既有鋼筋混凝土梁加固后可靠度分析

劉 俊 如

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

1 概述

全國既有建筑面積規模巨大，并且統計預測未來一段時間內全國既有建筑面積還將不斷遞增。雖然目前國內建筑業還處于大規模興建階段，但是不得忽視的是加固改造工程及其從業人員也在不斷增多，所以有學者認為國內建筑業正準備走向新建與加固改造并行階段。工程結構是否要加固主要看工程結構是否滿足預先的設計功能要求。當工程結構快要達不到或已經達不到設計的功能要求時，應當考慮進行加固改造。僅就某市某區現存的4 000余套公管房而言，就有超過1/3的房屋結構曾有過或仍處于快要或已經達不到設計的功能要求的狀況。

2 工程結構性能缺陷原因分析

致使工程結構不能滿足設計的功能要求的原因是多方面的，可以總結如下。

2.1 結構接近或達到設計使用年限

正常情況下，工程結構是有一定使用壽命的，人們一般將其理解為設計使用年限。對于普通房屋而言，其設計使用年限一般為50年。雖然結構接近或達到設計使用年限時不一定就不能再使用，但是或多或少會存在病害。對于存在病害較多、較嚴重的建筑物，要考慮對其進行加固改造。

2.2 結構有先天性缺陷

工程結構的誕生要經過勘察、設計和施工這三個主要的建設過程，由于人為因素和自然因素的影響，工程結構可能會存在各種各樣的先天性缺陷。先天性缺陷是否會表達，什么時候表達，以怎樣的形式表達，表達后的結果怎樣，這很難確定，因此說先天性缺陷的不確定性很大。但是人們可以通過檢測手段和經驗判斷采取措施消除部分先天性缺陷，主要措施就是加固改造。

2.3 結構材料性能劣化

工程結構在使用過程中，由于環境因素的影響，如溫度、濕度、凍融、氯鹽等，會導致材料性能劣化以致結構損傷，并且損傷會隨時間不斷累積加重。對于鋼筋混凝土結構而言，材料性能劣化主要是由混凝土碳化和鋼筋銹蝕引起的，這會導致結構的承載力下降，進而影響工程結構的可靠性。

2.4 結構遭遇各種災害

我國幅員遼闊，人口眾多，每年頻繁出現地震、洪水、風火等災害，工程結構不可避免的受到影響。僅就火災而言，全國每年接報火災在30萬起左右，其中建筑物火災占火災總數的90%以上。這些火災使得不少建筑物提前報廢，更使得大量的建筑物受到不同程度的損傷，如需繼續使用，則應當經過評估后確定是否要進行加固改造。

2.5 結構使用功能改變

目前，越來越多的工程結構在使用過程中出現使用功能改變的情況，改變的后果往往是荷載增加、跨度增加、層數增加等，從而導致部分結構構件受力增大，極有可能滿足不了實際使用要求。因此，在使用功能改變之前，應當進行力學分析，然后制定合理的加固方案，這樣才能盡量不出現因結構使用功能改變而導致的建筑倒塌事故。綜上，人們應當對仍在使用中的建筑物進行科學合理的日常管理維護，必要時對其進行加固改造，以保證建筑物滿足設計的功能要求，從而避免發生事故產生損失。在這樣的情況下，結構加固改造成為了一個比較熱門的研究方向。通常來說，研究結構加固改造的基本目的是保證建筑安全可靠，最根本的目的是防災減損。

3 研究發展

目前，由于強柱弱梁設計思想的影響，學者們對軸心受壓和偏心受壓加固柱的受力性能和可靠度研究較多。由于碳纖維復合材料優點較多，近些年國內外學者對碳纖維復合材料加固梁的加固實驗研究以及可靠度研究也不少。還有學者研究加固方案優選的，但往往都是運用層次分析法或在此基礎上改進的方法進行計算評估，雖然計算指標的覆蓋面很全，但主觀因素影響很大。此外，有些學者在研究加固梁時，并不考慮既有梁與擬建梁的不同。現總結部分研究進展如下。

3.1 加固前可靠度

1997年Dan M.Frangopol等提出了一種在腐蝕介質下計算鋼筋混凝土梁可靠度的方法，該方法基于美國高速公路運輸協會提供的規范公式和實測的鋼筋截面損失數據。文章研究了腐蝕對鋼筋混凝土抗彎和抗剪承載力的影響，最后提出了在腐蝕環境下，基于剩余壽命的可靠度設計方法。

2003年徐善華[1]給出了既有結構抗力、目標可靠指標和承載能力壽命預測的計算方法，建立了基于動態可靠度的既有結構承載力評估理論，并結合鋼筋混凝土構件分析了結構抗力、動態可靠指標隨時間的變化規律。新的既有結構的抗力衰減模型，并提出了考慮抗力隨時間衰減的情況下，既有結構可靠指標的分析方法。

2012年楊超等[2]根據結構的失效模式確定了結構的功能函數，并由此建立了結構的極限狀態方程，最后依據蒙特卡洛法運用ANSYS軟件求出了結構的失效頻率，進而估算出了結構的失效概率。

3.2 加固后可靠度

1999年貢金鑫等[3]針對鋼筋混凝土軸心受壓構件，考慮結構改變使用功能和結構承載力不足兩種情形，采用增大截面法進行加固處理，然后將加固后的結構構件作為一個整體，考慮材料及荷載的變異性，采用一次二階矩法計算了加固后的可靠度。2003年Dimitri V.Val研究了纖維復合材料加固鋼筋混凝土柱的可靠度，分析時采用已有的經驗模型來描述FRP對鋼筋混凝土的約束作用，預測了加固后鋼筋混凝土柱的承載力，并確定了鋼筋混凝土柱與FRP共同工作時的強度折減系數。2007年鄭雷綱根據構件加固后的目標使用期不同,以粘鋼加固設計為例,考慮構件加固后的抗力衰減因素，以及不同目標使用期內的荷載取值的不同，對加固后鋼筋混凝土構件進行了可靠性研究和分析。2012年李春霞[6]通過實驗分析了滯后應變對抗彎加固效果的影響，然后對常見的三種荷載組合工況，采用JC法計算了在不同荷載效應比值下碳纖維布加固混凝土梁的可靠指標，并從可靠度角度出發建立了碳纖維布加固梁的受彎承載力實用設計公式。2013年王偉濤[7]考慮加固結構二次受力的影響，分析了結構構件加固前的應力水平對加固后材料利用率的影響，并對加固后影響可靠指標的因素進行了分析，最后對增大截面法加固鋼筋混凝土梁的可靠度進行了分析。2016年Hassan Baji等考慮模型誤差、材料屬性、截面尺寸、FRP應變效應和載荷偏心率的不確定性，研究了FRP約束的RC柱的抗壓變異性。然后，依據ACI 440設計FRP約束的RC柱，并計算了可靠指標。結果表明，為了達到傳統鋼筋混凝土柱的目標可靠度，需要將ACI 440指南的阻力減小系數修改為0.85。

3.3 加固方案優選

2009年徐天水[8]運用模糊數學理論，提出了混凝土可靠性鑒定較為合理的二級模糊評估模型。作者結合專家經驗和研究成果將指標層和項目層評估分級標準化，通過逐層評估對現有混凝土結構進行綜合評估，從而確定了建筑物的可靠性等級，最后進行了模糊優選。2009年石林[10]對常用建筑結構加固方案進行了詳細的技術經濟分析，建立了開放性的建筑結構加固方案評價指標體系，隨后融合利用層次單排序和指數標度的改進權重確定方法，建立了改進的層次分析方法的基本構架，進而對建筑結構加固方案進行評價優選。2016年李勤等首先剖析了傳統的理想點法并針對該法缺陷進行了適當改進，然后考慮技術、經濟、社會環境等影響因素，運用改進理想點法來綜合選擇加固方案，建立了基于改進理想點法的建筑結構加固方案優選模型。

4 鋼筋混凝土梁的加固設計理論

4.1 增大截面加固梁的設計

采用增大截面法加固設計時，須作出如下五點假定：梁的變形規律符合平截面假定；忽略中和軸以下混凝土的抗拉作用；混凝土極限壓應變取為0.003 3cuε；縱向鋼筋的極限拉應變取為0.01；縱向鋼筋的應力取應變與彈性模量的乘積。

4.2 粘貼鋼板加固梁的設計

采用粘貼鋼板法加固設計時，除了要作4.1五個假定外，還須作出如下假定：鋼板的拉應變按平截面假定確定；鋼板的應力取拉應變與彈性橫量的乘積；鋼板的滯后應變應按加固前的初始受力情況確定；鋼板與混凝土之間不發生粘結剝離破壞。

4.3 粘貼碳纖維復合材法加固設計

采用粘貼碳纖維復合材法加固設計時，除了要作4.1的五個假定外，還須作出如下假定：碳纖維復合材的應力與應變關系取直線式，拉應力取拉應變與彈性模量的乘積；碳纖維復合材的滯后應變應按加固前的初始受力情況確定；碳纖維復合材與混凝土之間不發生粘結剝離破壞。

5 結語

增大截面加固法和粘貼鋼板加固法的抗彎加固效果相當，粘貼碳纖維板加固法的抗彎加固效果最不好；結構破壞前新增鋼板的抗拉強度能得到充分利用，而新增碳纖維板的抗拉強度并不能得到充分利用。