淺析鋼筋混凝土結構改造加固設計的特點和應用

劉 勇

（唐山鋼鐵國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000 ）

淺析鋼筋混凝土結構改造加固設計的特點和應用

劉 勇

（唐山鋼鐵國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000 ）

針對鋼筋混凝土結構的改造加固設計，結合工程實例闡述五種主要加固方法的技術特點和應用，可供鋼筋混凝土結構加固設計借鑒、參考。

鋼筋混凝土；結構；改造加固

由于建筑物結構建造年代、使用年限、設計和實際使用功能上的差別、遭受各種人為或地震等自然災害因素的影響，許多已完工或正在建設中的建筑結構已產生了使用功能的改變或不同程度的損害，為此，必須對現有結構進行加固。

1 鋼筋混凝土結構加固機理的分析

為滿足新的荷載需要和改正在設計計算、施工缺陷或薄弱結構等工程實際中的一系列錯誤，加固技術被越來越廣泛地應用于土木工程中；加固技術也用來修補因意外或自然災害而嚴重損傷的結構。外粘鋼板或聚合物片材補強加固鋼筋混凝土結構的技術，已經成功地應用于土木工程中。近年來，高強度的碳纖維、玻璃纖維等聚合物材料作為鋼板的替代物正在被發展和應用。鋼筋混凝土結構經常進行的是受彎加固。在鋼筋混凝土結構受拉區表面粘結鋼板或聚合物板材進行加固，是一種增加受彎承載力和提高抗彎剛度進而減少撓度和控制裂縫的有效方法。這些被稱作纖維增強聚合物系列，具有許多重要的優點，如自重輕、耐腐蝕和應用便捷等。自重輕，可以減少施工時間和工程造價，因為不需要重型機械。應用時，不僅可以一層一層地粘貼使用，還可以以薄板的形式使用。要加固因自然災害而損傷的結構，聚合物片材的加固技術，常常可以很快地實施和完成。與粘結鋼板加固結構相比，環氧樹脂粘結纖維聚合物片材具有許多優點，如高抗拉強度、高疲勞強度和自重輕，特別是耐腐蝕性。纖維聚合物片材的另外一個優點是，片材能夠粘貼于結構的某一特定位置，從而達到最大的加固效率。

有機粘結膠聚合物的一個缺點是耐火性差。一些聚合物在紫外線照射下還容易變性、老化，因而出現耐久性問題。由于碳纖維、玻璃纖維既能暴露于火中，又能夠耐受紫外線的照射，因此，將這些纖維織物與混凝土粘結在一起的有機粘結膠，就成了一個薄弱環節。無機粘結膠加固體系，單位碳纖維面積上的彎矩隨著碳纖維面積的增加而增加，這意味著使用更厚的碳纖維板，將可達到更佳的加固效率。

外粘碳纖維增強塑料片材加固梁，可以進行抗彎加固、抗剪加固和抗彎、抗剪加固。研究表明，剛度隨梁兩側片材面積的增加而增加，但這種增加是有限的。應變片測量的結果表明，沒必要在梁兩側整個表面進行加固。在梁兩側進行加固以提高極限受彎承載力的效果并不明顯。梁兩側的片材對阻止裂縫的發展，起著重要的作用。為了對梁進行受剪加固，必須同時進行受彎加固。試驗測得的結果表明，第一條裂縫一般都是由于受彎引起的，并出現于混凝土受拉區，梁端的裂縫出現最遲。

在無機粘結膠加固體系中，梁都以碳纖維的破裂而失效，在有機粘結膠加固體系中，梁都以碳纖維的剝離破壞而失效，這是由于聚合物和混凝土母體之間的傳力機理不同而引起的。在無機粘結膠加固體系中，粘結膠的粘結行為和混凝土中的粘結行為相似，裂縫附近的粘結失效，使碳纖維中的粘結發生局部滑移，從而粘結是間斷的。這個機理降低了在混凝土中交接面的拉伸變形。當應變不是很高時，因為交接面上的受剪承載力很強，不會出現安全的剝離。

2 混凝土和砌體結構加固的主要方法

2.1 加大截面加固法

該法施工工藝簡單、適應性強，并具有成熟的設計和施工經驗。適用于梁、板、柱、墻和一般構造物的混凝土的加固。但現場施工的濕作業時間長，對生產和生活有一定的影響，且加固后的建筑物凈空有一定的減小。

2.2 有粘結外包型鋼加固法

該法也稱濕式外包鋼加固法，受力可靠、施工簡便、現場工作量較小，但用鋼量較大，且不宜在無防護的情況下用于高溫場所。適用于使用上不允許顯著增大原構件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載力的混凝土結構加固。

2.3 粘貼纖維材料加固法

除具有粘貼鋼板相似的優點外，還具有耐腐蝕、耐潮濕、幾乎不增加結構自重、耐用、維護費用較低等優點，但需要專門的防火處理。適用于各種受力性質的混凝土結構構件和一般構筑物。

2.4 錨栓錨固法

適用于混凝土等級為C20～C60的混凝土承重結構的改造、加固，不適用于已嚴重風化的上述結構及輕質結構。

2.5 植筋法

可植入普通鋼筋，也可植入螺栓式錨筋。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。

3 碳纖維布加固設計實例

承德建龍鋼鐵有限公司一幢二層框架結構配電樓二層由于使用功能改變，有八根梁出現裂縫，經過現場勘察和設計復核，發現結構第二層局部梁抗彎承載力無法滿足使用要求而產生裂縫（原設計中樓板與柱子較保守，經復核截面及配筋均滿足現功能使用要求）。

經分析、比較，決定采用在梁底通長方向粘貼碳纖維布，梁端附加碳纖維布條制成U字箍，既對梁底碳纖維布有較好的錨固作用，也提高了梁端部的抗剪承載力。

計算時，近似認為碳纖維拉應變等于鋼筋拉應變，按受力相等原則，將碳纖維布面積轉化為等效鋼筋面積，即：

式中，Acfs，fcfs，Ase和fy分別代表碳纖維布的面積、抗拉強度、等效的鋼筋面積和鋼筋的抗拉強度；ψ為碳纖維布的強度折減系數，在本工程中取2/3。碳纖維布的面積Acfs取其凈面積，即：

式中，tcfs，Bcfs，n分別為碳纖維布的計算厚度（mm）、幅寬（mm）和加固梁中碳纖維布的粘貼層數；β為碳纖維布粘貼層數的折減系數，僅粘貼一層時取β = 1。然后根據需要加固的梁截面，分別按照鋼筋混凝土結構受彎構件的正截面承載力設計公式，由外荷載的增加計算出所需補充受拉鋼筋的面積。最后按式(1)、式(2)設計碳纖維布的布置參數。施工時，先采用壓力灌注改性環氧對梁裂縫進行封閉，后以粘貼碳纖維進行加固，加固厚度僅為2 mm，不影響室內層高要求。據觀測，所有的變化值均在設計許可的范圍之內。

4 結語

在為鋼筋混凝土結構加固前，工程人員應有針對性地研究加固的措施。按照設計規范，對于不宜采用修復加固的結構重要構件，必須對主體予以拆除，以防止結構向機構轉變，因為伴隨而來的往往是結構的脆性破壞而具有災難性。在設計中，應該選擇合適的加固方法，同時還應考慮其是否具有良好的施工性、是否經濟等方面。隨著現代建筑科學技術的不斷發展，結構加固方法也會日新月異，加固方法的選擇范圍也將具有更為廣泛的空間。

[1]中國建筑標準設計研究院.混凝土結構加固構造(08 SG311-2)[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[2]彭碧賢.混凝土梁粘鋼加固施工技術研究[J].廣東建材, 2011(5).

[3]萬墨林,韓繼云.混凝土結構加固技術[M].北京:中國建筑工業出版社,1995.

[4]高亮.淺議碳纖維加固混凝土梁的實驗[J].科技信息, 2011(22).

（責任編輯、校對：孫海祥）

Features of Transformation and Strengthening Design for Reinforced Concrete Structure and Its Application

LIU Yong
(Tangshan International Steel Engineering Company Limited, Tangshan 063000, China)

Through the transformation and strengthening design technology for the reinforced concrete structure, the technical features of fivel main reinforce methods and their applications were introduced together with the project examples for the transformation and strengthening design of reinforced concrete structure as reference.

reinforced concrete; structure; transformation and strengthening

TU37

A

1009-9115(2012)05-0061-02

2012-05-15

劉勇（1979-），男，河北唐山人，工程師，研究方向為鋼筋混凝土加固。