混凝土在工程補(bǔ)強(qiáng)加固中的技術(shù)分析
2013-04-09 來源：中國鳴網(wǎng)
由鋼筋混凝土材料建造的建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后，由于老化、地震、戰(zhàn)爭(zhēng)或設(shè)計(jì)施工質(zhì)量不滿足要求，或使用不合理缺少維護(hù)保養(yǎng)，以及改變用途等原因，其安全性、適用性和耐久性都有一定程度的降低，這就需要采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固處理。目前，工程上常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)和加固方法有：①加大截面加固法。通過增加原構(gòu)件的受力鋼筋，同時(shí)在外側(cè)重新澆筑混凝土以增大構(gòu)件的截面尺寸，來達(dá)到提高承載力的目的。其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)增大構(gòu)件的剛度承載力和變形能力，部分情況下也可加強(qiáng)連接的可靠性。②外包鋼加固法。用乳膠水泥、環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿或焊接等方法對(duì)梁柱外包型鋼進(jìn)行加固。該方法主要是通過約束原構(gòu)件來提高其承載力和變形能力。③體外預(yù)應(yīng)力加固。通過預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)構(gòu)件施加體外預(yù)應(yīng)力，以承擔(dān)梁屋架和柱所承受的部分荷載，從而提高構(gòu)件的承載力。④粘鋼加固。在混凝土構(gòu)件表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠黏貼鋼板，是提高結(jié)構(gòu)承載能力和變形能力的一種加固方法。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，施工時(shí)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)和居民生活影響較小。缺點(diǎn)是會(huì)增加構(gòu)件自重、節(jié)點(diǎn)不易處理、施工難度大等。⑤噴射混凝土技術(shù)。借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣或其它動(dòng)力，將一定比例配合的拌合料通過管道輸送并以高速噴射到受噴面上，凝結(jié)硬化而成的一種混凝土。噴射混凝土具有較高的力學(xué)性能和良好的耐久性，特別是與混凝土、磚石、鋼材有很高的黏結(jié)強(qiáng)度，可在結(jié)合面上傳遞拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。⑥纖維復(fù)合材料加固。近年來，隨著纖維類材料研究的日益廣泛，應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的高科技纖維材料（簡(jiǎn)稱ERP）也日益增多,ERP材料具有極好的比強(qiáng)度、比剛度，幾乎無腐蝕性和磁性較好的耐熱性，并可以與其它結(jié)構(gòu)加固的方法同時(shí)使用。結(jié)構(gòu)加固工程中常用的纖維品種有：玻璃纖維（GFRP）、碳纖維（CFRP）及芳綸纖維（AFRP）其中碳纖維材料是迄今為止，應(yīng)用于工程最早、技術(shù)最成熟、用量也最大的一種高科技材料。由于碳纖維具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，良好的黏合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點(diǎn)，并且不會(huì)增加構(gòu)件的自重及體積，因而廣泛的適用于各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位，且不會(huì)改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，同時(shí)施工方便，工效很高。
1、加固工程實(shí)例
1.1工程背景
某學(xué)校原有三層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，總建筑面積約3100m2，各層混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為：梁柱均采用C30，板采用C25；基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.2m，該教學(xué)樓于2002年建成后投入使用，現(xiàn)在由于使用功能的需要，擬對(duì)原結(jié)構(gòu)增加一層，作為學(xué)生及教師的閱覽室。
1.2加層改建可行性
論證對(duì)既有建筑物加層主要應(yīng)滿足以下幾方面的要求：一是必須滿足地基基礎(chǔ)強(qiáng)度及變形的要求；其次是上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須滿足承載能力及正常使用極限狀態(tài)的要求；其三，必須處理好新舊結(jié)合面的連接問題，使新舊結(jié)構(gòu)之間能夠協(xié)同工作。這幾方面的要求應(yīng)分別通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)檢測(cè)以及使用新型建筑材料、施工工藝的方法來綜合解決。使用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM進(jìn)行計(jì)算，并在計(jì)算過程中做了以下假設(shè)：①不考慮樓梯間對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)；②新舊結(jié)構(gòu)構(gòu)件按整體現(xiàn)澆考慮計(jì)算結(jié)果表明，加層后大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力滿足要求，僅底層轉(zhuǎn)角位置柱（Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，如圖1所示）的承載能力不能滿足要求；③同時(shí)，由于新增層的使用功能要求（閱覽室），部分樓面的荷載較大，原三層肋梁樓板中部分梁的承載力也不能滿足要求，故在加層的同時(shí)必須對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行加固處理，通過對(duì)原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)觀察，檢測(cè)結(jié)果表明：
原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度均達(dá)到C25～C30的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；梁、柱、板等構(gòu)件的配筋數(shù)量及截面尺寸等均符合設(shè)計(jì)要求；且混凝土構(gòu)件外觀完好，地基無不均勻沉降問題，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，確定基礎(chǔ)可繼續(xù)直接使用，不需加固。
1.3加層加固方案
鑒于目前常用的加層改造和結(jié)構(gòu)加固方法，對(duì)原結(jié)構(gòu)采取了下述加層加固方案：新加層的柱鋼筋采用鉆孔植筋技術(shù)，直接將鋼筋從原柱的節(jié)點(diǎn)位置引出；對(duì)底層柱采用截面增大的方法，即通過增加原構(gòu)件的受力鋼筋，同時(shí)在外側(cè)重新澆筑混凝土以增大構(gòu)件的截面尺寸，來達(dá)到提高承載力的目的；對(duì)原結(jié)構(gòu)的三層梁則采取黏貼碳纖維布加固的方法處理。
1.4加層處理
本工程是在原結(jié)構(gòu)第三層（即屋頂）上加建第四層，由于原結(jié)構(gòu)屋頂做了女兒墻，頂層的框架柱均做了高出屋面600mm左右的柱頭，這就為框架柱的接長(zhǎng)提供了有利條件。由于只需要對(duì)周邊女兒墻中的柱進(jìn)行接長(zhǎng)，同時(shí)為了盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的拆除，故保留女兒墻。具體做法如圖2。植筋植入長(zhǎng)度15d與原柱頭內(nèi)縱筋焊接施工時(shí)，應(yīng)對(duì)混凝土柱表面進(jìn)行處理，先鑿除混凝土表面疏松表層至堅(jiān)實(shí)面層，將構(gòu)件表面鑿毛，同時(shí)除去浮渣塵土，并清洗干凈，再刷混凝土保護(hù)液并抹HL聚合物砂漿進(jìn)行保護(hù)。
1.5底層柱加固
采用增大截面法加固底層柱，將柱從原截面400mm×400mm增大到500mm×500mm，如圖3所示，其中縱向受力鋼筋仍采用植筋技術(shù)，植入底層柱的基礎(chǔ)上，其植筋下部錨入基礎(chǔ)長(zhǎng)度≥20d，外露長(zhǎng)度≥40d和1000mm，并分兩批焊接縱筋，同時(shí)，為了保證增加截面部分與原柱子間的共同工作，沿柱高度方向四面布置錨拉筋（φ10@600），在柱側(cè)面的植入深度為15d如圖3所示：
1.6結(jié)構(gòu)第3層梁的加固
對(duì)梁的加固采用了碳纖維加固的方案。選用XEC系列碳纖維片材，其技術(shù)參數(shù)為：彈性模量Ecf=2.35×105MPa，允許拉應(yīng)變[εcf]≤0.01，達(dá)到受剪承載力極限狀態(tài)時(shí)碳纖維的應(yīng)變εc=2/3×（0.2+0.12λb）εcfu，碳纖維達(dá)到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的界限相對(duì)受壓區(qū)高度ξctb=0.98，極限拉應(yīng)變εcfu≥0.015。XEC-300單層厚度t1=0.167mm；抗拉強(qiáng)度2500～3550MPa，彈性模量2.35×105～5.0×105MPa；梁上碳纖維加固的典型位置如圖4所示：
2、施工過程應(yīng)注意以下要點(diǎn)
?。?）混凝土表面打磨平整，除去表面浮沉（漿）油污等雜質(zhì)，直至完全露出結(jié)構(gòu)新面，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm），同時(shí)應(yīng)保持干燥。
?。?）按主劑與固化劑以3:1比例配置底膠，將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn)）再進(jìn)行下一工序施工，一般固化時(shí)間為6～24h。
?。?）浸漬樹脂應(yīng)充分浸透碳纖維布，并且粘貼密實(shí)，保證平整無氣泡，在碳纖維布上涂刷黏結(jié)樹脂厚度不小于2mm；碳纖維布沿纖維方向應(yīng)有不小于100mm的搭接長(zhǎng)度。
?。?）碳纖維布粘貼完工后，應(yīng)在表面粉刷20mm厚水泥砂漿或防火材料予以保護(hù)。
3、結(jié)束語
在施工過程中，由于涉及到眾多專業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，如植筋錨栓、黏貼碳纖維布等，必須要有嚴(yán)格的施工質(zhì)量過程控制，以達(dá)到設(shè)計(jì)意圖，獲得良好的加層加固效果。在加層改造的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇加層及加固的施工方案，必須采取可靠措施，保證新舊構(gòu)件的連接，使之能夠共同工作，同時(shí)應(yīng)盡量使施工方案簡(jiǎn)單方便并且盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷。加層改造前，必須對(duì)加層部分將對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響做正確的估計(jì)與計(jì)算，即必須采取整體計(jì)算的方法，同時(shí)還應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)輔以必要的檢測(cè)，以確保加層改造的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
