混凝土結(jié)構(gòu)工程加固設(shè)計(jì)及施工方案探究

王選云

（甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的功能發(fā)生了改變，例如接建、加層、荷載加大等，或質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，例如需修補(bǔ)、混凝土本身質(zhì)量不過(guò)關(guān)，或配筋不足等，都要做加固處理。加固項(xiàng)目全過(guò)程中設(shè)計(jì)以及制定方案等方面更為重要，而對(duì)于必須要進(jìn)行加固的結(jié)構(gòu)，則應(yīng)依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及不同的缺陷，應(yīng)該采用相應(yīng)的加固對(duì)策。所以，在對(duì)凝土結(jié)構(gòu)工程加固時(shí)，必須要掌握經(jīng)濟(jì)、安全以及適用的根本原則，根據(jù)實(shí)際施工標(biāo)準(zhǔn)，選擇可以提高經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益的科學(xué)方案。

1 混凝土結(jié)構(gòu)加固在工程實(shí)際中的重要性分析

在工程實(shí)際過(guò)程中，依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)建模計(jì)算做加固設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵目的是要調(diào)整或提高結(jié)構(gòu)整體剛度，或提高單個(gè)構(gòu)件的承載能力，保證其穩(wěn)定性良好，并使其安全性滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程的要求。近幾年來(lái)，建筑行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，施工技術(shù)在不斷創(chuàng)新，各類(lèi)先進(jìn)的材料以及工藝為混凝土結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)，在相關(guān)人員設(shè)計(jì)加固方案過(guò)程中，不但要重視方案的整體性能以及性價(jià)比，還要充分體現(xiàn)工藝的先進(jìn)性、科學(xué)性以及可行性。

1.1 提升建筑物的抗震能力

近年來(lái)建設(shè)建筑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在不斷嚴(yán)格化，更加注重房屋的抗震作用。為了能夠預(yù)防地質(zhì)以及自然的惡劣條件損壞到結(jié)構(gòu)造成的損害，以及規(guī)范、規(guī)程的不斷迭代，為使既有建筑滿足現(xiàn)在的抗震要求，抗震加固是不可或缺的。

1.2 保證建筑物的使用壽命

設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)初期就已保證了建筑的使用壽命，普遍民用建筑設(shè)計(jì)使用壽命為50年。但建筑的實(shí)際運(yùn)用壽命主要是看其結(jié)構(gòu)是否安全判定的，因?yàn)榻ㄖ潜婚L(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中的，所以會(huì)被較多因素侵蝕。普遍情況下，若建筑主體結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生破壞或變形，是可以繼續(xù)使用的，但部分建筑由于偶然作用，或者超出設(shè)計(jì)預(yù)期的外在影響，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)的使用壽命，此時(shí)對(duì)建筑的加固也是必要的。

1.3 既有建筑的改造

出于經(jīng)濟(jì)性以及建筑用地限制，現(xiàn)階段有很多建設(shè)項(xiàng)目是通過(guò)對(duì)既有建筑物的改造來(lái)滿足相應(yīng)的需求，例如加層、擴(kuò)建、夾層等。此時(shí)采用加固改造既有建筑的方案，在經(jīng)濟(jì)性、便捷性上明顯優(yōu)于拆除新建及另行修建。

2 建筑混凝土結(jié)構(gòu)工程加固設(shè)計(jì)原則

2.1 安全性原則

相關(guān)人員在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先必須與工程實(shí)際相結(jié)合，不違背國(guó)家法律法規(guī)、規(guī)范、規(guī)程為原則。即有關(guān)工作人員必須要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建筑實(shí)際情況相結(jié)合，科學(xué)選用加固方式，只有加固方式正確，才可以將原建筑混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠性提高，保證建筑的安全性及抗震性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 經(jīng)濟(jì)性原則

在相關(guān)人員對(duì)建筑物混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，不可以違背經(jīng)濟(jì)性原則。確保所選的加固設(shè)計(jì)方案能符合建筑物實(shí)際，結(jié)構(gòu)加固效果好，且所消耗的成本相對(duì)較低，使能夠有效控制建筑混凝土結(jié)構(gòu)的加固費(fèi)用，協(xié)助企業(yè)最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 實(shí)用性原則

在對(duì)建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的實(shí)際中，實(shí)用性原則和操作性原則幾乎相同，有關(guān)工作人員必須要在提高建筑混凝土結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性以及堅(jiān)固度的基礎(chǔ)上，確保加固設(shè)計(jì)方案其實(shí)際發(fā)揮的功能，易于施工，并可以在短時(shí)間內(nèi)做好建筑結(jié)構(gòu)加固作業(yè)。

3 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)施工方案分析

3.1 增大截面法

增大截面法是通過(guò)在構(gòu)件原有截面外層新增一層混凝土，使構(gòu)件截面積被增大，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力的加固方法。此種方法對(duì)于加固鋼筋混凝土受壓以及受彎構(gòu)件很有效。加大截面法屬于傳統(tǒng)的加固方法，已被廣泛地進(jìn)行運(yùn)用。由于該方法對(duì)構(gòu)件剛度影響較大，故在已提高構(gòu)件承載能力為目的時(shí)，僅在構(gòu)件加固后需提高的承載力大于原承載能力的40%時(shí)使用；在大多數(shù)情況下，增大截面法更多的是應(yīng)用于調(diào)整房屋整體剛度，已保證房屋在地震作用下的變形協(xié)調(diào)。由于加固技術(shù)在不斷發(fā)展，施工工藝也在優(yōu)化，加大截面加固法被不斷改進(jìn)，鋼筋混凝土套箍加固技術(shù)以及錨噴混凝土加固技術(shù)、（如圖1）是應(yīng)用較廣泛的技術(shù)。

圖1 截面加大加固施工

此加固方法的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)更成熟、適應(yīng)性更強(qiáng)、操作更簡(jiǎn)單，剛度更強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)承載力更強(qiáng)等，其不但可以適用于普通主體以及墻體的加固，更可以用于加固梁體等混凝土構(gòu)件。而缺陷在于：濕法過(guò)程復(fù)雜，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，容易對(duì)生產(chǎn)生活促成影響；對(duì)于結(jié)構(gòu)的外部形狀，也容易影響到房屋的空間，將實(shí)際的使用空間縮小了，而且被預(yù)設(shè)的鋼材腐蝕風(fēng)險(xiǎn)特別高，混凝土產(chǎn)生裂變的可能性大。運(yùn)用此種方法處理后，結(jié)構(gòu)受力的方向與原來(lái)保持水平，不會(huì)產(chǎn)生改變，施工技術(shù)水平以及材料的性能會(huì)影響到對(duì)接面的造型處理效果。

此方法在設(shè)計(jì)造型的具體過(guò)程中，必須考慮到原結(jié)構(gòu)與新增部分協(xié)作力的綜合承重情況，若存在問(wèn)題，必須要合理進(jìn)行處理。根據(jù)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在力的作用下加固結(jié)構(gòu)對(duì)接面可以產(chǎn)生許多復(fù)雜的應(yīng)力，如剪力、拉力以及壓力等，其中前兩者屬于關(guān)鍵應(yīng)力。新舊結(jié)構(gòu)其對(duì)接面屬于受力較弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)界面產(chǎn)生開(kāi)裂時(shí)就會(huì)使對(duì)接面出現(xiàn)剝離，各自進(jìn)行受力，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度與承載力被減弱，加固效果也會(huì)相對(duì)較差。對(duì)結(jié)合面的粘性性能的研究，創(chuàng)新理論計(jì)算方法，或?qū)⒊蔀檫@種加固方法的新方向。

3.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法是把型鋼以及鋼板等建筑材料包在鋼砼結(jié)構(gòu)表面，利用原構(gòu)件與其的協(xié)同作用，提高構(gòu)件的承載能力，達(dá)到良好的加固效果。對(duì)于矩形的截面柱，一般將其四角進(jìn)行角鋼外包，用綴板將其橫向焊接為一體；對(duì)于圓形的截面柱普遍是采用扁鋼加套圈的方式；對(duì)于梁加固時(shí)可進(jìn)行角鋼外包提高加固效果。

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操較少，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很強(qiáng)，但是對(duì)消耗鋼材的用量是相對(duì)較大的。其普遍適用于運(yùn)用中不允許增加原結(jié)構(gòu)的截面積尺寸，且提高幅度不大于40%的情況。在這類(lèi)加固構(gòu)型中，尤其是框架構(gòu)型，對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)處的處理，相對(duì)較復(fù)雜，處理難度很大，同時(shí)對(duì)原結(jié)構(gòu)有一定的破壞。

次方法結(jié)構(gòu)件與外包鋼之間一般是通過(guò)采用環(huán)氧樹(shù)脂澆灌進(jìn)行粘接，或者是通過(guò)乳膠水泥進(jìn)行粘接，必須使兩者間能夠構(gòu)成一個(gè)整體，協(xié)同受力，實(shí)際上其屬于復(fù)合加固方式，使兩者可以緊密地進(jìn)行結(jié)合。由于此方法可以大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的承載力量，所以，能夠?qū)ω?fù)載較大的受壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

3.3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固技術(shù)實(shí)際上是通過(guò)改性環(huán)氧樹(shù)脂灌注膠等結(jié)構(gòu)膠在混凝土構(gòu)件較薄的位置粘貼鋼板，使混凝土構(gòu)件能與鋼板相互配合進(jìn)行受力，使之構(gòu)成整體，對(duì)整體結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度進(jìn)行加固。多被用于鋼筋混凝土受拉、受彎以及大偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)運(yùn)用。

鋼板一般是固定在混凝土受拉一側(cè)的表面，使構(gòu)件的抗變性能以及抗彎承載力都能夠得到有效增強(qiáng)，將整體的繞度降低，同時(shí)還必須要預(yù)防劣化被加深，保證結(jié)構(gòu)能夠均衡地進(jìn)行受力，預(yù)防內(nèi)部應(yīng)力集中情況發(fā)生。此加固法作業(yè)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)單、空間占用小、加固效果好、硬化時(shí)間短、加固費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)外形不受影響等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用。

此方法的不足之處就是經(jīng)過(guò)加固處理的鋼板存在應(yīng)力滯后的情況，在作業(yè)實(shí)際中與原有結(jié)構(gòu)的負(fù)荷呈正相關(guān)；粘結(jié)劑質(zhì)量和耐久性的具體情況會(huì)影響到后期的加固效果，影響著施工質(zhì)量。當(dāng)前關(guān)于結(jié)構(gòu)膠的抗老化周期并沒(méi)有得到實(shí)踐的證實(shí)，故規(guī)范中要求定期對(duì)膠粘劑的工作狀態(tài)進(jìn)行價(jià)差，因此，還需要深入進(jìn)行觀察、研究，另外，粘鋼板加固法隨型較差對(duì)異形結(jié)構(gòu)梁和特殊形狀的梁沒(méi)有任何作用。

此法一般適用于在靜力受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的正截面和斜截面分別彎曲和裁剪，以及大偏心受拉和受壓結(jié)構(gòu)的加固。需要進(jìn)行處理的混凝土構(gòu)件，經(jīng)測(cè)試強(qiáng)度不能小于C15，外觀的正拉粘結(jié)強(qiáng)度不能低于1.5 MPa。

粘結(jié)材料的質(zhì)量以及施工水平的高低都會(huì)影響到此方法的技術(shù)效果，所以，在選用這種方法進(jìn)行加固的實(shí)際過(guò)程中，需要確保結(jié)構(gòu)后期所處環(huán)境溫度低于60 ℃，濕度也必須要低于70%；當(dāng)放射性較強(qiáng)或濕度以及溫度較高的不良情況下，混凝土構(gòu)件必須要運(yùn)用性能較好的粘接劑，并按照特殊方法施工，提前做好預(yù)防措施。

3.4 貼碳纖維加固法

碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，即：CFRP），是近年來(lái)的新型復(fù)合材料，早期是被航空航天等特殊行業(yè)進(jìn)行運(yùn)用的。此外，在土木工程行業(yè)的研究也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。此方法相比于以往的常用加固方法，其加固修復(fù)效果俱佳，通過(guò)碳纖維材料加固混凝土構(gòu)件，實(shí)際上是在構(gòu)件外層使用粘合劑粘合相對(duì)應(yīng)的材料，通過(guò)兩者的協(xié)同受力性能，將整體結(jié)構(gòu)的承載能力提高。由于這種片材其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高且耐腐蝕性強(qiáng)，因此，在美、日等國(guó)家的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，而我國(guó)在近年來(lái)開(kāi)始研究和應(yīng)用這一技術(shù)，也取得了很大的成就。

碳纖維材料加固法的使用優(yōu)勢(shì)突出在兩方面：一個(gè)是強(qiáng)度高，一個(gè)是效果好，施工簡(jiǎn)單快捷。因?yàn)榇瞬牧系奈锢硇阅茌^好，在補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土構(gòu)件的實(shí)際過(guò)程中，可使構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的承重能力獲得有效提高，受力特性得到科學(xué)改善，從而才能夠進(jìn)行高效補(bǔ)強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，利用此材料進(jìn)行加固的持久度以及耐腐蝕性較好，能夠很大程度緩解建筑物受到酸、堿等腐蝕的嚴(yán)重影響，可以在各類(lèi)型的建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行運(yùn)用，可以保持結(jié)構(gòu)的原有形狀。對(duì)于一些隧道結(jié)構(gòu)以及大型殼體等工程，使用傳統(tǒng)的加固方法并不會(huì)起到明顯效果，而使用此先進(jìn)的加固方式效果明顯，且質(zhì)量也能夠控制好。

通過(guò)有關(guān)研究得知，通過(guò)碳纖維加固法，可以將框架結(jié)構(gòu)塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行提高，使結(jié)構(gòu)的抗倒塌性得到提高，較好地提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性。在對(duì)未受損的混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行加固時(shí)，不但能夠?qū)⑵涞某兄啬芰M(jìn)行提高，更加能夠科學(xué)改善建筑物的結(jié)構(gòu)延性。

在通過(guò)碳纖維材料加固混凝土構(gòu)件的實(shí)際過(guò)程中，還可以通過(guò)相應(yīng)的輔助粘結(jié)材料，把每個(gè)片材進(jìn)行連接，這樣就可以提高片材的承壓能力，而且還可以和原來(lái)的結(jié)構(gòu)協(xié)同進(jìn)行受力。在作業(yè)的實(shí)際過(guò)程中，首先要遵守相關(guān)規(guī)范的要求，通過(guò)極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)，并以概率理論為依據(jù)，測(cè)算極限狀態(tài)下的實(shí)際的荷載情況，使結(jié)構(gòu)在此狀態(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性。依據(jù)平時(shí)所積累的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土和鋼筋的實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)算，同時(shí)，將相應(yīng)材料的強(qiáng)度按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)定為指標(biāo)；碳纖維材料在極限狀態(tài)下建立應(yīng)變后，應(yīng)通過(guò)用線性應(yīng)力情況明確實(shí)際的應(yīng)變關(guān)系；在通過(guò)此材料加固結(jié)構(gòu)的實(shí)際過(guò)程中，首先要考慮清楚處理之后能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多大影響；當(dāng)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行實(shí)施加固時(shí)，必須先把構(gòu)件上的活載荷撤掉，若不能清除，就可能存在2次受力情況。在實(shí)施板梁結(jié)構(gòu)拉力區(qū)加固的具體操作中，材料的排列方向必須要和結(jié)構(gòu)的軸方向垂直，如果抗震加固是選用密閉粘合的方式，也要保證兩者的方向是垂直狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在建筑物混凝土結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際加固設(shè)計(jì)中，需要有關(guān)工作人員依據(jù)工程實(shí)際情況，嚴(yán)格依照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，對(duì)與之相適應(yīng)的加固技術(shù)進(jìn)行合理的選擇，并嚴(yán)格管控每個(gè)關(guān)鍵階段，從而科學(xué)編輯建筑混凝土結(jié)構(gòu)工程加固方案，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。