浅析钢筋混凝土结构加固方法

浅析钢筋混凝土结构加固方法摘要:通过现阶段结构加固的现状,分析了钢筋混凝土结构加固设计的常用方法,总结了各种加固方法的优缺点以及在加固过程中根据不同要求所作的方案优选。关键词:钢筋混凝土结构;承载力;加固钢筋混凝土结构在长期的自然环境和使用环境的共同作用下,加之在设计、施工、监理等过程中存在的不确定因素,使结构功能在使用过程中必然逐渐减弱。结构工程的任务不单要作好结构物前期的设计工作,还要能科学评估结构损伤的客观规律和程度,从而采取有效的措施保证结构的长期使用性和在使用过程中的安全性。21世纪,人类建筑物必将还会以钢筋混凝土结构为主,而现阶段大多数从事结构设计的工作者并未对结构加固引起足够重视,设计荷载很难全面考虑到使用过程中的附加作用,再加之我国现在经济社会的飞速发展,使结构物较早达到了使用极限。所以现阶段我们在结构加固方面的研究应该作为主要突破方向。现重点介绍钢筋混凝土结构的加固,分别从直接加固与间接加固两个类别进行分析,设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。1直接加固的一般方法1.1加大截面加固法加大截面加固法是在钢筋混凝土构件外部外包混凝土(通常是在钢筋混凝土受弯构件受压区增加混凝土现浇层,受拉区增加配筋量),增大构件截面积和配筋量,增加截面有效高度,从而提高构件正截面抗弯、斜截面抗剪能力和截面刚度,起到加固补强的作用。在适筋范围内,由于混凝土受弯构件正截面承载力随着钢筋截面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下,增大主筋截面积或强度,增加现浇钢筋混凝土围套增大构件截面,通过新加部分和原构件共同工作,可有效地提高原构件正截面抗弯、斜截面抗剪承载力和截面刚度,改善正常使用性能。优点:加大截面加固法施工工艺简单、适应性强,并具有成熟的设计和施工经验;适用于梁、板、柱、墙等构件和一般构造物的钢筋混凝土加固。缺点:现场施工的湿作业工作量大,养护时间较长,对生产和生活有一定的影响,而且加固后构件的截面增大,对建筑物的净空和外观有不小影响。更为重要的是增加的外包混凝土与原有构件的混凝土材龄相差较大,要解决好新加部分与原有部分混凝土的整体工作共同受力,是一个很复杂的问题,并且受制的因素较多,现阶段只能增加有利的构造措施。1.2置换混凝土加固法该法是剔除部分陈旧的混凝土,置换成新的混凝土,新混凝土的强度等级应比原结构、构件提高一级,且不得低于C20级。比较适用于钢筋混凝土构件的局部加强处理,有时也用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等钢筋混凝土结构构件的加固。优点:与加大截面加固法相近,而且构件加固后不影响结构原先的净空,能恢复结构原先的外观。缺点:同样存在施工的湿作业时间长、养护时间较长的缺点,而且剔除陈旧混凝土的工作量大,容易伤及原构件的钢筋,所以在施工过程中对原构件可能造成的屈服、疲劳、失稳等破坏状态要进行全面严密的评估。1.3粘结外包钢加固法粘结外包型钢加固法是把型钢(钢板)包在被加固构件的外边,即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固钢筋混凝土构件粘结成一整体,使钢材与原构件整体工作共同受力。加固后的构件,由于受拉、受压区钢材截面积增大,从而正截面承载力和截面刚度都有大幅度提高。该方法常用于柱、桁架、梁和一般钢筋混凝土结构物的加固,特别是构件加固后不允许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高构件承载能力的钢筋混凝土构件。优点:受力可靠,施工简便,现场工作量较小,能显著提高结构、构件的承载能力而且对结构使用空间的影响小,施工简便且湿作业量较少。缺点:用钢量较大,加固费用较高,对使用环境的温度有限制,不宜在无防护的情况下用于600℃以上的高温场所。1.4粘钢加固法外部粘钢加固法是在钢筋混凝土受弯构件承载力不足区段(正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,使其整体工作共同受力,以提高结构构件承载力的一种加固方法。该方法的实质是一种体外配筋,提高原构件的配筋量,从而相应提高构件的刚度、抗拉、抗压、抗弯和抗剪等方面的性能,适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。优点:该方法施工方便快捷,现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业,对结构的外形、净空等影响较小,在施工过程中对生产和生活无显著影响。因此在房屋建筑领域和公路桥梁领域中都得到了普遍采用。缺点:该法加固对结构胶的要求较高,结构胶必须是强度高、粘结力强、耐老化、弹性模量高、线膨胀系数小、具有一定弹性,其加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平,所以在设计施工过程中必须要非常慎重。1.5粘贴纤维增强塑料加固法外贴纤维加固是用特制胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的相应区域,使它与被加固构件截面共同工作,达到提高构件承载能力的目的。目前常用粘贴碳纤维复合材料的方法来加固。此法可用于各种受力性质的钢筋混凝土构件和一般构筑物构件。优点:除具有粘贴钢板相似的优点外,还具有轻质高强(几乎不增加结构自重)、耐腐浊、耐潮湿、持久耐用、维护费用较低、施工方便快捷等优点,而且一般无需搭接,能适应曲面形状混凝土的粘贴要求。缺点:对使用环境的温度有限制,且需作专门的防护处理,特别是防火。若防护不当,易遭受火灾和人为损坏。我国从1997年开始对碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构的技术进行研究,如今被用于房建、桥梁等多种钢筋混凝土结构构件的加固,未来这种粘碳纤维复合材料的加固方法将会被更加普遍的采用。优点:高强高效,施工方便快捷,施工工期短,不需要大型施工机械,操作简单,具有极佳的耐腐蚀性和耐久性,适用面广,施工质量容易保证,对结构的净空、外观等影响小。缺点:弹性模量小,对于需要加固刚度的构件来说不太适用;耐火性与耐高温性能差,一般的环氧树脂在100摄氏度时力学性能会受到较大影响,只有特殊的环氧树脂可以在200摄氏度的高温下正常工作;延性不足,构件变形过大时会引起碳纤维的脆性断裂,导致结构的脆性破坏,对于需要较大变形或对抗震要求比较高的结构来说,这一点是十分不利的。1.6绕丝加固法直接在构件外饶上高强钢丝(钢绞线),该方法的优缺点与加大截面法相近。适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固,或需要对受压构件施加横向约束力的场合。在加固防腐要求较高的构件时,利用镀锌钢绞线和防腐砂浆组成的复合材料对混凝土构件进行加固补强,两种材料在加固中起着不同的作用,防腐高强钢丝起到抱箍的作用,防腐砂浆起到锚固钢丝和保护层作用,使其共同工作整体受力,以提高构件的承载力。这种方法实际是一种体外配筋,通过提高构件的配筋率,从而相应提高构件的承载能力,所以被广泛地应用在钢筋混凝土建筑物的加固处理及水中钢筋混凝土结构的防渗漏、防腐蚀加固处理。优点:构件加固后自重增加较少、外形尺寸变化不大、施工简单、施工质量容易保证;换成镀锌钢绞线和防腐砂浆组成的复合材料后,良好的抗裂性及粘结强度、抗碳化及抗渗透能力,并且具有较好的耐火性和耐久性,而且其本身可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重加固修补的目的,可以广泛应用于建(构)筑物的加固和修补。缺点:对矩形截面混凝土构件承载力提高不显著,限制了其应用范围,防腐砂浆性能和质量的要求较高,容易发生安全质量问题;另外镀锌钢绞线的单价较高;使用前需要做好仔细的技术经济综合评估。2间接加固的一般方法2.1预应力加固法2.1.1预应力水平拉杆加固法钢筋混凝土受弯构件,上缘受压,下缘受拉。由于预应力水平拉杆的预应力和新增外部荷载的共同作用,拉杆内产生轴向拉力。该力通过拉杆锚固端偏心地传递到原构件上,在原构件中产生偏心受压作用(此时该作用力在原构件上的基本形态成下缘受压、上缘受拉趋势)。该作用克服了部分外荷载产生的弯矩,减少了外荷载效应,从而提高了构件的抗弯能力。同时,由于拉杆传给构件的压力作用,构件裂缝发展得以缓解、控制、斜截面抗剪承载力也随之提高。值得重视的是由于水平拉杆的作用,原构件的截面应力特征由受弯变成了偏心受压,所以加固后构件的承载力主要取决于原构件在压弯状态下的承载力。2.1.2预应力撑杆加固法钢筋混凝土受弯构件,在相应区域使用撑杆,通过施加预应力强迫撑杆受力,影响并改变原结构内力分布,从而降低结构原有应力水平并提高结构的承载能力。采用预应力加固的特点是通过预应力手段强迫后加部分受力,改变原结构的内力分布,降低原结构的应力水平,使一般加固方法中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除,具有加固、卸载和改变结构内力的三重效果,后加部分和原有结构能够较好地共同工作,结构承载能力能够得到较大的提高。常用于大跨度以及处于高应力、高应变状态下的大型钢筋混凝土构件的加固。优点:改变了原结构内力分布,降低原构件的应力水平,消除新加杆件与原来构件的应力应变滞后现象,能较大幅度地提高结构整体承载力。缺点:加固后对原结构外观有一定影响,对环境温度有一定要求,在生产性热源且原结构表面温度经常大于600℃的环境中使用时,其防护处理较困难,造价较高;另外对于混凝土收缩变大的结构,造成后加部分的预应力损失较大,故不宜采用。2.2增设支承加固法增设支承加固法是在需要加固的结构构件中增设支承,减少受弯构件的计算跨度,从而减少作用在被加固构件上的荷载效应,达到提高结构构件承载力水平的目的。常用于对使用条件和外观要求不高的场所。优点:该法简单可靠,受力明确,易拆卸,易恢复原貌。缺点:严重损害原建筑物的原貌和使用空间,所以要用在具体条件许可的钢筋混凝土结构加固。3其他加固方法其他一些常用的加固方法:锚栓锚固法,它适用于混凝土强度等级为C20~C60的混凝土承重结构的改造、加固,但不适用于已严重风化的结构及轻质结构;高强钢丝绳网片-复合砂浆外加层加固法,该方法与绕丝加固法相似,只是它采用的是高强钢丝绳网片,对防止砂浆或混凝土的开裂效果较好;辅助结构加固法,该方法是采用另制的辅助构件,如型钢、钢桁架或钢筋混凝土梁,部分或全部分担被加固梁的荷载,从而提高整体承载力。4混凝土结构加固方案优选对于需要加固的结构物,其加固方案的制定尤为重要,应根据结构物的不同情况制定不同的加固方案。方案的确定要遵循安全、经济、快捷、施工方便可行、且施工质量可以得到保证的原则。只有这样加固工程才能收到良好的社会效益和经济效益。一般来说,加固工程常采用的方法有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法和增设支承加固法等。但是随着科学技术的不断进步,应用新技术、新材料、新工艺进行工程加固的方法,如,化学灌浆法、粘钢锚固法、碳纤维加固法应运而生,并开始广泛应用于各类加固工程中。具体哪个方案最能体现加固工程所要求的短、平、快、省的特点,应根据需要加固的结构构件情况,综合分析确定加固方案。表1对几常用的加固方法进行比较,对这几种方法的优缺点能有一个总体的把握。加固方案的优选,重点要考虑是否具有良好的可施工性。不管哪种加固方法,最终要施工能得到保证才能实现加固的目的。每种加固方法都有它自己的优缺点,根据不同工点的需求,确定出最经济实用、安全美观的加固方法。参考文献:[1]GB50367-2006混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.[2]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.[3]JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.[4]程文瀼,王铁成,等.混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社.2005.浅谈钢筋混凝土结构加固张大鹏周锦泉辽宁省建筑设计研究院，辽宁沈阳东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳摘要：介绍了常见需要加固的工程及混凝土结构补强加固方法。随着建筑业的蓬勃发展，建筑物的加固、维修、改造的应用领域和范围也将越来越广，各种新的加固技术不断涌现，结构的加固技术必将取得更长足的发展。关键词：加固加大截面增补钢筋预应力粘钢钢筋混凝土结构是目前我国使用最为广泛的结构形式。受地理环境、自然灾害，时间以及人为因素的影响，混凝土结构的损坏时有发生，为此，结构加固通过一些有效措施，使受损结构恢复原有的结构功能，或者在已有结构的基础