都得到了廣泛的關(guān)注，其發(fā)展和應(yīng)用具有非常廣闊的前景。因此，在后期的結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)中鋼材料的使用成為了重要組成部分。