鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方法的研究
【論文關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 加固技術(shù) 原則和方法
【論文摘 要】近年來(lái)，我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)發(fā)展迅速，從傳統(tǒng)的加大截面加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、外包鋼材加固法等，到新型的碳纖維加固法以及外貼纖維復(fù)合材料加固法，這些方法在我國(guó)已經(jīng)長(zhǎng)期大量使用，取得了很多成熟的經(jīng)驗(yàn)。然而，由于土木工程結(jié)構(gòu)材料性能、結(jié)構(gòu)形式、受力條件復(fù)雜多樣，因而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中仍然有許多問(wèn)題亟待解決。
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，日益受到氣候條件、環(huán)境侵蝕、物理作用、人為因素等外界因素的影響，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生退化，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)損傷，甚至破壞。同時(shí)，新建結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)失誤、施工管理不嚴(yán)、使用條件變更或使用環(huán)境惡化、自然災(zāi)害和偶然事故等主客觀因素造成的病態(tài)結(jié)構(gòu)也亟待加固、補(bǔ)強(qiáng)和改造。我國(guó)已有許多較為成熟的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，如加大截面加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼材加固法、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法、外貼碳纖維材料加固法等，以上各加固技術(shù)具有各自的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際工程中可以根據(jù)具體需要，采用一種或幾種合適的加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)。
1. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的常用方法
1.1 加大截面加固法。
加大截面加固法又稱外包混凝土加固法，即采用鋼筋混凝土或鋼筋網(wǎng)砂漿層以增大混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面面積，從而提高其承重力和滿足正常使用要求的一種加固方法。該加固方法的優(yōu)點(diǎn)在于施工工藝簡(jiǎn)單、適用面廣，可廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等構(gòu)件和一般構(gòu)筑物的加固。然而，采用該方法時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護(hù)期較長(zhǎng)，因此對(duì)生產(chǎn)和生活有一定影響，此外，構(gòu)件截面增大對(duì)結(jié)構(gòu)外觀及房屋使用空間也有一定影響。同時(shí)，需要指出的是，由于該加固技術(shù)的核心問(wèn)題在于通過(guò)后澆混凝土達(dá)到提高構(gòu)件承載力的目的，而新、舊混凝土的結(jié)合面卻是加固結(jié)構(gòu)受力時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，因此，必須采取必要的措施保證新、舊兩部分鋼筋混凝土一同受力，協(xié)同工作，如可以配置足夠的貫穿于交界面的剪切摩擦筋或錨固件將兩者有機(jī)地連接固定。
1.2 預(yù)應(yīng)力加固法。
預(yù)應(yīng)力加固法是指采用外加預(yù)應(yīng)力拉桿或型鋼撐桿對(duì)構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法，具有加固、卸載、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的三重效果，其特點(diǎn)是通過(guò)預(yù)應(yīng)力手段強(qiáng)迫后加部分拉桿或撐桿受力，改變?cè)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布并降低原結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，致使一般加固結(jié)構(gòu)中所特有的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象得以完全消除，因此后加部分與原結(jié)構(gòu)能較好地一同工作，結(jié)構(gòu)的總體承載力可顯著提高。該加固方法施工簡(jiǎn)便，且在基本不增加梁截面高度和不影響結(jié)構(gòu)使用空間的條件下，可提高梁的抗彎、抗剪承載力和改善其在使用階段的性能。這些優(yōu)點(diǎn)的形成，主要是由于預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的負(fù)彎矩抵消了部分荷載彎矩, 致使梁彎矩減小，裂縫寬度縮小甚至完全閉合，因此，在梁的加固以及較高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的大型結(jié)構(gòu)加固工程中，預(yù)應(yīng)力加固法的運(yùn)用日趨廣泛。
1.3 粘貼鋼材加固法。
外包鋼材加固法通過(guò)采用具有良好粘結(jié)性能的高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)膠，將鋼板牢固地粘貼在混凝土表面，形成混凝土——膠——鋼板這樣一種復(fù)合受力體系，有效傳遞應(yīng)力，使構(gòu)件聯(lián)合工作，從而達(dá)到恢復(fù)或提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及承載能力的目的。該方法具有工期短、工藝簡(jiǎn)單、施工方便、施工時(shí)對(duì)生產(chǎn)生活影響較小、加固后整體性好、受力均勻, 不會(huì)在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象、粘貼鋼板所占的空間小、不影響房屋的使用空間、不改變構(gòu)件的外形等優(yōu)點(diǎn)。該方法將鋼板粘貼到混凝土構(gòu)件表面, 相當(dāng)于對(duì)被加固構(gòu)件進(jìn)行了體外配筋, 不僅提高了被加固構(gòu)件的強(qiáng)度, 對(duì)裂縫的開(kāi)展及撓度均有抑制作用。該加固技術(shù)主要適用于承受靜力作用的一般受彎、受拉大偏心受壓構(gòu)件的加固。此外，由于膠的固化需要一定的時(shí)間，該方法難以滿足不停產(chǎn)的要求，且鋼板與混凝土的粘貼保證率較低（規(guī)范規(guī)定75%），不適用于長(zhǎng)期承受振動(dòng)荷載的情況。
1.4 改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法。
改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法主要是指通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置支座或支撐，減少結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的計(jì)算跨度和變形，從而減少直接作用在被加固構(gòu)件上的荷載效應(yīng)，提高其承載力和抵抗變形的能力。該方法簡(jiǎn)單可靠，適用于房屋凈空不受限制的結(jié)構(gòu)（尤其是大跨結(jié)構(gòu)）的加固。然而，該方法的缺陷也比較明顯，一方面，由于必需增設(shè)支座或者支撐對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，因此其必然對(duì)結(jié)構(gòu)的使用空間造成一定的影響；另一方面，其他的加固技術(shù)主要是通過(guò)改良構(gòu)件或者材料本身的性能，達(dá)到提高承載力，滿足設(shè)計(jì)要求的目的，而該方法主要從受力角度入手，著重改變傳力途徑，分擔(dān)部分作用在構(gòu)件上的外部荷載，并未對(duì)構(gòu)件本身材質(zhì)或形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，因此，對(duì)于某些已受損構(gòu)件尤其是反復(fù)荷載作用下疲勞損傷的構(gòu)件，該加固法具有一定的局限性。 1.5 外貼碳纖維材料加固法。
外貼碳纖維材料加固法是指用膠粘劑把碳纖維布粘貼在構(gòu)件外部的一種加固方法。碳纖維加固法是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種高科技含量的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。碳纖維材料從形狀上來(lái)分，主要有片材包括布狀片材、棒材、板狀片材和網(wǎng)格狀材料。碳纖維材料具有許多優(yōu)良的力學(xué)性能：（1）軸向抗拉強(qiáng)度高，其抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的7至10倍；（2）抗疲勞性強(qiáng)，根據(jù)瑞士聯(lián)邦材料試驗(yàn)廠對(duì)由碳纖維制成的纜索進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，當(dāng)平均應(yīng)力為550MPa時(shí)，200萬(wàn)次循環(huán)荷載應(yīng)力幅值可達(dá)900MPa，高出鋼材的3倍；（3）彈性模量高，高彈型纖維的彈性模量可達(dá)鋼材的2倍；（4）本構(gòu)關(guān)系呈線性關(guān)系；（5）耐久性性好，可阻抗化學(xué)腐蝕、惡劣環(huán)境以及氣候變化的破壞。除了具有出色的力學(xué)性能外，碳纖維材料本身也具有不少優(yōu)良的材料性能，材料本身密度小、質(zhì)量輕，其密度不到普通鋼材的1/4，同時(shí)，使用碳纖維材料進(jìn)行加固時(shí)，施工方便快捷、省力節(jié)時(shí)、施工質(zhì)量易于得到保證。因此，碳纖維材料作為一種劃時(shí)代的補(bǔ)強(qiáng)材料，在建筑界受到了越來(lái)越多的重視和關(guān)注。
2. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的基本原則及問(wèn)題
2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的基本原則。
2.1.1 先鑒定后加固的原則。
加固方案確定前，必須對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和可靠性鑒定分析，全面了解已有結(jié)構(gòu)的材料性能、結(jié)構(gòu)體系以及結(jié)構(gòu)缺陷和損傷等基本信息，分析結(jié)構(gòu)當(dāng)前的受力現(xiàn)狀，為加固方案的確定奠定基礎(chǔ)，避免在加固工程中留下隱患甚至發(fā)生工程事故。
2.1.2 結(jié)構(gòu)體系總體效應(yīng)原則。
加固應(yīng)針對(duì)危險(xiǎn)構(gòu)件進(jìn)行，但同時(shí)要考慮加固后對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系的影響，如對(duì)梁的加固，有時(shí)會(huì)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力特性，從而產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)。因此，在制定加固方案時(shí), 應(yīng)從結(jié)構(gòu)總體角度考慮，不能僅僅考慮局部效應(yīng)。
2.1.3 加固方案優(yōu)化選擇原則。
加固方案通常不是惟一的，方案選擇應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的原則來(lái)確定。方案應(yīng)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工，并充分考慮已有結(jié)構(gòu)實(shí)際現(xiàn)狀和加固后結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、保證加固后結(jié)構(gòu)體系傳力途徑明確，結(jié)構(gòu)安全可靠。
除了以上列舉的三點(diǎn)原則外，混凝土加固中尚涉及到加固材料的確定、施工方案的實(shí)現(xiàn)形式、現(xiàn)有損傷構(gòu)件的拆除等具體的問(wèn)題，因此，最終加固方案的確定還需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定。
2.2 一些值得思考的問(wèn)題。
現(xiàn)今，鋼筋混凝土加固技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且具備了不少成熟的經(jīng)驗(yàn)。然而，這其中仍然有不少值得思考的問(wèn)題存在。首先是節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加固問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的加固方法比較少，且各個(gè)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不統(tǒng)一，對(duì)于各類方法的加固效果也存在爭(zhēng)議。目前，梁柱的加固都取得了不錯(cuò)的效果，這勢(shì)必造成一些建筑結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)核心區(qū)轉(zhuǎn)移，這也要求我們必需加快對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加固方法的研究。其次，由于混凝土材料是一種離散型很強(qiáng)的材料，結(jié)構(gòu)加固前后材料性能的變化也是需要研究的一個(gè)問(wèn)題，這為今后加固方案的優(yōu)化選擇提供了依據(jù)。最后，如何充分保證加固材料與原結(jié)構(gòu)或構(gòu)件協(xié)同工作也是加固方案中需要考慮的一個(gè)問(wèn)題，這決定了直接決定了加固效果的優(yōu)劣。
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