混凝土結構加固技術與案例分析

摘要:分析了混凝土結構常見的缺陷，詳細介紹了傳統加固方法;常規加固方法包括粘鋼加固法、預應力加固法、外包鋼加固法、置換加固法及間接加固法;新型加固方法包括繞絲加固法、粘貼鋼筋加固法、玻璃鋼加固法及碳纖維加固法;結合具體工程結構的加固，介紹了化學植筋加層，碳纖維布加固梁、柱的設計施工方法，提出了設計施工體會;對未來加固技術進行了展望。

關鍵詞:混凝土結構;加固;植筋;碳纖維加固

中圖分類號:C93文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)33-0213-02

引言

隨著社會的發展，新建房屋不斷增加，現有房屋結構的工程檢測及補強加固也成為工程界廣泛關注的問題。中國現行規范房屋使用年限為五十年，物理老化、化學腐蝕、社會需求的變化、設計標準的提高等諸多因素制約或縮短現有建筑結構的使用壽命。針對需要加固的房屋絕大部分未到使用年限，不允許將其全部推倒重建，需要對此進行工程檢測及可靠度評定;針對不同結構特點，采取有效方法進行補強與加固處理，從而使其安全性、適用性和耐久性滿足規范要求，繼續為社會服務。在中國，在經過幾十年大規模的基本建設后，已有建筑物的維修、改造和加固必將占據應有的重要地位。因此，將其視為一個體系加以研究和探討已經成為中國對現有建筑物實施管理的一項完整對策。

一、加固原因

加固學是隨同房屋結構學發展起來的。目前加固的主要原因有:尚未建成但由于施工質量問題;結構封頂尚未使用需要改造而引起的加固;結構老化后進行改造加固;因災害引起的加固。

二、常規加固方法

1.粘鋼加固法。外粘鋼板加固鋼筋混凝土結構的方法，就是用薄鋼板或其他鋼襯通過一種雙組份環氧粘合劑粘于混凝土結構表面產生一種三相材料:混凝土—膠—鋼板的復合系統。該法具有方案設計及結構計算簡單，不損傷原混凝土構件，施工方法簡便，周期短，現場作業量小，對原構件外形尺寸影響小等優點。在國際上是一種適用面較廣的先進加固方法，不僅建筑，而且公路橋梁也普遍采用。已經證明粘在混凝土梁受拉表面的鋼板能提高抗彎能力，同時也能提高抗彎剛度并相應減少撓度和開裂。

2.預應力加固法。也可稱為反彎矩法。在20世紀50年代外部預應力就已是一種施工方法。預應力加固具有加固、卸載、改變結構內力的三重效果，適用大跨結構加固。用預應力鋼筋在構件外進行張拉，可以起到增加主筋，提高正截面及斜截面強度，同時也提高了剛度，是一種積極的加固方法。但預應力鋼筋中的預應力設置多少，卻要受結構受力年限而定，即要考慮混凝土徐變的影響。預應力筋的應力不宜大于150Mpa，對于已負荷很久的超靜定結構，宜為 50Mpa～100MPa。

3.外包鋼加固法。外包鋼加固法是以型鋼(一般為角鋼)外包于構件四角(或兩角)的加固方法。在中國，外包鋼加固法也是一種使用面較廣的傳統加固方法，其優點是:施工簡便，現場工作量較小，受力較為可靠，適用于使用上不允許增大原構件截面足寸，卻不要求大幅度的提高截面承載能力的混凝土結構加固。

4.置換加固法。在梁或偏心受壓柱中，用置換法可以達到局部直接補強的效果，例如，當成批構件混凝土強度等級達不到設計要求時，通過檢測，選出最低等級的構件，然后按彎矩圖確定最危險截面，這些截面的受壓區用高等級的新混凝土置換老混凝土，試驗證明:盡管僅在局部置換，仍是十分有效的。在置換法中，構件需切割成方口或要將柱切斷。

5.間接加固法。間接加固法是用增加構件，增設支承點，以減小結構計算跨度，減輕被加固構件的負擔，達到減小結構內力和提高其承載能力的加固方法。其優點是簡單可靠;缺點是使用空間會受一定影響。

三、新型加固方法

1.繞絲加固法。根據混凝土三向受壓可以提高其單軸抗壓強度的原理，對于受壓柱，可以用退火鋼絲橫向纏繞構件，以提高其強度。根據梁的受剪區斜向箍筋受力優于豎向箍筋的道理，可根據需要在梁外進行斜向繞筋或豎向繞筋，以提高其抗剪強度。一般采用冷拔鋼絲退火后進行繞絲，間距為5mm～40mm。這一方法不僅對圓柱、方柱有效，對長方形柱亦有效。為了提高效果可在長方形四個面的中點縱向設置Φ25的圓鋼。

2.粘貼鋼筋加固技術。是指將鋼筋粘貼在構件原有配筋表面或粘貼在混凝土內部的一種加固方法。當鋼筋保護層脫落，脹裂或遭腐蝕破壞時，可將加固鋼筋直接粘貼在原有配筋表面;當保護層混凝土比較完好或原配筋位置不易測準時，可在混凝土表面切縫(1cm～2.5cm深)或鑿槽，將鋼筋粘貼在縫內或槽內，以達到加固目的。粘筋加固主要也是通過結構粘接劑傳遞應力。完成加固工作后加固筋處于原構件內部，基本不加大原構件的截面外形尺寸和自重。粘筋加固適用于以下結構: 原構件混凝土遭受碳化或腐蝕，鋼筋嚴重銹蝕;因荷載改變而造成原配筋不能適應受力要求;施工原因造成的配筋位置不當。

3.纖維復合材料加固法。近年來，隨著纖維類材料研究的日益廣泛，應用于混凝土結構加固的高科技纖維材料(Fiber Reinforced Plastics/Polymer，簡稱FRP)也日益增多。FRP材料具有極好的比強度、比剛度、幾乎無腐蝕性和磁性、較好的耐熱性，并可以與其他結構加固的方法同時使用。結構加固工程中常用的纖維品種有:玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)及芳綸纖維(AFRP) 。其中碳纖維材料是迄今為止，應用于工程最早、技術最成熟、用量也最大的一種高科技材料。由于碳纖維具有優異的物理力學性能，良好的黏合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點，并且不會增加構件的自重及體積，因而廣泛的適用于各種結構類型、結構形狀和結構中的各種部位，且不會改變結構形狀及不影響結構外觀，同時施工方便，工效很高。

CFRP加固修補混凝土結構所用材料主要兩種:碳纖維材料與粘貼用樹脂。用于結構加固修補的碳纖維強度為建筑用鋼的十幾倍，彈性模量與建筑用鋼材在同一水平上并略有提高;粘貼 CFRP用樹脂為環氧類材料。

四、與混凝土結構加固改造配套使用的技術

托換技術:系托梁(或桁架，以下同)拆柱或墻、托梁接柱和托梁換柱等技術的概稱;屬于一種綜合性技術，由相關結構加固、上部結構頂升與復位等技術組成;適用于已有建筑物的加固改造;與傳統做法相比，具有施工時間短、費用低、對生產和生活影響小等優點，但對技術要求較高，需要由熟練工人來完成，才能確保安全。

植筋技術:系一項對混凝土結構較簡潔、有效的連接與錨固技術;可植入普通鋼筋，也可植入螺紋式鋼筋;已廣泛應用于已有建筑物的加固改造工程，如:施工中漏埋鋼筋或鋼筋偏離設計位置的補救，構件加大截面加固的補筋，上部結構擴跨、頂升對梁、柱的接長，房屋加層接柱和高層建筑增設剪力墻的植筋等。

裂縫修補技術:根據混凝土裂縫的起因、性狀和大小，采用不同封護方法進行修補，使結構因開裂而降低的使用功能和耐久性得以恢復的一種專門技術;適用于已有建筑物中各類裂縫的處理，但對受力性裂縫，除修補外，尚應采用相應的加固措施。

五、工程實例

某中學原有三層框架結構教學樓，總建筑面積約3 100m2，各層混凝土強度等級分別為:梁柱均采用C30，板采用C25，基礎采用柱下獨立基礎，基礎埋深2.2m，該教學樓于2002年建成后投入使用，現在由于使用功能的需要，擬對原結構增加一層，作為學生及教師的閱覽室。

1.加層的可行性。對既有建筑物加層主要應滿足以下幾方面的要求:一是必須滿足地基基礎強度及變形的要求;其次是上部結構構件必須滿足承載能力及正常使用極限狀態的要求;其三，必須處理好新舊結合面的連接問題，使新舊結構之間能夠協同工作。這幾方面的要求應分別通過結構計算分析結構檢測以及使用新型建筑材料施工工藝的方法來綜合解決。使用結構計算軟件PKPM進行計算，并在計算過程中做了以下假設:不考慮樓梯間對結構整體剛度的貢獻;新舊結構構件按整體現澆考慮計算結果表明，加層后大部分結構構件承載力滿足要求，僅底層轉角位置柱的承載能力不能滿足要求;同時，由于新增層的使用功能要求(閱覽室)，部分樓面的荷載較大，原三層肋梁樓板中部分梁的承載力也不能滿足要求。 故在加層的同時，必須對上述構件進行加固處理。 同時通過對原結構基礎及主體結構進行檢測觀察，檢測結果表明:原結構梁、柱、板等構件的配筋數量及截面尺寸等均符合設計要求;且混凝土構件外觀完好，地基無不均勻沉降問題，結合結構計算分析，確定基礎可繼續直接使用，不需加固。

2.加固方案。鑒于目前常用的加層改造和結構加固方法，對原結構采取了下述加層加固方案:新加層的柱鋼筋采用鉆孔植筋技術，直接將鋼筋從原柱的節點位置引出;對底層柱采用截面增大的方法，即通過增加原構件的受力鋼筋，同時在外側重新澆筑混凝土以增大構件的截面尺寸，來達到提高承載力的目的;對原結構的三層梁則采取黏貼碳纖維布加固的方法處理:(1)底層柱加固。采用增大截面法加固底層柱，將柱從原截面400mm×400 mm，增大到 500mm×500 mm，其中縱向受力鋼筋仍采用植筋技術，植入底層柱的基礎上。其植筋下部錨入基礎長度≥20d，外露長度≥40d和1000mm，并分兩批焊接縱筋。同時，為了保證增加截面部分與原柱子間的共同工作，沿柱高度方向四面布置錨拉筋(直徑10，間距600)，在柱側面的植入深度為15d。(2)三層梁加固。對梁的加固采用了碳纖維加固的方案。選用 XEC 系列碳纖維片材，其技術參數為:彈性模量 E=2.35×105MPa，允許拉應變[ε]≤0.01.碳纖維達到其允許拉應變與混凝土壓壞同時發生時的界限相對受壓區高度ξb=0.198，極限拉應變ε≥0.015。XEC-300單層厚度 t=0.167mm;抗拉強度2500Mpa～3550Mpa，彈性模量 2.35×105-5.0×105MPa。以上建筑物經加層和加固處理后，現已投入使用，經檢測與觀察，框架柱和無明顯的變形和破壞的跡象，加固處理效果良好，能滿足結構安全要求。

參考文獻:

[1]程良奎.混凝土加固技術與發展[J].土木工程學報，2001，(3):7-12.

[2]張國彥.結構抗震加固技術的應用研究[D].天津:天津大學，2003.

[3]良桃，等.建筑結構加固設計與施工[M].長沙:湖南大學出版社，2002.

[4]趙彤，等.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津:天津大學出版社，2001.[責任編輯 郭偉]