既有結構加固方法探討

王浩瀚　崔劍奇（廣東省建筑設計研究院）

既有結構加固方法探討

王浩瀚崔劍奇
（廣東省建筑設計研究院）

既有結構在工程改建擴建中拆除部分構件，為保證結構能滿足現有使用要求，需要采用合適、經濟、有效的方式進行加固。本文介紹了混凝土上部結構常用加固方法、加固計算的假定、加固中存在的問題，并針對該問題進行分析，提出解決該問題的方法，以期指導實踐，供同類加固工程參考。

既有結構；加固；應力滯后；頂升

某天橋梯道為兩跨連續梁結構，為新增一出入通道，需要將梯道其中一跨拆除。原連續梁結構拆除一跨后，結構體系由連續梁變為簡支梁，跨中截面應力顯著增大。另外，該結構截面配筋率偏小，原鋼筋應力富余較少。設計使用期內，為保證拆除后結構能滿足現有規范的要求，需要采用合適的方式進行加固。

1　上部結構加固常用的方法

1.1加大截面加固法

該方法在既有結構的構件外澆筑新的鋼筋混凝土，增加受拉區的鋼筋和增大受壓區面積，以提高構件的承載力和剛度。加固前須對加固的原構件表面都進行清理、打毛。對原受彎構件，增加抗彎剛度的效果好，但增加的尺寸有限。對原偏心受壓構件，增加強度、剛度、穩定性方面效果都較好。

其優點是工藝簡單、容易施工、適用范圍較廣。缺點是，新增混凝土會增加原構件的負擔，截面增大對結構外觀及凈空也產生影響。相對其他加固方法，養護時間長、澆筑不便、工期相對長些。

加大截面加固法主要適用于以下情況：

⑴原受彎構件的抗彎或抗剪承載能力不足，或構件剛度不足，采用增大截面法加固效果較好；

⑵受壓構件承載力、剛度、穩定性不滿足要求；

⑶墩柱的主筋外露、銹蝕，混凝土空洞或破碎，墩柱傾斜；

⑷拱圈因施工質量造成主筋外露、混凝土空洞、破碎、強度不夠等缺陷。

1.2粘貼纖維復合材料加固法

該方法是將纖維復合材料粘貼于構件受拉部位或者薄弱部位的面層，使其與結構形成整體，共同承受荷載。采用粘貼纖維復合材料加固梁、板，可提高原構件承載力，對剛度的提高效果相對較差；也可用于加固鋼筋混凝土受壓柱，以提高其承載力、延性、耐久性等。

由于纖維復合材料具有高強度、高彈性模量、施工簡捷的特點，特別是碳纖維，可廣泛應用于結構加固修補，且不改變結構形狀及不影響結構外觀。

纖維復合材料在有防火要求時，需做專門處理。粘貼劑的耐久性問題、以及粘貼劑通過采用固化劑硬化后材料脆性增大的問題、防火及脆性問題，限制了該加固方法的使用范圍。

粘貼纖維復合材料加固法主要適用于以下情況：

⑴原構件受拉主筋或腹筋配筋不足的梁和板，抗彎、抗剪加固效果較為顯著；

⑵原構件受拉鋼筋嚴重腐蝕或受損，以致承載力無法滿足安全及使用要求；

⑶提高構件的抗裂性，可制約裂縫的發展；

⑷以延長結構使用年限為主要目的的耐久性加固；

⑸混凝土墩柱的抗剪、抗壓補強以及抗震延性補強。

1.3體外預應力加固法

該方法是通過增設體外預應力鋼材（包括鋼絞線、高強鋼絲束和精軋螺紋鋼筋）對構件主動施加外力，以改善既有結構的受力狀況。技術關鍵，是體外預應力筋的錨固、轉向和防腐保護問題。

這種方法不僅可以提高構件承載能力，減小構件撓度，而且還能對控制截面進行“卸載”，使后加部分有效地參與工作。此法不適用于混凝土收縮徐變大的混凝土結構，而且預應力拉桿端部錨固處和預應力拉桿支撐點在結構上產生的集中力不利于結構的受力。

體外預應力加固法適用于以下情況：

⑴正截面抗彎承載力不足或正截面受拉區鋼筋銹蝕；

⑵梁抗彎剛度不足導致原截面超過規范規定或由于剛度太小導致梁的受拉區裂縫寬度超過規范規定；

⑶梁斜截面抗剪承載力不足。

1.4改變結構體系加固法

該方法采用一定技術措施改變原結構受力體系，降低控制截面內力，提高結構整體承載能力的加固方式。常有加固方式有增設支承結構加固和簡支變連續加固。

增設支承結構加固法在既有結構下方增設支承結構，將結構分成幾部分，減小計算跨度，降低構件應力值，增加結構剛度，適用于結構下方仍有可利用空間（不侵占凈空的前提下）或凈空不受限制的既有結構加固。簡支變連續加固法是通過施工工藝，將墩頂兩側簡支梁連接形成連續梁，有效減小梁控制截面彎矩，從而提高橋梁承載能力。簡支變連續體系加固法無需在橋下增設支承結構，不影響橋梁通航和排洪能力。

1.5粘貼鋼板、鋼筋加固法

用膠粘劑把鋼板或鋼筋粘貼在原構件受拉區表面，使新增的鋼板或鋼筋與構件形成整體，協同工作。其中，粘貼鋼板加固可封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土變形，從而有效提高被加固構件的剛度和抗裂性。粘貼鋼板加固法適用于鋼筋混凝土受彎、受拉和受壓構件的加固。設計時可根據需要，在不同部位粘貼鋼板，有效發揮鋼板的抗彎、抗剪、抗壓性能。

采用這種加固方法簡單、快速，基本不改變既有結構的截面尺寸，卻能提高構件承載能力和正常使用階段性能。該加固方法適用于環境溫度不超過60℃及相對濕度較小的地區。對于常年相對濕度大于70%的環境，須有可靠防護措施。鋼板、鋼筋容易銹蝕，特別是在潮濕環境下，需對鋼板、鋼筋采取防銹處理和維護工作。

2　加固中存在的問題

不同于新建結構，既有結構加固有其自身的特點：

⑴應根據客觀條件提出合乎實際的技術方案。

加固前，對既有結構進行評定，并根據評估報告進行現場核對，掌握既有結構的體系、建設材料、凈空和截面尺寸等客觀條件。加固設計應考慮材料劣化及材料差異。施工過程中，需考慮對相鄰結構的影響。現場空間狹窄時，大型施工機械難以進行施工作業。

⑵經加固后混凝土結構的受力特征與新建結構有差異。

加固前，既有結構已經承受荷載（即一次受力），原鋼筋和混凝土的應力、應變已有一定的儲備；若加固時未對原構件進行處理，加固后新增材料一般在構件新增荷載（即二次受力）時才開始受力。二次受力中，新增部分的應力始終滯后于原構件累積的應力。

原構件達到極限狀態時，尤其是既有結構的應力較高，新增部分尚未達到極限狀態，材料抗力一般不能得到充分發揮利用，致使加固效果不理想或不起作用，這在加大截面加固法、粘貼纖維復合材料加固法和粘貼鋼板、鋼筋加固法中要特別注意。

3　存在問題的處理

加固前若卸去部分荷載，情況則有所不同。由于加固前卸去部分荷載，既有結構中原鋼筋和混凝土應力降低，加固后新增部分應力滯后現象得以降低，原鋼筋和混凝土、新增部分就可同時進入各自的極限狀態，結構整體承載力可顯著提高，充分發揮了新增部分的材料性能。

既有結構卸去荷載有多種方式。可將既有結構上的部分構件（如橋面鋪裝、欄桿、防撞欄等）拆除，以降低原有作用效應，直接卸載。拆除構件期間需要中斷交通。另外，可在連續梁結構的另外一跨上增加荷載，以減少當前跨中截面的應力；但加載的一跨須控制其加載量，避免其出現破壞。以上兩種方式雖然可行，但加固前原結構的截面應力降低均有限。采用頂升方式進行卸載，頂升控制方式可以采用變形控制，也可以采用力控制，較為準確。

鑒于既有結構為折線形連續梁結構，且原構件的截面配筋率偏小，加固后為充分發揮新增部分的材料性能，對既有結構實行以下加固措施：先進行頂升卸荷，再采用現有的加固方法中的一種或多種方法進行加固，如采用粘貼鋼板、鋼筋加固法和改變結構體系加固法進行綜合加固。

4　結語

加固既有結構的方法雖然很多，但每種方法都有其特點，加固前應對既有結構及加固結構的二次受力進行計算分析，對多種方法比較分析后采取有效的處理措施。

對既有結構加固，當構件形狀不便采用體外預應力加固時，先進行頂升卸荷，再采用現有的其他加固方法中的一種或多種方法進行綜合加固。這種綜合加固方式，使結構在加固后二次受力，降低了原構件中鋼筋和混凝土的累積應力，新增部分的應力滯后得以減緩，充分發揮了新增材料的性能，合理可靠，經濟實惠。●

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