混凝土結(jié)構(gòu)幾種常用加固方法的技術(shù)應(yīng)用研究

魏 東 上海鐵路局合肥樞紐指揮部

建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及局部和整體的穩(wěn)定性，以滿足安全性耐久性和適用性的要求。在工程實(shí)踐中，導(dǎo)致建筑物未能滿足上述要求而需要進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的原因主要有勘察設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)問題、使用功能改變、自然災(zāi)害與偶然事故以及結(jié)構(gòu)耐久性降低。如何合理的選擇加固方法關(guān)系到能否節(jié)約工程投資。

1 常用加固方法的適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有下面幾種：增大截面加固法、粘貼碳纖維加固法、外部粘貼鋼板加固法（簡(jiǎn)稱粘鋼法）、外包鋼加固法。確定加固方案時(shí)，除了要研究加固范圍的局部效果，還應(yīng)考慮與之相關(guān)的整體效應(yīng)。避免因局部加固導(dǎo)致整體剛度失衡，或破壞了原結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的合理性。

1.1 增大截面法

增大截面法是用同種材料增大原混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面面積達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力和構(gòu)件剛度的目的，是一種傳統(tǒng)的加固方法。它不僅可提高被加固構(gòu)件的承載能力，而且還可以加大其截面剛度，改變其自振頻率，使正常使用要求下的性能在某種程度上亦得到改善。適用于一般梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)的加固，特別是原截面尺寸顯著偏小及軸壓比明顯偏高的構(gòu)件。

優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，適用面廣。

缺點(diǎn)是濕作業(yè)，自重大，養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)，截面增大對(duì)結(jié)構(gòu)外觀及房屋凈空也有一定的影響。

1.2 碳纖維加固法

該技術(shù)是利用樹脂類材料將碳纖維布粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。對(duì)于提高承載力要求不高，尺寸變化要求嚴(yán)格的框架柱、梁通常采用此類加固方法，適用于承受靜力作用的一般受彎、受拉構(gòu)件。

優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)，常用碳纖維布的自重僅為（200～300）g/m2，設(shè)計(jì)厚度為（0.111～0.167）mm，抗拉強(qiáng)度高，施工簡(jiǎn)便，施工速度為粘鋼的2～3倍，可曲面或轉(zhuǎn)折粘貼，不損傷原結(jié)構(gòu)，不改變結(jié)構(gòu)外觀，無濕作業(yè)。

缺點(diǎn)是有機(jī)膠的長(zhǎng)期持荷強(qiáng)度較低，抗剪強(qiáng)度低，耐老化性能較差，不耐火，不能焊接，環(huán)境溫度不超過60℃，粘貼時(shí)濕度不超過70%，無化學(xué)腐蝕環(huán)境。

1.3 外部粘貼鋼板加固法

粘鋼加固法是用建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面，使其具有良好的共同工作性能，能達(dá)到加固和增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的目的，提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力，提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度，減小外部變形。一般以Q235鋼或16Mn鋼為宜，鋼板厚度一般為（2～6）mm。基本上不影響構(gòu)件的外觀，且比其他方法節(jié)省施工時(shí)間。適用于因配筋量不足的簡(jiǎn)支梁板及連續(xù)梁板加固。與碳纖維加固法具有相似的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

1.4 外包鋼加固法

外包鋼加固法是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件或桿件四角或兩角包以型鋼的加固方法，也是一種使用面較廣的傳統(tǒng)加固方法。分為干式外包鋼法和濕式外包鋼法兩種形式。它可在基本不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下較多地提高其承截力，增大延性和剛度。適用于使用上不允許增大混凝土截面尺寸，而又需要大幅度地提高承載力的混凝土結(jié)構(gòu)的加固，如柱、框架節(jié)點(diǎn)。當(dāng)采用化學(xué)灌漿外包鋼加固時(shí)，型鋼表面溫度不應(yīng)高于60℃;當(dāng)環(huán)境具有腐蝕性介質(zhì)時(shí)，應(yīng)有可靠的防護(hù)措施。

優(yōu)點(diǎn)是受力可靠，能顯著改善結(jié)構(gòu)性能，對(duì)使用空間影響小，施工簡(jiǎn)便。

缺點(diǎn)是外露鋼構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行防火防腐處理。

2 幾種加固方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

決定加固方案的取舍時(shí)一般遵循以下原則：其一，技術(shù)上務(wù)必適用、可靠、先進(jìn)、合理。符合這幾點(diǎn)，可以取得多方面的效果，如可以降低物質(zhì)消耗、縮短工藝流程、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證加固效果、有利于人身安全、還可以減少污染。其二，經(jīng)濟(jì)上務(wù)必合理的。在選擇加固方案時(shí)要綜合考慮加固成本、質(zhì)量、工期、預(yù)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等因素，選擇經(jīng)濟(jì)上最為合理的加固方案。在通常情況下，上述原則基本是一致的。當(dāng)遇到相互矛盾的情形時(shí)，一般來講，在保證工程質(zhì)量、不違反勞動(dòng)安全和環(huán)境保護(hù)的原則下，經(jīng)濟(jì)合理是選擇加固方案的主要原則。

2.1 碳纖維加固法與粘鋼加固法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

從理論上講，粘貼碳纖維加固法與粘鋼加固法均可滿足抗彎、抗剪加固要求。但由于碳纖維的極限抗拉強(qiáng)度一般為粘鋼的十倍，且彈性模量基本相同，故而在相同的形變下，單位面積的碳纖維對(duì)抗彎承載力的提高近似于粘鋼的十倍。因此，在通常情況下，粘貼兩層的碳纖維的加固效果相當(dāng)于粘貼一層（3～4）mm厚的鋼板，但由于單位面積的碳纖維材料價(jià)格較高，因此采用粘鋼法將較為經(jīng)濟(jì)。

其次，對(duì)處于惡劣環(huán)境的靜力結(jié)構(gòu)或試件，由于鋼板極易遭受周圍環(huán)境的影響，發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，使得鋼板厚度逐漸變薄，進(jìn)而引起承載力下降，此時(shí)姑且不論碳纖維造價(jià)的高低，往往優(yōu)先選用碳纖維進(jìn)行加固，因此其后期的維護(hù)成本較粘鋼法要低的多。

再次，在一些承受動(dòng)力荷載的工程領(lǐng)域，通常采用更具柔韌性、粘結(jié)質(zhì)量更好的碳纖維進(jìn)行加固。

此外，對(duì)由于變形過大需修復(fù)的結(jié)構(gòu)則常采用粘鋼法進(jìn)行加固，以期獲得較大的剛度，減小結(jié)構(gòu)變形。

2.2 加大截面法與粘鋼法加固梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

采用價(jià)值工程的方法建立價(jià)值工程模型，通過對(duì)安全性、耐久性、對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響、施工難易程度、工期等功能指標(biāo)的權(quán)重確定，分析論證了采用粘結(jié)型鋼法加固梁在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都比采用加大截面法更優(yōu)。

2.3 加大截面法與外包鋼加固法加固柱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

由于外包鋼加固法施工速度快，為下一步工序爭(zhēng)取了時(shí)間，縮短了工期，且節(jié)約加固材料，與加大截面法相比較，采用外包鋼加固法時(shí)總成本大為節(jié)省，經(jīng)濟(jì)效益較高。

對(duì)混凝土框架柱的加固，選用外包鋼加固法比較適宜，它對(duì)加固構(gòu)件的截面尺寸和外觀影響很小，承載能力提高較大，對(duì)靜力加固的結(jié)構(gòu)必須考慮結(jié)構(gòu)二次受力問題。外包鋼加固法中一般選用低強(qiáng)鋼材，這樣可以減少加固構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變滯后現(xiàn)象而充分發(fā)揮后加部分的潛力；為提高二次組合結(jié)構(gòu)結(jié)合面的粘結(jié)性能，保證新舊兩部分能整體工作共同受力，加固結(jié)構(gòu)所用水泥及混凝土，要求收縮性小，最好微膨脹，與原構(gòu)件的粘結(jié)性好，早期強(qiáng)度高。

3 工程實(shí)例

合肥站改造工程站房改造后總建筑面積為27 690 m2，主體二層，建筑主體高度23.65 m，依據(jù)檢測(cè)單位對(duì)既有結(jié)構(gòu)檢測(cè)、鑒定結(jié)果，為節(jié)約投資，設(shè)計(jì)方案保留了局部框架結(jié)構(gòu)。由于加層、樓面荷載變化和其他原因，既有結(jié)構(gòu)的部分框架柱、梁、板的配筋等不能滿足規(guī)范及承載力要求，需對(duì)合肥站軟席候車區(qū)、普通候車區(qū)、貴賓候車區(qū)以及行包庫(kù)等既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

（1）柱選用外包鋼加固法加固

根據(jù)工期、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境等因素，柱選用外包鋼加固較為合理。

站房框架柱多采用外包L75×（6-8）的角鋼，中間采用相應(yīng)厚度的連接板予以固定，梁體多采用外粘貼U型箍以提高梁體的抗剪承載力以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將強(qiáng)度高的L75角鋼粘貼在柱表面時(shí)，不僅能保證柱子和角鋼作為一個(gè)整體共同受力，還能封閉粘貼部位的裂縫，約束柱子變形，從而提高柱子承載力。

（2）主要梁選用粘鋼加固法加固

根據(jù)站房荷載大、加固面積廣等特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，主要梁選用粘鋼（Q235B鋼、厚度3 mm～10 mm）較為經(jīng)濟(jì)合理。

（3）板選用碳纖維加固法加固

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，局部樓板厚度小于原設(shè)計(jì)板厚且存在裂縫。粘貼一層碳纖維布（采用高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)，300 g/m2）即可滿足承載力要求，所以碳纖維加固的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)束語

合肥站改造項(xiàng)目加固工程達(dá)到了預(yù)期效果，保證了結(jié)構(gòu)的安全，投資控制在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，但由于改造加固后設(shè)計(jì)合理使用年限為30年，加固后的結(jié)構(gòu)要定期檢查維護(hù)，所以使用過程中要一定的維護(hù)成本。

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的各種加固方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際工程中要考慮多種因素，應(yīng)根據(jù)不同工程特點(diǎn)、適用性、承載力補(bǔ)強(qiáng)大小、剛度等方面綜合分析選定。