混凝土在工程补强加固中的技术分析

　　摘要：以某建筑物结合工程加固为例，介绍了混凝土在工程中的优缺点及其补强加固施工分析，阐述了化学植筋加层，碳纤维布加固梁柱的设计施工方法，提高上部结构整体刚度和承载力的加固补强措施,使加固后的房屋满足设计承载力及可靠性要求。
　　关键词：加固方法；植筋；钢筋混凝土；碳纤维布
　　由钢筋混凝土材料建造的建筑物、构筑物、桥梁、隧道等结构在使用一段时间后，由于老化、地震、战争或设计施工质量不满足要求，或使用不合理缺少维护保养，以及改变用途等原因，其安全性、适用性和耐久性都有一定程度的降低，这就需要采取适当的技术措施，进行补强与加固处理。目前，工程上常用的钢筋混凝土结构的补强和加固方法有：①加大截面加固法。通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧重新浇筑混凝土以增大构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的。其优点是可以同时增大构件的刚度承载力和变形能力，部分情况下也可加强连接的可靠性。②外包钢加固法。用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固。该方法主要是通过约束原构件来提高其承载力和变形能力。③体外预应力加固。通过预应力钢筋对构件施加体外预应力，以承担梁屋架和柱所承受的部分荷载，从而提高构件的承载力。④粘钢加固。在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶黏贴钢板，是提高结构承载能力和变形能力的一种加固方法。其优点是简单、快速，施工时对生产活动和居民生活影响较小。缺点是会增加构件自重、节点不易处理、施工难度大等。⑤喷射混凝土技术。借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将一定比例配合的拌合料通过管道输送并以高速喷射到受喷面上，凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土具有较高的力学性能和良好的耐久性，特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的黏结强度，可在结合面上传递拉应力和剪应力。⑥纤维复合材料加固。近年来，随着纤维类材料研究的日益广泛，应用于混凝土结构加固的高科技纤维材料（简称ERP）也日益增多,ERP材料具有极好的比强度、比刚度，几乎无腐蚀性和磁性较好的耐热性，并可以与其它结构加固的方法同时使用。结构加固工程中常用的纤维品种有：玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）及芳纶纤维（AFRP）其中碳纤维材料是迄今为止，应用于工程最早、技术最成熟、用量也最大的一种高科技材料。由于碳纤维具有优异的物理力学性能，良好的黏合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，并且不会增加构件的自重及体积，因而广泛的适用于各种结构类型、结构形状和结构中的各种部位，且不会改变结构形状及不影响结构外观，同时施工方便，工效很高。
　　1加固工程实例
　　1.1工程背景
　　某学校原有三层框架结构教学楼，总建筑面积约3100m2，各层混凝土强度等级分别为：梁柱均采用C30，板采用C25；基础采用柱下独立基础，基础埋深2.2m，该教学楼于2002年建成后投入使用，现在由于使用功能的需要，拟对原结构增加一层，作为学生及教师的阅览室。
　　1.2加层改建可行性
　　论证对既有建筑物加层主要应满足以下几方面的要求：一是必须满足地基基础强度及变形的要求；其次是上部结构构件必须满足承载能力及正常使用极限状态的要求；其三，必须处理好新旧结合面的连接问题，使新旧结构之间能够协同工作。这几方面的要求应分别通过结构计算分析、结构检测以及使用新型建筑材料、施工工艺的方法来综合解决。使用结构计算软件PKPM进行计算，并在计算过程中做了以下假设：①不考虑楼梯间对结构整体刚度的贡献；②新旧结构构件按整体现浇考虑计算结果表明，加层后大部分结构构件承载力满足要求，仅底层转角位置柱（Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，如图1所示）的承载能力不能满足要求；③同时，由于新增层的使用功能要求（阅览室），部分楼面的荷载较大，原三层肋梁楼板中部分梁的承载力也不能满足要求，故在加层的同时必须对上述构件进行加固处理，通过对原结构基础及主体结构进行检测观察，检测结果表明：
　　原结构混凝土强度均达到C25～C30的设计强度；梁、柱、板等构件的配筋数量及截面尺寸等均符合设计要求；且混凝土构件外观完好，地基无不均匀沉降问题，结合结构计算分析，确定基础可继续直接使用，不需加固。
　　
　　1.3加层加固方案
　　鉴于目前常用的加层改造和结构加固方法，对原结构采取了下述加层加固方案：新加层的柱钢筋采用钻孔植筋技术，直接将钢筋从原柱的节点位置引出；对底层柱采用截面增大的方法，即通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧重新浇筑混凝土以增大构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的；对原结构的三层梁则采取黏贴碳纤维布加固的方法处理。
　　1.4加层处理
　　本工程是在原结构第三层（即屋顶）上加建第四层，由于原结构屋顶做了女儿墙，顶层的框架柱均做了高出屋面600mm左右的柱头，这就为框架柱的接长提供了有利条件。由于只需要对周边女儿墙中的柱进行接长，同时为了尽量减少对原结构的拆除，故保留女儿墙。具体做法如图2。植筋植入长度15d与原柱头内纵筋焊接施工时，应对混凝土柱表面进行处理，先凿除混凝土表面疏松表层至坚实面层，将构件表面凿毛，同时除去浮渣尘土，并清洗干净，再刷混凝土保护液并抹HL聚合物砂浆进行保护。
　　
　　
　　图2加层框架柱（单位：mm）
　　1.5底层柱加固
　　采用增大截面法加固底层柱，将柱从原截面400mm×400mm增大到500mm×500mm，如图3所示，其中纵向受力钢筋仍采用植筋技术，植入底层柱的基础上，其植筋下部锚入基础长度≥20d，外露长度≥40d和1000mm，并分两批焊接纵筋，同时，为了保证增加截面部分与原柱子间的共同工作，沿柱高度方向四面布置锚拉筋（），在柱侧面的植入深度为15d如图3所示：
　　
　　图3底层柱加固（单位：mm）
　　1.6结构第3层梁的加固
　　对梁的加固采用了碳纤维加固的方案。选用XEC系列碳纤维片材，其技术参数为：弹性模量Ecf=2.35×105MPa，允许拉应变[εcf]≤0.01，达到受剪承载力极限状态时碳纤维的应变εc=2/3×（0.2+0.12λb）εcfu，碳纤维达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度ξctb=0.98，极限拉应变εcfu≥0.015。XEC-300单层厚度t1=0.167mm；抗拉强度2500～3550MPa，弹性模量2.35×105～5.0×105MPa；梁上碳纤维加固的典型位置如图4所示：
　　
　　图4典型梁碳纤维加固示意图
　　2施工过程应注意以下要点
　　（1）混凝土表面打磨平整，除去表面浮沉（浆）油污等杂质，直至完全露出结构新面，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm），同时应保持干燥。
　　（2）按主剂与固化剂以3:1比例配置底胶，将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工，一般固化时间为6～24h。
　　（3）浸渍树脂应充分浸透碳纤维布，并且粘贴密实，保证平整无气泡，在碳纤维布上涂刷黏结树脂厚度不小于2mm；碳纤维布沿纤维方向应有不小于100mm的搭接长度。
　　（4）碳纤维布粘贴完工后，应在表面粉刷20mm厚水泥砂浆或防火材料予以保护。
　　3结束语
　　在施工过程中，由于涉及到众多专业技术性很强的工作，如植筋锚栓、黏贴碳纤维布等，必须要有严格的施工质量过程控制，以达到设计意图，获得良好的加层加固效果。在加层改造的设计中，应当根据实际情况合理选择加层及加固的施工方案，必须采取可靠措施，保证新旧构件的连接，使之能够共同工作，同时应尽量使施工方案简单方便并且尽量减少对原结构的损伤。加层改造前，必须对加层部分将对原结构产生的影响做正确的估计与计算，即必须采取整体计算的方法，同时还应对原结构辅以必要的检测，以确保加层改造的安全性和经济性。
　　
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