混凝土结构工程中修复加固技术的应用

混凝土结构工程中修复加固技术的应用
王晓波
摘要：在建筑工程中，混凝土结构工程往往由于不能满足设计规范的要求，大量混凝土结构老化以及受水泥质量等因素的影响，造成混凝土强度偏低，并因设计、施工、使用及火灾、地震等主客观原因，导致产生缺陷及安全隐患时，须对其进行鉴定加固。本文针对混凝土结构加固的原因、加固补强的常用方法及配套改造所使用的相关技术进行探讨。
关键词：混凝土结构加固补强施工改造
当工程结构遭受自然灾害破坏，或因结构设计与建筑使用功能或施工过程造成失误时，都要对结构进行鉴定加固，以能保证结构能具有足够的安全性。已有建筑物的鉴定、加固和改造已经成为经济发达国家的建设重点之一，由此也产生并大幅度推动了加固技术的发展和成熟。我国在经历了几十年的大规模基本建设后，已有建筑的维修、改造及加固必将占据其应有的地位。按照混凝土结构的老化规律，我国需加固的建筑物逐年增多，在今后，国家用于旧建筑物维修、改造和加固的费用将持续增加。
一、混凝土结构加固原因
（1）设计规范的修订和标准的提高，按照原规范标准设计的结构不能满足设计标准的要求，结构封顶尚未使用就需要改造而引起的加固；
（2）设计基础资料和设计方法的不准确，导致设计出来的建筑物存在安全性问题。尚未建成但由于施工质量问题、施工方法错误、施工管理不善等原因，使得建筑物存在质量问题；
（3）原有建筑物使用功能及要求的改变，结构老化后需对其进行改造加固；
（4）因自然灾害引起的加固，如高温酸碱环境、温差、冻融等影响以及地震、流沙等灾害的作用，导致建筑物发生严重损坏。
二、混凝土结构加固原则
结构加固是通过一些有效措施，使受损结构恢复原有结构功能，或是在原有结构基础上，提高其结构功能，以满足新的使用条件下的结构要求。建筑物维修、加固的主要目的是：提高结构、构件的强度、刚度、稳定性和耐久性，恢复结构的使用功能和安全性，减少事故隐患并能延长使用寿命。建筑结构的加固应遵循先鉴定后加固的原则，加工方案应合理可靠、经济适用、方便施工，尽量减少对原有建筑的损坏。
需要加固的结构是已建成的，受到客观条件的制约，加固方案也需根据具体条件进行选择。不同结构形式和不同的损伤程度要求所采用的加固方法也不同。在选择结构加固方法时，要根据需要加固的建筑物的可靠性鉴定结果、建筑物所处场地条件、加固原因，通过综合分析、比较才能确定。
三、混凝土结构加固方法
（1）加大截面法
在我国，加大截面法是一种应用较广的传统加固方法。该方法是在原有构件表面新作钢筋混凝土或钢筋网砂浆层，用以增加结构的截面面积，达到提供结构承载能力的目的。其优点是工艺简单，适用面广，适用于一般梁、板、柱、墙、桥梁及路面等混凝土结构的加固。采用加大截面法加固时，可根据原构件的受力性质、构造特点和加固要求的不同，选用单面加厚、两面加厚、三面加厚和四面加厚等构造形式。加大截面法的一个主要问题是在设计和施工方面必须解决好新加部分与原有部分的整体工作问题。研究表明，加固结构在受力过程中，新旧混凝土的结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂应力。新旧结构的结合面为受力的薄弱环节，一旦界面开裂，将导致新旧两部分过早分离而单独受力，降低结构的整体刚度和承载能力，直接影响加固效果。研究新旧混凝土界面的粘结性能，建立新的计算理论和方法，改进界面的粘结工艺做法，对推动既有建筑加固改造业的发展具有很大的现实意义及工程应用价值。
（2）外包钢加固法
外包钢加固法是把型钢或钢板等材料包在被加固的钢筋混凝土结构外侧，通过外包钢与原有构建的共同作用，提高构件承载能力和刚度，达到加固目的。此方法主要是通过约束原构件来提高其承载能力和变形能力，可大幅度提高构件承载力，多用于柱子加固、梁的加固。对于矩形截面柱，一般在其四角外包角钢，横向用缀板焊接成整体；对于圆形截面柱，多用扁钢加套箍；对于梁可仅在受拉边外包角钢加固。外包钢加固法又分为干式和湿式两种：干式外包法是角钢直接外包于被加固构件四周；湿式外包法是在角钢和被加固件间留有一定间距，中间浇筑混凝土，这实际上是一种外包钢和外包混凝土相结合的复合加固方法。湿式外包钢加固由于可大幅提高构件的承载能力，主要用来加固承受很大载荷的受压构件。外包钢加固法受力可靠，施工简便，现场工作量较小，但用钢量较大。适用于在使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构构件加固。
（3）直接粘贴碳纤维布加固
FRP材料具有抗拉强度高、自重小等优点，过去一直应用于运载火箭、宇宙飞船、飞机等航空航天设备。将FRP材料应用于结构加固工程是近年来新举措。FRP材料的弹性模量与建筑钢材非常接近，但由于抗拉强度比钢材高很多，所以这就意味着工程要达到相同大的总拉力，FRP材料所需的材料截面积及自重将大大小于钢材。通常所用的FRP材料指碳纤维、玻璃纤维等。碳纤维的强度和弹性模量是最高的，在实际工程中应用的也最广。现阶段与碳纤维相关的加固市场和生产工艺是最成熟和最完善的。
（4）外加预应力加固法
预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆，在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆，通过施加预应力，使体外的拉杆或压杆与被加固的构件共同受力，改变原有截面的受力特征，消除加固部分的应力滞后现象，并使后加部分与与原构件能较好地协调工作，实现内力重分布，以提高原结构的承载力和刚度的方法。此方法的优点是：可在几乎不改变使用空间的条件下，改变原结构内力分布并降低原结构的应力水平，使结构构件的正截面及斜截面承载能力得到提高。该方法被广泛应用到加固混凝土梁、板等受弯构件以及混凝土柱等，特别适用于大跨度结构的加固及采用其他方法效果不佳的较高应力应变状态下的大型结构加固。
（5）增设支点加固法
增设支点加固法是在梁、板等构件上增设支点，在柱子、屋架之间增设支撑构件，减少结构间跨度，增加结构稳定性，达到加固目的。梁、板在跨中增设支点后，减小了跨度和内力，相应提高结构总体承载力，并能减小和限制梁、板的挠曲变形。该方法简单可靠，但容易损害建筑物的使用功能和原貌，并能减小使用空间，适用于具体条件下所允许的混凝土受弯构件的加固。
（6）外部粘贴钢板加固法
此法亦称粘钢加固法。是指使用特别的建筑结构胶将钢板粘贴于构件外部，提高其承载能力。该法始于20世纪60年代，在国际上是一种使用范围较广的加固方法，不仅在建筑房屋中广泛应用，在公路桥梁建设中也普遍采用。该方法具有施工简单、快速、现场无湿作业或仅有少量抹灰等少量湿作业，对生产和生活影响较小，且加工后对原结构外观和功能无显著影响等优点。粘钢结构加固中裂缝数量明显增加，但裂缝的总宽度小于加固之前；结构的刚度大幅度提高，抗剪性能也有所增加；粘接层的长期工作稳定性可靠。但由于钢板自身易受自然环境如酸雨等自然灾害的腐蚀破坏，使加固效果大打折扣，这就使人们去寻求更好的抗腐蚀性材料来取代已有的加固材料。
（7）纤维复合材料嵌入式加固法
嵌入式加固法是一种通过粘结材料将加固材料嵌入加固构件表面预先凿好的槽中，使之与加固构件形成整体，从而改善结构性能的加固方法。与传统的结构加固方法相比，嵌入式加固法除具有粘贴FRP材料加固法具有的优点外，还具有FRP材料与原结构粘贴性能较好、可防止火灾对FRP材料的破坏，可有效地进行负弯矩加固、可以充分利用FRP材料的强度，能有效地提高结构构件的极限承载能力等优点。
由于加固技术出现的历史并不长久，在各种不同的加固方法中，我们对修复与加固技术的实质经验有限，很多加固方法特别是较新型的加固技术缺少必要的实验数据，设计施工标准及试验标准。对各种方法的受力特性及施工要点还需要进一步的深入研究。如加固结构的二次受力工作机理及计算方法研究；各种加固材料及外包和粘贴形式对原有结构的抗弯、抗剪、抗疲劳、延展性、耐久性等试验研究，结构胶的力学性质，是保证钢筋混凝土结构与各种加固板材料能否形成一个整体联合工作的关键，但对结构胶本身的力学特性如其本身与结构的关系、抗拉性能、抗剪性能、流变性能有待进一步研究。
结语
我国是一个发展中国家，按照混凝土结构老化的规律，从20世纪开始，我国需要加固的结构逐年增多，特别是20世纪80年代以来，随着我国国民经济的发展，不仅大量老化混凝土结构需要加固，有些使用时间不长的结构也因功能改变等原因需要加固改造。当今的混凝土结构加固可用日新月异来形容。更新的技术，更新的工艺，更新的材料，更加深入更加成熟的研究成果，必将伴随我们跨入新世纪而到来！
参考文献：
[1]纪卫红. 碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术研究[D].大连：大连理工大学，2000.
[2]赵华玮.碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究[D].郑州：郑州大学，2005.
[3]赵华玮，刘立新.碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2006,27（2）。