鋼筋混凝土結構加固無支架施工技術研究

蘇毅經

（廣西民族大學，廣西 南寧 530006）

0 引言

在大量的土木工程結構中，由于建設年代的不同，鋼筋混凝土結構受到建設時期經濟條件和建設水平的限制，其結構的安全性能和使用性能在雖然能滿足建造初期的規范要求，但是隨著經濟技術的發展、現有規范要求的不斷提高以及建筑物使用性能的不斷增加，有些鋼筋混凝土結構已不能滿足現有的性能要求[1]。此外，鋼筋混凝土結構在長期服役過程中不可避免地會出現承載性能退化、混凝土結構老化以及鋼筋銹蝕等現象，為保證結構的安全并增加其使用年限，對既有結構采取加固措施成為解決結構問題的有效途徑[2]。由于建筑物在運營過程中給予加固施工的空間有限，特別是對密集的高大建筑物，無法滿足支架施工的要求，因此研發無支架施工工藝成為目前建筑加固的熱點問題。

1 工程概況

廣西壯族自治區南寧市某房地產項目為重大民生工程，位于南寧市東南角，規劃用地面積約120735m2。按照施工圖設計，用地范圍內提供高層民用住宅、多層民用住宅和商業零售辦公用房的一體化城市生活、零售解決方案，總建筑面積達352398.85m2，其中高層民用住宅一共26 棟，單棟18 層，底層高度為4.5m，其余17 層高度均為3.1m，建筑面積達272802.19m2；多層住宅一共7 棟，單棟6 層，樓層高度均為3.1m，建筑面積達到64092m2；商用零售辦公用房2 棟，建筑面積15504.66m2，包括配套服務用房面積。高層住宅樓的結構形式均為框架-剪力墻結構，混凝土強度等級為C35。標準層的框架-剪力墻平面布置如圖1 所示。剪力墻厚度為400mm，框架柱為正方形截面，長寬均為700mm，框架梁截面為矩形，寬為350mm，高為800mm，連梁截面為矩形，梁寬為350mm，梁高為600mm，跨度為2500mm。因商用需要，對商用零售用房進行改造，計劃工期為2021 年6 月30 日開工至2022 年12 月31 日竣工。

圖1 高層住宅樓標準層框架-剪力墻平面布置（單位：mm）

2 鋼筋混凝土結構加固的無支架施工原理及植筋抗拔試驗

2.1 鋼筋混凝土結構加固的無支架施工原理

在鋼筋混凝土加固技術中，應用較為廣泛的方法有增大截面加固法、外加預應力法以及外包鋼板等，其加固原理均是通過改變幾何尺寸或者外加輔助材料提高結構或構件的強度和剛度。為解決施工場地空間不足的問題，基于增大截面加固法，該文提出一種在既有鋼筋混凝土結構中植筋的無支架施工方法。它的施工原理是在既有的鋼筋混凝土結構中植入一定數量、間距和深度的鋼筋，將植入段作為錨固本體，并通過焊接和綁扎的方式，在懸出段結構的縱橫向上形成鋼筋骨架，這些鋼筋骨架澆筑混凝土后成為新增的受力截面[3-4]。為了實現新增受力截面的混凝土無支架澆筑，則需要另外增加鋼模板和連接系統。鋼模板是混凝土澆筑時的模板承載體系，其表面根據植入鋼筋的位置對應地預鉆有孔洞，連接系統穿過預鉆孔洞與鋼筋骨架相連。而連接系統則是由眾多的鋼筋連接件組成，鋼筋連接件在鋼筋骨架側為鉤狀，在鋼模板側為可調節的蝴蝶卡扣。新澆筑的混凝土完成后，混凝土的重力或側壓力傳遞給鋼模板，鋼模板將作用力均勻地傳遞給連接系統，再經過植入鋼筋傳遞給既有的鋼筋混凝土結構，進而達到混凝土澆筑自支撐和無支架施工的目的[5]。

2.2 鋼筋混凝土結構加固的無支架施工植筋抗拔試驗

從鋼筋混凝土結構加固無支架施工的受力原理可知，混凝土植筋是最重要的傳力構件，其抗拔性能直接關系到澆筑混凝土的自支撐效果。因此，為研究既有鋼筋混凝土結構加固無支撐施工時植筋的抗拔性能，在室內試驗中制作不同鋼筋直徑和植入深度的試驗模型以進行抗拔試驗。鋼筋直徑的等級有12mm、16mm 和20mm，鋼筋型號為HRB400，鋼筋平均屈服強度為435.9MPa，平均極限強度為619.8MPa，彈性模量為201.2GPa，鋼筋的植入深度有6d、8d、10d、12d 和15d（d 為鋼筋直徑）。試驗混凝土的強度等級有C25、C30 和C35，C35混凝土立方體抗壓強度實際試驗值為35.14MPa，棱柱體抗壓強度實際試驗值為24.14MPa，彈性模量實際試驗值為31394MPa；C30 混凝土立方體抗壓強度實際試驗值為31.16MPa，棱柱體抗壓強度實際試驗值為20.89MPa，彈性模量實際試驗值為29971MPa；C25 混凝土立方體抗壓強度實際試驗值為24.78MPa，棱柱體抗壓強度實際試驗值為16.65MPa，彈性模量實際試驗值為27953MPa。試件尺寸為350mm×350mm×350mm，植筋膠采用改性環氧膠黏劑，其劈裂抗拉強度為9.0MPa，抗壓強度為65MPa，抗彎強度為52MPa，黏結力為15MPa[6-7]。

不同鋼筋植入深度和植筋直徑的極限抗拔力測試結果如表1 和圖2 所示。從圖2 可以看出，不同鋼筋直徑的極限抗拔力曲線呈現明顯的不同。鋼筋直徑為12mm 時，植筋試件的極限抗拔力曲線呈近線性增長的趨勢且增長速率較小，從植筋深度6d 的21.18kN 增長到植筋深度15d的38.46kN；鋼筋直徑為16mm 時，植筋試件的極限抗拔力曲線呈冪指數曲線的增長趨勢，植筋深度較小時，極限抗拔力增長速率較快，而植筋深度大于10d 后，極限抗拔力趨于收斂穩定；鋼筋直徑為20mm 時，植筋試件的極限抗拔力曲線呈近線性增加的趨勢且增長速率較大，從植筋深度6d 的62.16kN 增長到植筋深度15d 的156.21kN，增加近3 倍。在同一植入深度時，隨著植入鋼筋直徑的增加，極限抗拔力強度不斷增加且隨著植入深度的增加，極限抗拔力的差值也越大。由此表明，鋼筋直徑對鋼筋混凝土植筋抗拔力的影響較大。

鋼筋植入深度和混凝土等級的極限抗拔力測試結果如表2 和圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強度等級的植筋試件極限抗拔力曲線表現為一致的變化規律，均呈現為“S”型變化。在同一植入鋼筋深度條件下，隨著混凝土等級強度的增加，植筋極限抗拔力不斷增加，但隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強度等級植筋試件間的極限抗拔力差值不斷降低。由此表明，混凝土強度等級對鋼筋混凝土植筋抗拔力的影響較小。

圖3 不同植筋深度和混凝土等級的極限抗拔力曲線

表2 不同植筋深度和混凝土等級的極限抗拔力測試結果

3 鋼筋混凝土結構加固無支架施工效果分析

為了提高建筑物的整體強度和穩定性，基于該文提出的既有鋼筋混凝土結構中植筋的無支架施工方法對部分梁柱進行了擴大截面加固，其主要施工流程如圖4 所示，加固過程中使用的連接系統為鋼筋連接件，模板系統為鋼模板，通過鋼筋連接件對鋼模板的加緊實現支模[8]。

圖4 鋼筋混凝土結構加固無支架施工工藝流程

為了驗證鋼筋混凝土結構加固過程中植入鋼筋的施工效果，對植筋的抗拔力進行了現場實測，測試結果如表3 和圖5 所示。現場使用的鋼筋直徑為16mm，鋼筋型號為HRB400，植入深度有4 種，分別為植入深度6d、8d、10d、12d 和15d（d 為鋼筋直徑）。從圖6 可以看出，不同植入深度的植筋抗拔力隨鋼筋端頭位置的變化規律較為一致，均隨鋼筋端頭位移的增加呈現明顯的非線性。在拔出試驗初期，植筋抗拔力增加較快，并在一定位移處達到峰值，隨后植筋抗拔力迅速變小。不同植筋深度的抗拔力峰值出現的位置有所不同。當植筋深度小于10d 時，植筋抗拔力峰值不斷右移，即植入深度為6d 時，抗拔力峰值出現在端頭位移為1.2mm 位置處；而植入深度為8d 時，抗拔力峰值出現在端頭位移為1.6mm 位置處；植入深度為10d 時，抗拔力峰值出現在端頭位移為2.4mm 位置處；當植筋深度大于10d 時，植筋抗拔力峰值出現的端頭位移位置幾乎不變，即在植入深度為10d、12d 和15d 時，抗拔力峰值均出現在端頭位移為2.4mm 位置處。

表3 抗拔試驗中抗拔力與鋼筋端頭位移的測試結果

圖5 抗拔試驗中抗拔力隨鋼筋端頭位移的變化曲線

4 結論

該文以廣西壯族自治區南寧市某房地產項目為研究對象，提出了一種在既有鋼筋混凝土結構中植筋的無支架施工方法，在介紹其基本受力原理的基礎上，采用室內試驗的方法對植筋抗拔力進行研究，并應用于工程實例，得到以下幾個結論：1）不同鋼筋直徑的極限抗拔力曲線呈明顯的不同，鋼筋直徑為12mm 時，極限抗拔力曲線呈線性增長趨勢且增長速率較小；鋼筋直徑為16mm 時，極限抗拔力曲線呈冪指數增長趨勢；鋼筋直徑為20mm 時，極限抗拔力曲線呈現近線性增加趨勢且增長速率較大。2）隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土等級的植筋試件極限抗拔力曲線表現為一致的變化規律，均呈現為“S”型變化。隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強度等級植筋試件間的極限抗拔力差值不斷降低。3）不同植入深度的植筋抗拔力隨鋼筋端頭位移的變化規律較為一致，均隨著鋼筋端頭位移的增加呈現明顯的非線性。當植筋深度小于10d時，植筋抗拔力峰值位置不斷右移；當植筋深度大于10d時，植筋抗拔力峰值位置幾乎不變。