鋼筋混凝土結構加固方法的應用研究

文／賴力、邢靈巧 攀鋼集團設計研究院有限公司 四川攀枝花 617023

引言：

既有建筑物的使用要求、用途發生改變，在設計施工中要對鋼筋混凝土結構進行加固補強。建筑物周邊地理環境、所在地區發生的自然災害，使用年限以及建筑使用功能改變等因素的影響，混凝土結構的損壞時有發生，為此，進行有效的結構加固是一項非常良好的措施，利用許多科學合理的方法，盡可能地恢復建筑結構功能，充分確保結構的安全使用。

鑒于上述原因，對現實中已經建成的建筑物的鋼筋混凝土結構改造加固設計的相關辦法進行研究，并對各種方法對應各類工程的適用性、經濟性進行比較都是十分必要的。由于工業建筑的特殊性，結合實際工程案例，就置換混凝土加固法、粘貼纖維增強復合材加固法等方法進行討論。

1、鋼筋混凝土結構常用加固方法在工程中的具體應用

1.1 置換混凝土加固法

1.1.1 概述

置換混凝土加固法適用于結構中承重構件受壓區混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的局部加固。置換混凝土加固法的有效應用，關鍵在于新舊混凝土結合面的處理效果。置換部位的結合面處理效果良好，舊混凝土表面結構層露出，新混凝土中含有的水泥由于受到預壓應力而滲到里面，在此基礎上，會發生相應的水泥水化反應，從而粘合在一起。置換混凝土加固法一方面能夠用來加固混凝土質量相對較差的新建筑物，另一方面，還能夠用來修復那些混凝土結構受損的建筑物。

1.1.2 工程實例一

（1）工程概況

某既有框架結構廠房，對其一層柱進行檢測，發現其強度不足，需進行加固處理。首層柱高H=5600mm，截面尺寸為700mm×700mm，原柱一側配筋為518+320，對稱配置，加固鋼筋為916，柱的承載力設計值為6500kN。

（2）設計依據

筆者在設計過程中考慮到承重構件受壓區混凝土強度偏低，置換混凝土加固法：

通過這一技術處理軸心受壓構件過程中，其正截面承載力必須滿足以下基本條件：

其中：N—加固后的軸向壓力設計值；

φ—受壓構件穩定系數，根據GB50010 的要求取值；

ac—置換部分新增混凝土的強度利用系數，若置換環節無支頂，在這種情況下，該指標取值為0.8；若該環節有支頂，那么該指標取值為1.0；

fco、fc—原構件混凝土和置換部分新混凝土的抗壓強度設計值；

Ac0、Ac—原構件截面扣去置換部分后的剩余面積和置換部分的截面面積；

as—新增箍筋強度利用系數，取as=0.9；

（3）加固方案

①加固設計參數

采用置換混凝土的方法加固，柱加固詳圖如圖1 所示。

圖1

②加固前柱承載力計算

經檢測，fo=7.2N/mm2

已知:A'so=4429mm2，f'yo=360N/mm2

加固前按GB50010-2010 規范進行求解：

故承載力不足。

③加固設計計算

采用 C35 混凝土進行加固置換，加固后計算得：

（4）技術經濟效果

綜上所述，對于類似于本工程承重構件受壓區混凝土發生強度偏低或有嚴重缺陷時，通過該技術可以更好的補充缺失的混凝土強度，補足缺陷，取得更好的成效。

1.2 粘貼纖維增強復合材加固法

1.2.1 概述

具體來說，即指在建筑結構構件表面粘上纖維布，這個過程中用到的材料是高性能粘結劑，通過這種方法來改善建筑物結構構件的承載能力，以有效加固建筑物，充分確保結構的安全使用。

這種方法表現出非常突出的優勢，例如強度高、耐腐蝕性及耐久性提升明顯、基本不增加結構自重、施工簡便等優點。碳纖維結構加固技術帶來的諸多好處使得該加固方法在大量鋼筋混凝土結構加固工程中取得廣泛應用。

1.2.2 工程實例二

（1）工程概況

某綜合樓進行改造，該樓第二層框架某T 形截面梁b×h=250mmx550mm，b=750mm，h=80mm，C20混凝土，HRB400 級，受拉鋼筋面積為322（Aso=1140mm2，配率0.98%)。梁的抗剪能力滿足要求，僅需進行抗彎加固，要求抗彎承載力提高40%，不考慮二次受力。

（2）設計依據

考慮到工程工期、投資需求及適用范圍，筆者決定采用粘貼纖維增強復合材加固法：

①在矩形截面受彎構件的受拉邊混凝土表面上采用該方法時，其正截面承載力根據以下式子進行求解：

其中M—加固后彎矩設計值；

x—混凝土受壓區高度；

b、h—矩形截面寬度和高度；

f'y、f'yo、Aso、A'so—原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值、截面面積；

a'—縱向受壓鋼筋合力點至截面近邊的距離；

ho—構件加固前的截面有效高度；

ff—纖維復合材的抗拉強度設計值，按照其品種，按碳纖維復合材設計計算指標及玻璃纖維復合材（單向織物）設計計算指標采用；

Afe—纖維復合材的有效截面面積；

ψf—考慮其抗拉應變達不到設計值而引入的強度利用系數，若其大約1.0，在這種情況下，其取值為1.0；

εcu—混凝土極限壓應變，取0.0033；

εf—纖維復合材拉應變設計值，根據其品種，分別按碳纖維復合材設計計算指標及玻璃纖維復合材（單向織物）設計計算指標采用；

εfo—考慮二次受力影響時，其滯后應變，需要根據GB50367 相關規定進行求解，如果二次受力影響忽略不計，那么該指標取值為0。

②實際粘貼的纖維復合材截面面積Af，需要根據以下的方法進行求解：

除此之外，其厚度折減系數km主要通過以下方法來取值：

①如果使用的材料是預成形板，那么該指標取值為1.0；

②如果使用多層粘貼的纖維織物時，那么就通過以下方法進行求解，

其中 Ef——纖維復合材彈性模量設計值，分別按碳纖維復合材設計計算指標及玻璃纖維復合材（單向織物）設計計算指標采用；

nt、tt—纖維復合材（單向織物）層數和單層厚度。

（3）加固方案

①原梁承載力計算

采用高強度I 級碳纖維布：

得Afe=75.44mm2

預估采用3 層0.167mm 厚規格的碳纖維布：

因此選用粘貼3 層250mm 寬的碳纖維布。

③技術經濟效果

根據本項目計算結果，采用該技術進行處理后，粘貼纖維和混凝土一起發揮加固作用，在很大程度上改善了結構構件的承載能力。且纖維增強聚合物自重輕，對原有結構荷載影響較小，強度高。加固后大大提高了結構的耐腐蝕性及耐久性，達到了對建筑物進行加固、補強的目的;同時也具有施工簡便，縮短工期，節省投資等特點。

2、其余常用加固方法概述

2.1 增大截面加固法

這個方法的基本原理如下：增大梁等構件的配筋與截面，利用這種措施提升其各項性能，例如剛度、承載力等。該技術表現出非常突出的優越性，例如工藝簡單，相對較強的適用性，能夠用來加固大部分混凝土構件。其主要包括以下幾種類型：單側、雙側、三側及四面包套的加固。按照加固要求進行劃分，主要包括以下幾種類型：加大斷面、加配鋼筋以及綜合上述兩者的加固。加固中應將新舊鋼筋加以焊接，做好新舊混凝土的結合。

2.2 外粘型鋼加固法

這種方法的適用范圍如下：構件截面面積增大相對較少，而其承載力需明顯改善的場合。經外粘型鋼加固法處理后外包鋼會對混凝土構件起到一定的約束作用，在一定程度上提升了其延性以及承載力。另一方面，該方法表現出突出的優勢，例如容易施工、速度比較快等，到現在為止，它主要在加固鋼筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹桿等構件中使用。采用外粘型鋼加固混凝土結構構件時，應使用特殊的粘膠進行處理，比如常用改性環氧樹脂膠粘劑進行灌注。采用外粘型鋼加固鋼筋混凝土構件時，外粘型鋼的膠縫厚度宜控制在3-5mm。型鋼表面需要涂上水泥砂漿（厚度必須保持在25mm 以上），在此基礎上，配備上相應的防護層（現實中人們通常使用鋼筋網進行加固），有時候人們會使用其它裝飾材料進行處理，提高改造后混凝土構件的耐久性。

2.3 粘貼鋼板加固法

到現在為止，這是用來加固建筑結構工程是普遍采用的方法，能夠獲得良好的效果。在結構的表面通過結構膠粘劑粘上鋼板，達到加固和增強混凝土構件強度和剛度的目的。粘貼鋼板法，與其他的加固方法比較，有許多獨特的優點和先進性，主要有:堅固耐用、施工快速、簡潔輕巧、靈活多樣、經濟合理。根據以往工程經驗，該法主要用于下列設計方案:混凝土強度等級無法滿足設計要求，結構強度需要提高情況下的加固、工業廠房牛腿節點的加固、懸掛式吊車梁荷載發生變化情況下的加固、樓面荷載集中荷載作用下的加固、火災后梁柱混凝土燒壞情況下的加固、爆炸沖擊波破壞混凝土構件情況下的加固、工業廠房屋面桁架下弦腐蝕破壞嚴重情況下的加固、梁柱在酸堿性環境下受化學腐蝕的加固、舊房改造綜合加固、重要建筑物局部新增荷載補充加固等。

2.4 外加預應力加固法

這是一種通過預應力筋來處理建筑物的梁、板等構件的技術，起到加固構件的作用。該項技術一方面非常容易進行施工，另一方面，還能夠在保持梁、板截面高度不變以及不改變結構使用空間的情況下，明顯改善構件的抗彎、抗剪承載力，在很大程度上提升建筑物的性能。

根據以往工程經驗及設計方案，外加預應力加固法適用于混凝土構件截面相對較小或需增加其使用荷載、需改善其使用性能、其處于高應力、應變狀態，同時不容易通過直接的措施將其結構上的荷載卸除。使用這種技術處理建筑物過程中，必須充分兼顧到建筑物構件的受力性質、構造特點以及施工現場實際情況，在此基礎上，采用科學合理的處理方法。

結語：

鋼筋混凝土結構在長期的自然條件以及人為因素的影響下，其總體功能會逐漸降低，這是一個無法避免的問題，也是社會各界需要高度注意的一個問題。作為一名結構設計從業人員，不僅要做好新建建筑物的設計工作，還要能科學的去評估結構受損壞的客觀規律和損壞程度，采取一些有效的方法來保障結構的安全性能，對既有的鋼筋混凝土結構改造加固設計的相關辦法進行研究是一項非常重要的工作。

綜上，在實際工作中要以建筑結構的不同特點和要求制定科學合理的加固方法，能夠延長建、構筑物的使用壽命，節省不必要的投資，縮短對既有生產、生活的影響，促使建筑更加安全。