鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)概述

隋曉飛 張森淼

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，中國·江蘇 蘇州 215163

1 引言

在建筑業(yè)步入后發(fā)展階段，建筑用地的擴張使得社會對新建筑的需求和拓展逐漸減小，發(fā)展的沖勢就落腳于對已損建筑、超過使用年限建筑、不符合現(xiàn)有規(guī)范的建筑和一些古建筑的加固改造上，隨著時代的發(fā)展，建筑業(yè)的秤桿也在傾斜，加固改造所耗費的資產(chǎn)在建筑總工程量的占比要大于新建筑新建的占比[1]。

20 世紀80年代的英國，新型建筑的需求量比較大，但是加固改造的投資量依舊占比巨大，在英國整個建筑工程量占比1/3；與此時英國相距三年左右的瑞典，在加固改造上的需求更是龐大，總耗資占工程總資產(chǎn)的一半；80年代的德國，大規(guī)模對廠房進行改建加固，所耗資產(chǎn)占建筑總投資的3/5；90年代初美國建筑物維修加固投資占總投資的1/2；前蘇聯(lián)第九個和第十五個五年計劃中維修加固業(yè)投資占建筑總投資的2/3。

中國自改革開放政策下達后，建筑業(yè)進入飛速發(fā)展的階段，出現(xiàn)了大量新建筑和標志性建筑，同時社會對維修加固的投資也越來越大。建筑物在建設(shè)和使用的過程中，由于內(nèi)在因素諸如施工、材料、人為損壞等，以及外在因素諸如自然、環(huán)境等，導(dǎo)致了材料老化、構(gòu)件強度降低、結(jié)構(gòu)安全儲備不足等諸多問題，使得建筑物的安全性無法得到保證。在設(shè)計方面，包括抗震設(shè)計以及非抗震設(shè)計不當、最初設(shè)計狀態(tài)臨界，后因施工缺陷或者設(shè)計規(guī)范要求提高等種種原因造成結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度等無法達到建筑結(jié)構(gòu)剛度、強度及耐久可靠性等標準要求。迄今為止，1950～1960年代的民用建筑和工業(yè)建筑已經(jīng)超過設(shè)計基準期，再加上中國建筑規(guī)范和地區(qū)政策的改變，中國將面臨大量建筑的檢測與加固工作；城市化的發(fā)展帶動了大批建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，但同時也因房屋老齡化帶來了更多的維修加固需求，因此目前中國建筑業(yè)的發(fā)展點將著重落腳于加固改造的量度和力度上，量度在于高效全面的檢測和加固工作，力度在于加固技術(shù)和加固方法的改進。因此，在中國建筑加固越來越重要，已成為建筑業(yè)的主流趨勢之一[2]。

工程結(jié)構(gòu)加固的發(fā)展方向主要有兩個：一是加固技術(shù)、工藝的發(fā)展；二是加固材料的發(fā)展。技術(shù)與材料的關(guān)系是相輔相成的，技術(shù)工藝方面發(fā)展的路線是：粘結(jié)、植筋錨固、植筋加大截面、裂縫灌膠、預(yù)應(yīng)力應(yīng)用；材料方面的發(fā)展路線是結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)用鋼材、纖維復(fù)合材料。目前國際上已較為成熟的工程結(jié)構(gòu)加固方法有近20 種，分別用來應(yīng)對不同的被加固對象。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固最初的，迄今為止仍被廣泛使用的方法是粘鋼加固，該方法最早是由南非學(xué)者佛萊明和金在1967年研究和使用的，他們試驗了素混凝土梁外粘鋼板代替鋼筋，用鋼板和環(huán)氧樹脂（EPOXY）直接粘貼在建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)上，該項試驗是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)加固理論及應(yīng)用的開端[3]。同一時期美國生產(chǎn)了一種玻璃纖維（GFRP）復(fù)合材料用于保護和加強沿海地區(qū)受氯鹽侵蝕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這也是如今纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reminforced Plastics，簡稱FRP）研究和應(yīng)用的起點。

從20 世紀70年代末起，F(xiàn)RP 材料就已廣泛地應(yīng)用于一般工程結(jié)構(gòu)的加固，到80年代初，F(xiàn)RP 增強材料逐步擴大到了特殊結(jié)構(gòu)性能要求的應(yīng)用中，如受嚴重化學(xué)侵蝕的工業(yè)廠房、海洋構(gòu)筑物及橋梁結(jié)構(gòu)等。

2 建筑加固方法分類

2.1 增大截面積加固法

增大混凝土截面加固法是通過增加構(gòu)件的配筋在原混凝土構(gòu)件外疊澆新的鋼筋混凝土，從而加大原構(gòu)件的混凝土截面，以期達到提高構(gòu)件的承載力等性能并降低柱子長細比等目的。該方法是一種比較傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，該方法成本較低，主要適用于混凝土柱、梁等承受壓力或者彎曲載荷的鋼筋混凝土構(gòu)件加固補強?；炷两Y(jié)構(gòu)增大截面加固法，其關(guān)鍵技術(shù)點是必須解決好新、舊兩部分結(jié)構(gòu)在加固后能否共同受力整體工作。

2.2 粘貼纖維增強復(fù)合材料加固法

粘貼纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指在混凝土結(jié)構(gòu)表面用高性能粘接劑粘貼纖維布，使兩者共同工作提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達到加固、補強建筑物的目的。

纖維增強復(fù)合材料（Fibre Reniforced Polymer，簡稱FRP）具有抗拉強度高、材質(zhì)輕、抗高溫、施工簡便，可以彎折為任何形狀粘貼于各種斷面上對結(jié)構(gòu)進行補強。按照材料組成的不同纖維增強聚合物可大致分為三種，即玻璃纖維（Glass Fiber）、碳纖維（Corbon Fiber）、凱夫拉纖維（kevlar，美國杜邦公司研制的一種芳綸纖維材料）。通常纖維增強復(fù)合材料由三種基本成分組成：纖維（Fiber men Reinfrorce）、基材（Matrix）、纖維-基材界面（Interface）[4-6]。

纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)已廣泛使用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固上。采用纖維復(fù)合材料加固法與其他加固方法相比有很多區(qū)別及優(yōu)點。由于纖維復(fù)合材料和混凝土兩種材料的性質(zhì)不同，纖維復(fù)合材料加固法加固的關(guān)鍵在于保證加固后的纖維材料和原構(gòu)件能夠協(xié)調(diào)受力共同工作。該加固法發(fā)展過程中的關(guān)鍵點一直是對于兩者間界面的研究，另外一個妨礙其發(fā)揮出最大加固效果的因素是纖維材料的高強度低彈性模量。

2.3 外包鋼加固法

外包鋼加固法通常采用型鋼或者鋼板包裹在原結(jié)構(gòu)四角、兩側(cè)或者表面，并且在中間縫隙間灌注砂漿或樹脂等填充材料，同時增加橫向連接件，提高整體承受載荷的能力。一般在混凝土構(gòu)件截面的四角，沿構(gòu)件的某一段或通長設(shè)置角鋼，用螺栓套箍或箍板將角鋼橫向連接，形成外包于構(gòu)件的鋼構(gòu)架整體。加固后，外包鋼構(gòu)架可以部分或完全替代原構(gòu)件進行工作，從而達到對原結(jié)構(gòu)的加固補強目的。外包鋼加固混凝土法經(jīng)常用來對柱、梁進行加固。該方法可以在不顯著增加結(jié)構(gòu)界面尺寸的前提下，大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力，而且該方法施工量小，施工后結(jié)構(gòu)整體性好、受力穩(wěn)定可靠，在實際工程中應(yīng)用廣泛。

鋼筋混凝土外包鋼加固法有兩種，分為干式及濕式。通常干式外包鋼加固是直接于原構(gòu)件之外包以型鋼，或雖有水泥砂漿填塞于其中，但剪力通過結(jié)合面無法有效地傳遞。由于原構(gòu)件與干式外包鋼構(gòu)架各自單獨承受荷載，在加固設(shè)計時，原構(gòu)件與外包鋼構(gòu)架首先按剛度比分配所承受的荷載，之后對原構(gòu)件承載力進行驗算，最后進行鋼構(gòu)架的設(shè)計。雖然干式外包鋼的加固施工與較濕式法相比更為簡便，但其加固效果不及后者。濕式外包鋼加固法，是留一定空隙在原構(gòu)件與型鋼之間，并填灌環(huán)氧砂漿、乳膠水泥漿或細石混凝土等能有效傳遞剪力的填充物于其間，使其黏結(jié)成整體以保證二者協(xié)同工作。濕式外包鋼加固，用型鋼骨架來約束原構(gòu)件混凝土的橫向變形，同時原構(gòu)件混凝土在發(fā)生橫向變形時側(cè)向擠壓型鋼，此時型鋼的承載力因其處于壓彎狀態(tài)而降低。型鋼的承載力也與加大截面加固法一樣，因其存在著一定的應(yīng)力滯后現(xiàn)象而不能得到充分利用。

2.4 粘鋼加固法

粘鋼加固法是在鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力不足的區(qū)域表面采用高性能粘接劑粘貼薄鋼板，使薄鋼板與混凝土在加固后整體協(xié)同工作，利用鋼板的抗拉強度來增強原結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

粘鋼加固法有許多獨特的先進性和優(yōu)點，主要有：堅固耐用、簡潔輕巧、靈活多樣、施工快速、經(jīng)濟合理等。該方法應(yīng)用于承受靜載的受拉和受彎構(gòu)件已有可靠的理論及試驗保證，常用于施工漏放鋼筋加固、鋼筋焊接點斷裂加固、混凝土強度等級達不到設(shè)計要求、提高結(jié)構(gòu)強度加固、加層抗震加固、樓面集中荷載加固、混凝土柱牛腿斷裂加固、橋式吊車梁加固、提高懸掛式吊車梁荷載加固、薄腹梁斷裂加固、爆炸沖擊波破壞梁體加固、梁柱混凝土火災(zāi)后燒壞加固、減震加固、梁柱受化學(xué)腐蝕加固、舊房改造綜合加固等粘貼鋼板加固法[7]。

2.5 植筋法

鋼筋植入是一種加固補強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，它是根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，在需植筋的舊混凝土構(gòu)件上確定所需的鋼筋位置，然后鉆孔、清孔、注入植筋膠插入鋼筋，通過結(jié)構(gòu)膠使鋼筋與混凝土可靠粘結(jié)，再新澆筑混凝土使新、舊鋼筋混凝土有效連接，達到整體受力、共同作用的目的。植筋技術(shù)錨固結(jié)構(gòu)的整體性能良好具有施工簡便、工作面小、適應(yīng)性強、造價低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于混凝土工程結(jié)構(gòu)加固補強。在實際工程中原結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁、板、柱、墻等，其承載力由于承受荷載的增加、使用功能的改變或因事故損傷等原因?qū)е虏蛔?，要擴大原構(gòu)件的截面而新增鋼筋，或因建筑布局的改變需新增梁、板、柱、墻等，相較于其他方式采用植筋技術(shù)具有快速簡便的施工效果。

3 結(jié)語

根據(jù)不同的加固方法采用不同的加固材料，有不同的對應(yīng)要求，其一般原則為：相比原結(jié)構(gòu)的各項力學(xué)指標及能力，新加部分要較高。此外設(shè)計時應(yīng)充分考慮材料的其他性能，如混凝土的收縮性、鋼材的比例極限、化學(xué)灌漿或膠粘劑的粘結(jié)性等。結(jié)構(gòu)加固部分與未加固部分在外形上應(yīng)相對協(xié)調(diào)，以保證結(jié)構(gòu)外觀在加固后的一致性；結(jié)構(gòu)加固后新增的材料對于不同的加固方法，力的傳遞路徑要合理；新增部分的加固材料細部構(gòu)造，如圓角、焊接、搭接、彎折等要滿足特定的要求；粘接纖維材料、鋼板的寬度也要滿足特定的要求。目前建筑結(jié)構(gòu)的加固需求越來越多，施工場景越來越復(fù)雜，按照建筑結(jié)構(gòu)的實際狀況選用合適的加固方法，使其承載能力滿足標準要求，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠是非常必要的。