摘要:總結了混凝土結構加固的原因、方法,對主要方法的優(yōu)缺點進行了闡述,提出了目前混凝土結構加固亟待解決的問題。
關鍵詞:混凝土結構;加固;加固方法;碳纖維增加塑料
中圖分類號: TU375. 02 文獻標識碼: A 文章編號: 100429592 (2007) 0220028204
1 前言
近代建筑業(yè)的發(fā)展大致分為三個時期:第一個時期是二戰(zhàn)后世界各國特別是歐洲的大規(guī)模新建,此時期的特點是規(guī)模大標準低;第二個時期是新建與維修改造并舉發(fā)展的時期;第三個時期是20 世紀90 年代后的現(xiàn)代化改造和維修加固蓬勃發(fā)展。在歐美發(fā)達國家,目前用于建筑物加固改造的投資已占國家建筑業(yè)總投資的50 %以上。美國勞工部在20 世紀末的一項產(chǎn)業(yè)預測報告中曾經(jīng)預言:建筑改造維修業(yè)是21 世紀最為熱門的九大行業(yè)之一。
從上世紀50 年代開始,幾十年來,加固這門新學科在我國發(fā)展異常迅速,在混凝土結構抗震加固、危舊房改造及工程事故處理等大量的工程實踐中,取得很大的成果。目前我國已頒布了《工業(yè)廠房可靠性鑒定標準》( GBJ 144O90) 、《民用建筑可靠性鑒定標準》( GB50292O1999) 、《混凝土結構加固技術規(guī)范》(CECS25O90) 、《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》(CECS146 :2003) 等規(guī)范標準,對加固的基本原則、加固的材料和常用的加固方法及要求、施工安全及工程驗收作了規(guī)定。
2 混凝土結構加固的主要原因
混凝土結構需要加固的原因有以下幾個方面:
1) 設計基礎資料和設計方法不準確,導致設計出來的建筑物存在著安全性問題;
2) 施工方法的錯誤、施工管理的不善以及施工單位的偷工減料等原因,使得建筑物存在質(zhì)量問題;
3) 由于高濕酸堿環(huán)境、溫差、凍融等影響以及地震、流沙等自然災害的作用,導致建筑物發(fā)生嚴重損壞;
4) 設計規(guī)范的修訂和設計標準的提高,按照原規(guī)范標準設計的結構將不能滿足設計標準的要求;
5) 原有建筑物使用功能和要求的改變,需要對其進行改造、加固。
3 混凝土結構加固的主要方法
3. 1 加大截面加固法
加大截面加固法,是采用鋼筋混凝土或鋼筋網(wǎng)砂漿層,來增大原混凝土結構的截面面積,達到提高結構承載能力的目的。該法施工簡單、適應性強,并具有成熟的設計和施工經(jīng)驗,適用于梁、板、柱、墻和一般構造物混凝土結構的加固;但現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時間長,對生產(chǎn)和生活有一定的影響,且加固后的建筑物凈空有一定的減小。加大截面法的效果與原結構在加固前的應力水平、結合面的處理、施工工藝、材料性能以及加固時是否卸荷等因素直接相關。
如某廠現(xiàn)澆框架,在第二層施工時,因吊運大構件帶動了框架模板,導致了該層框架柱傾斜。經(jīng)復核,須對部分柱進行加固。因附加彎矩是單向,采用單面加固法,且在噴射細石混凝土時對傾斜柱進行適當糾偏,收到了良好的效果[1 ] 。
3. 2 外包鋼加固法
外包鋼加固法,是在混凝土構件(梁、柱) 四周包以型鋼的加固方法。在我國,外包鋼法是一種使用較廣的傳統(tǒng)加固方法,適用于使用上不允許過大增加截面尺寸,卻又要求大幅度地提高承載能力的混凝土結構加固。該方法的優(yōu)點是用于柱的加固時,施工簡便,現(xiàn)場工作量較小,受力可靠,加固效果好;缺點是用鋼量較大,加固維修費用較高,用于梁的加固時需在樓板上開較多的孔(焊接箍板用) ,在梁的根部外包鋼時,傳力到柱上的節(jié)點處理較復雜。另外,這種加固法還存在不能確保鋼與混凝土結合面?zhèn)鬟f剪力和外包鋼需要進行防腐處理等問題。
外包鋼法分為干式和濕式兩種方法。濕式外包鋼加固,外包型鋼與構件之間采用乳膠水泥或環(huán)氧樹脂化學灌漿等方法粘結,以使型鋼與原構件能整體工作共同受力,該方法不宜在無防護的情況下用于60 ℃以上高溫場所。干式外包鋼加固,型鋼與原構件之間無有粘結,有時填以水泥砂漿,但不保證結合面剪力的傳遞,與濕式相比,干式外包鋼施工更為方便,但其承載力的提高不如濕式外包鋼有效。
3. 3 粘貼鋼板加固法
粘貼鋼板加固法是在混凝土構件表面用特制的建筑結構膠粘貼鋼板,以提高結構承載力的一種加固方法。20 世紀60 年代末,法國、南非等國家首先采用該技術對混凝土結構進行加固補強,隨后瑞士、日本、英國等國家相繼采用,日本在1975 年應用此項技術先后對200 多座橋梁進行了加固,以提高結構承受重型交通荷載的能力,取得了較好的效果。
實踐證明,粘貼鋼板加固法能有效提高結構的抗彎、抗剪及抗裂性能。由于該加固技術不改變結構外形等特點,在許多情況下替代了增大截面加固技術,成為20 世紀80 年代的一種先進加固方法,為設計人員所普遍采用。中國工程建設標準化協(xié)會標準《混凝土結構加固技術規(guī)范》(CECS25 ∶90) 及交通部頒布的國家行業(yè)標準《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》(J TJ 073O96) 都將此項技術列入推廣。
粘貼鋼板加固具有施工快速、現(xiàn)場無濕作業(yè),對生產(chǎn)和生活影響小的優(yōu)點,且加固后對原結構外觀和凈空無顯著影響,適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構件的加固;缺點是加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平,這是由于鋼板剛度較大,施工時的誤差等原因使得結構使用中容易在粘結面上發(fā)生剝離脫空,特別是鋼板端部更易發(fā)生剝離破壞。另外,研究發(fā)現(xiàn)粘貼鋼板結構在承受長期動載下的抗疲勞性能不甚理想,對高強度混凝土試件進行粘貼鋼板加固時疲勞強度好一些,在疲勞荷載的作用下,粘貼鋼板加固梁的端部錨固問題復雜,有待于進一步研究。
3. 4 錨栓- 鋼板加固法
錨栓- 鋼板加固法是在既有構造物上打設鉚釘、錨栓、高強螺栓、高強承壓螺栓、膨脹螺栓等機械方法,將鋼板貼在被加固的構件的表面,使結構物與鋼板成為一個可共同受力的整體。錨貼的鋼板不易脫落,可以充分發(fā)揮鋼板的延性性能,而且錨貼的速度快,可直接受力, 特別適用于混凝土強度等級為C20～C60 的混凝土承重結構的改造加固。但該法不適用于已嚴重風化的結構及輕質(zhì)結構,在原構件的鋼筋密集區(qū)實現(xiàn)錨貼比較困難。
鋼板與混凝土用錨栓連接結構,可視為鋼- 混凝土組合結構,不同的是加固結構物中的鋼筋可能已經(jīng)超過了容許應力,接合材料不是通常的剪力釘而是后置的錨栓。研究表明:1) 錨栓- 鋼板加固法可有效地提高混凝土結構的抗彎承載能力;2) 加固效果取決于錨栓的根數(shù)(總抗剪應力) ,但加固效果的上限取決于鋼板強度;3) 錨栓根數(shù)增加時彎曲承載能力增大,破壞型態(tài)由彎曲壓壞向剪切破壞過渡;4) 錨栓的設置間距、早期應力的影響、螺母施擰扭矩、螺母是否與鋼板焊接對極限承載力影響小;5) 試件的承載力符合平截面假定,當鋼板的強度上限取錨栓的抗剪強度時計算極限承載力接近實測值。
3. 5 預應力加固法
預應力加固包括預應力拉桿加固和預應力撐桿加固兩種形式。適用于要求提高承載力、剛度和抗裂性的混凝土結構,它同時具有卸載、加固及改變結構受力三種功能。預應力加固法克服了采用其它方法加固時加固材料中普遍存在的應力滯后的弱點,保證了新舊材料和結構的整體性與協(xié)同工作。工程實踐表明:采用體外預應力法加固橋梁和房屋結構,不僅能提高其承載力,還可以減小撓度和裂縫寬度,提高結構的彈性恢復能力,并且具有施工簡便、不占用空間等特點,是一種經(jīng)濟的加固方法。
預應力拉桿主要用于加固受彎構件、屋架等,在特定場合下,也可用于加固大偏心受壓構件。預應力撐桿主要用于加固軸心受壓構件和偏心受壓構件。此加固方法不適用于環(huán)境溫度高于60 ℃和收縮徐變大的混凝土結構,另外需要注意預應力筋的防腐問題。預應力加固法對施工技術要求比較高,一般應由專業(yè)技術實力較強的工程隊伍來完成。
3. 6 改變受力體系加固法
該方法是通過增設支點(柱或托架) 或采用托梁拔柱的辦法來改變結構受力體系的加固法,其中用得最多的是增設支點法。增設支點可以大大減少結構構件的計算長度、計算彎矩,大幅度地提高結構和構件的承載力,減少撓度,縮小裂縫寬度,達到加固原結構的目的。該法簡單可靠,適用于梁、板、桁架、網(wǎng)架等水平結構的加固,缺點是使用空間會受到一定的影響。托梁拔柱是托屋架拔柱、托梁拆墻及托梁拔柱的總稱,是在不拆或少拆上部結構的情況下,拆除、更換或接長柱子的一種處理方法。與傳統(tǒng)的大掀蓋改造相比,該法具有對生產(chǎn)生活影響小、施工工期短、費用較低等優(yōu)點,缺點是技術要求比較高,需由熟練工人來完成,安全措施必須周密。如某廠房工作平臺大梁因工藝變更增設2 個30 kN 和1 個60 kN 的集中荷載,因此對原梁進行加固,采用在原梁下部增設型鋼支撐加固,加固效果良好[1 ] 。
3. 7 粘貼碳纖維加固法
碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber ReinforcedPlastics ,簡稱CFRP) 作為一種高科技材料,它最早應用于航空、軍事等領域,以后逐漸發(fā)展到船舶、汽車及體育用品等領域,它具有無磁性、絕緣性和高疲勞強度的特點。自20 世紀80 年代后期歐、美、日等國一直在開展對CFRP 加固結構技術的應用研究,并在工程中廣泛采用。在歐洲,CFRP 技術首先應用于橋梁,當時他們面臨所有橋梁必須在1999 年后能承受40 t 車輛通過的問題,經(jīng)過調(diào)查論證:相對粘貼鋼板加固,CFRP 加固更加經(jīng)濟,而且具有質(zhì)輕、操縱性強、強度高、耐久性好等優(yōu)勢[2 ] 。
我國國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術研究中心于1997 年首先開始了用CFRP 加固結構物的試驗研究。1999 年第一座CFRP 條板加固的寧合高速公路3 號橋完工[3 ] 。目前國內(nèi)各高校、研究機構對這方面研究十分活躍,特別是對混凝土梁、板、柱的加固業(yè)已取得了大量研究成果[4 ] ,其中《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》(CECS146 :2003)于2003 年5 月1 日起實施執(zhí)行。
采用碳纖維加固具有以下優(yōu)點: 1) 由于CFRP對混凝土的約束作用,構件受力性能明顯得到改善。試驗表明:采用碳纖維加固,按通常的粘貼層數(shù)(如3 層) ,梁的抗彎抗剪能力提高50 %以上,柱正截面承載力和延性性能可提高70 %; 2) CFRP 質(zhì)輕且薄,密度一般為鋼材的1/ 5 ,粘貼1 層的厚度僅為1mm 左右,加固修補后對原結構構件截面、荷載增加均不大,不影響原有建筑使用功能;3) 碳纖維布是一種柔性材料,而且可以任意裁剪,能夠適應結構形狀的變化,與結構緊密結合,在加固不規(guī)則構件和表面不平整的構件時,基本不改變原結構外觀;4) 實驗表明,CFRP 化學結構穩(wěn)定,具有良好的耐腐蝕性及耐久性能,CFRP 及結構膠不與結構物中經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽反應,大大減少了與防腐相關的問題,節(jié)省大筆的維修費用,并且實驗表明CFRP 對結構有著良好的隔離氯離子的效果; 5) 與粘貼鋼板相比,CFRP 加固的施工質(zhì)量更容易保證。由于CFRP 是柔性材料,即使被加固的結構表面不是很平整,也基本可以達到100 %的有效粘貼率。
應用CFRP 加固需注意和探討解決的幾個問題:1) 碳纖維具有高強度、高彈模的特性,直至拉斷時均表現(xiàn)為線彈性性質(zhì),且拉斷時呈明顯脆性,應避免用于混凝土強度低于C20 的承重構件;但也有國外研究表明:CFRP 用于低強度(6Mpa) 混凝土柱的加固時相對高強度(20～35Mpa) 混凝土柱的加固效果更加顯著[5 ] ;2) 與混凝土相比,一般CFRP 材料的防火性能較差,而且部分樹脂材料在持續(xù)高溫情況下會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,并導致材料力學性能的降低。
規(guī)范要求碳纖維片材加固混凝土結構的長期使用環(huán)境溫度不應高于60 ℃,對已加固修復完的結構表面應按防火等級進行防護處理;3) CFRP 產(chǎn)品配套用粘結材料的可靠性是保證CFRP 粘貼加固技術成功應用的關鍵,許多工程實踐表明,CFRP 加固混凝土結構的破壞大都是由于粘結面的承載力不足所致,粘結界面的粘結、破壞機理是當前國內(nèi)外學者研究CFRP 加固技術的重點。有實驗研究表明:使用不同的粘結材料,結構承載力下降的幅度不同,有的高達56 %[ 6 ] ;4) 大量研究表明,雖然CFRP 材料本身的耐久性能優(yōu)于傳統(tǒng)結構材料,但該項技術在國外的研究與應用不過20 多年歷史,在我國還不到10 年歷史,加固結構物在腐蝕、高溫、輻射等特殊環(huán)境下的耐久性如何,是今后國內(nèi)外學者主要的研究問題[ 7 ] 。有外國學者提出了基于有限元分析建立的
三維模型,利用結構分析程序?qū)μ祭w維加固混凝土結構的疲勞程度、使用壽命和結構的承載力退化進行預測,其數(shù)值分析與模擬實驗結果比較吻合[ 8 ] ,我國已有研究機構和學者開始這方面的研究[9 ] ; 5)CFRP 強度高,當與鋼筋共同工作,鋼筋完全發(fā)揮強度時CFRP 才發(fā)揮20 %的強度,難以抑制變形和裂縫的發(fā)展;另一方面,環(huán)氧樹脂界面裂縫的發(fā)展擴大產(chǎn)生結構的剝離破壞。這兩個方面在相當程度上限制了CFRP 在加固領域中的應用。有的學者提出了預應力碳纖維布加固的方法,其試驗結果表明預應力碳纖維布加固的受彎試件的開裂荷載較非預應力碳纖維布加固的試件要有顯著提高[10 ] 。
4 目前混凝土結構加固亟待解決的問題
1) 加強對加固基礎理論的研究。深入研究后續(xù)使用期和原結構設計使用期的關系及其對結構耐久使用壽命的影響,解決卸載或不卸載情況下,新舊結構或構件的共同作用問題,確立加固設計準則、加固荷載取值及加固材料的選用規(guī)則和加固計算方法,以期達到加固規(guī)范和新設計規(guī)范的統(tǒng)一。
2) 重視加固技術的研究與交流。深入研究各種加固方法對整體結構及構件的強度、延性、破壞形式、耐久性的影響,依據(jù)可靠度理論確立各種加固方法的計算公式;加強科研成果和加固技術的交流,并進一步完善加固施工技術。如對CFRP 加固方面的研究,調(diào)查發(fā)現(xiàn):基本性的、驗證性的試驗研究較多;重復性試驗研究較多;而對結構加固受力機理、長期受力性能等關鍵深入性問題研究的較少。
3) 加強維修加固決策的研究。加固方案的選擇不應只局限于直接投資的多少,而必須綜合考慮后期維護費用乃至社會效益等。加固技術涉及到鋼筋混凝土結構基本理論、加固材料性能及組合結構的力學特征這三門學科的交叉,新材料的出現(xiàn)、基本理論的發(fā)展、加固技術的提高就決定了加固決策是個動態(tài)過程,根據(jù)結構動態(tài)可靠性而提出的優(yōu)化維修決策已成為研究的重點。
4) 建立和完善混凝土結構加固的技術標準?；诮ㄖY構加固修復技術發(fā)展現(xiàn)狀,要從結構檢測、鑒定和評估,到加固設計、施工、工程質(zhì)量評價各個環(huán)節(jié),建立起相應的行業(yè)標準,形成包括應用技術規(guī)程、質(zhì)量評價標準和專業(yè)工法等完整標準體系。
5) 加強對新型加固材料和產(chǎn)品的技術研究與開發(fā)。碳纖維加固法是混凝土結構加固的發(fā)展方向,而目前國產(chǎn)的碳纖維不但在數(shù)量上遠遠不能滿足加固業(yè)的需要,而且在質(zhì)量上與國外相比還有差距。
同時,還應積極發(fā)展用于各種加固修復工程的專用粘結材料,當前最常用的粘結材料是環(huán)氧類復合材料,由于現(xiàn)場配置的影響因素多,質(zhì)量控制得不到保障,要積極開發(fā)、引進和生產(chǎn)高質(zhì)量的特別是適應潮濕基底的專用結構膠和配套輔助材料。
6) 加強混凝土結構加固的專業(yè)軟件開發(fā)。在一些發(fā)達國家,已經(jīng)開始采用一種智能化的檢測監(jiān)控分析系統(tǒng),業(yè)內(nèi)人士稱建筑指紋系統(tǒng),它能夠?qū)ㄖM行準確的檢測和分析。2003 年,東南大學推出了國內(nèi)首套結構加固設計軟件系統(tǒng)- 東大迪普(SEUODEEP) ,填補了國內(nèi)結構加固設計領域計算機輔助設計的空白,但尚需進一步的完善和推廣[11 ] 。
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