結(jié)合工程實(shí)務(wù)探討混凝土結(jié)構(gòu)加固方案的應(yīng)用

劉 冰

(盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，遼寧盤錦 124010)

結(jié)合工程實(shí)務(wù)探討混凝土結(jié)構(gòu)加固方案的應(yīng)用

劉 冰

(盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，遼寧盤錦 124010)

在建設(shè)工程實(shí)踐中，施工不利、設(shè)計(jì)失誤、用戶使用不當(dāng)?shù)葐?wèn)題會(huì)導(dǎo)致板、梁、柱等混凝土構(gòu)件承載力不足，需要采取加固措施以保證建筑物安全承載的可靠性和使用功能的耐久性。本文結(jié)合工程實(shí)例來(lái)探討混凝土受彎構(gòu)件加固的問(wèn)題，以期能給工程技術(shù)人員提供一些思路和參考。

混凝土結(jié)構(gòu)加固；加大截面法；后加筋法；FRP

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，“混凝土加固”早已不是現(xiàn)場(chǎng)管理人員不敢觸碰的技術(shù)禁區(qū)了，而是被廣泛地、頻繁的應(yīng)用，使得施工階段出現(xiàn)的安全承載質(zhì)量問(wèn)題得到無(wú)隱患的解決，同時(shí)也使得房屋維修工作得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。在加固技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也存在許多的不足，例如：(1)由于地基得不均勻沉降，使梁產(chǎn)生附加應(yīng)力；(2)采用材料不當(dāng)或者梁本身有內(nèi)在缺陷所導(dǎo)致梁耐久性不足；(3)梁的不合理構(gòu)造形式帶來(lái)的不利影響；(4)其他原因，如施工方面原因有:鋼筋錨固不足或搭接長(zhǎng)度不夠、焊接不牢靠等；或者荷載的突然作用或瞬間超載等。根據(jù)筆者多年工程實(shí)踐來(lái)看，上述因素越來(lái)越成為引發(fā)工程事故的重要原因，也就是說(shuō)加固方案的選用和滿足工程本身的安全性、經(jīng)濟(jì)適用性之間的權(quán)衡就更需要技術(shù)人員進(jìn)一步的探索和研究[1]。

1 混凝土梁加固方法

在衡量某一方案優(yōu)劣之前，我們需要簡(jiǎn)單了解加固原理的涵義及有哪些加固方法，然后根據(jù)不良構(gòu)件的具體情況出具加固方案，最后權(quán)衡其經(jīng)濟(jì)適用性和安全可靠性。

鋼筋混凝土梁的加固方法很多，本文主要介紹加大截面法、后加筋法、FRP加固法等，其他常見(jiàn)的還有預(yù)應(yīng)力法、改變受力體系法、粘貼鋼板(或外包鋼筋)等。鋼筋混凝土梁加固具有自身的局限性和特殊性。其局限性表現(xiàn)為受到原有構(gòu)件的制約，加固方案的選擇除了考慮經(jīng)濟(jì)和安全因素外，還要考慮構(gòu)件的實(shí)際受力情況、周邊環(huán)境、可操作性等；其特殊性表現(xiàn)為同一種方法對(duì)某些情況有非常不錯(cuò)的效果，而對(duì)其他情況就不一定適用。

1.1 加大截面法

在工程實(shí)踐中梁的受拉區(qū)補(bǔ)澆混凝土的情況是比較多的。在適筋范圍內(nèi)，混凝土彎變構(gòu)件正截面承載力隨鋼筋面積和強(qiáng)度的增大而提高。在原構(gòu)件正截面配筋率不太高的情況下，增大主筋面積可有效地提高原構(gòu)件正截面抗彎承載力。在截面的受拉區(qū)加現(xiàn)澆混凝土圍套增加構(gòu)件截面，通過(guò)新加部分和原構(gòu)件共同工作，可有效地提高構(gòu)件承載力，改善正常使用性能。

1.2 后加筋法

適用于當(dāng)梁的截面尺寸能滿足剛度要求且其抗剪承載力也滿足要求，而僅是彎曲抗拉強(qiáng)度不能滿足要求，尤其抗拉鋼筋的增補(bǔ)數(shù)量不是很大時(shí)。常用的方法有全焊接、半焊接和粘結(jié)法。全焊接法，是指增補(bǔ)筋在裸露的條件下，依靠焊接參與原梁工作，即不再補(bǔ)澆混凝土做鋼筋的保護(hù)層。半焊接法是在全焊接法的基礎(chǔ)上再補(bǔ)澆或噴射一層細(xì)石混凝土或其他膠凝材料，它既起到粘結(jié)和保護(hù)的作用，又起到增加混凝土粘結(jié)力的固結(jié)作用，使加固后梁的受力特征與原梁相近，受力也較為可靠。粘結(jié)法是增補(bǔ)鋼筋完全依靠后澆混凝土或其他膠凝材料的粘結(jié)力傳遞來(lái)參與原梁的工作。后加筋法的受力特征：增補(bǔ)筋相對(duì)于原筋存在著應(yīng)力滯后，即增補(bǔ)筋的屈服強(qiáng)度遲于原筋，當(dāng)增補(bǔ)筋屈服時(shí)梁出現(xiàn)較大的變形和裂縫；增補(bǔ)筋相對(duì)于原筋存在著偏心距，這導(dǎo)致在焊接處梁內(nèi)原筋局部彎曲變形和增補(bǔ)筋與原筋的拉力差，其中彎曲變形不但加劇了增補(bǔ)筋的應(yīng)力滯后同時(shí)還使原筋應(yīng)力在焊點(diǎn)兩側(cè)呈不均勻性，從而降低了原筋的利用率。

1.3 FRP

玻璃纖維增強(qiáng)塑料是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂作基體材料的一種復(fù)合材料。作為一種高性能材料，以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能好、施工便捷等性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中。用FRP加固混凝土梁的一般做法：首先將梁底粘貼區(qū)的表面鑿毛，目的清除薄弱層，露出堅(jiān)實(shí)的混凝土層，有時(shí)要求打磨平整，保證與新材料FRP的可靠粘結(jié)。FRP法比較傳統(tǒng)的粘貼鋼板加固法，其優(yōu)勢(shì)在于高比強(qiáng)度(強(qiáng)度與重量之比)和良好的耐久性。高比強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)是指FRP的強(qiáng)度至少是鋼材的2～10倍，重量只是鋼材的20%，這不僅提高了施工便捷性，還突破了傳統(tǒng)施工方法的局限性[3]。

2 混凝土梁加固實(shí)例

2006年，盤錦北方汽車銷售綜合樓施工項(xiàng)目中有這樣一件實(shí)例：一層某段梁拆模后梁中段出現(xiàn)明顯裂縫，梁底開(kāi)口最寬且直通梁頂部，下部鋼筋明顯外露，詳見(jiàn)圖1和圖2。該工程項(xiàng)目概況：底層為機(jī)修車間，中間區(qū)域軸網(wǎng)不設(shè)柱，開(kāi)間較大，上接四層辦公和宿舍用房，基礎(chǔ)為承臺(tái)連系梁基礎(chǔ)，上部五層建筑為框架混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)員和監(jiān)理人員判定是施工階段模板支撐基礎(chǔ)因雨季臨時(shí)變軟，在早期強(qiáng)度形成前，不堪澆筑混凝土后的自重而導(dǎo)致該梁段支撐的局部塌陷，所以等到拆模板時(shí)已經(jīng)在梁中跨形成結(jié)構(gòu)性裂縫。設(shè)計(jì)人員依次出具處理方案：開(kāi)裂兩端設(shè)臨時(shí)支撐，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)28d齡期時(shí)徹底清除裂縫內(nèi)附著的混凝土碎塊不留虛附物，用強(qiáng)度等級(jí)C50以上的混合配比灌漿料澆筑填充裂縫成形，灌注前必須使用高壓水對(duì)新擴(kuò)大的梁內(nèi)腔體清洗干凈。另一個(gè)方案為在開(kāi)裂處設(shè)混凝土柱，開(kāi)裂腔體和后澆柱頭形成剛架節(jié)點(diǎn)，柱下另加一個(gè)小尺寸的承臺(tái)基礎(chǔ)。建設(shè)單位對(duì)設(shè)計(jì)方的兩個(gè)加固方案都不打算采納。使用灌漿料還須經(jīng)過(guò)沈陽(yáng)一家科研院認(rèn)可并且購(gòu)買該旗下的產(chǎn)品，改造工程很小不適合如此大動(dòng)干戈。更為關(guān)鍵的是，業(yè)主看到成形的一層框架后會(huì)產(chǎn)生安裝自動(dòng)起落架的想法，那么在該開(kāi)展成結(jié)構(gòu)裂縫的梁上需要考慮按集中荷載的設(shè)計(jì)方案，這樣一來(lái)，既不能設(shè)柱，又不能按第一種方案只考慮粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)。而且設(shè)計(jì)方極力反對(duì)在這種不良構(gòu)件上增設(shè)機(jī)動(dòng)荷載，理由是已經(jīng)存在結(jié)構(gòu)缺陷，不適合再承受疲勞破壞的狀態(tài)，主張另選新址安裝。在建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位不能達(dá)成一致的前提下，業(yè)主代表組織參建工程各方召開(kāi)質(zhì)量專題協(xié)調(diào)工作，同時(shí)還請(qǐng)來(lái)建筑專業(yè)的教師作為專家聽(tīng)取處理意見(jiàn)。我們?cè)谠泄沧R(shí)“既不能設(shè)柱又不能只考慮粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)”基礎(chǔ)上認(rèn)為加筋和給混凝土補(bǔ)強(qiáng)同時(shí)進(jìn)行，補(bǔ)強(qiáng)照原設(shè)計(jì)方案即可，但是怎樣加筋、配筋量的多少都是難題。

難點(diǎn)解析：按照前面闡述的加固理論，加固后必須保證已形成結(jié)構(gòu)性開(kāi)裂的梁段滿足原設(shè)計(jì)的承載能力以及變形限制(即控制撓度過(guò)大，安全承載加筋法的一般做法勢(shì)必要破壞混凝土梁下部的一定高度(高度>鋼筋保護(hù)層厚度 + 鋼筋直徑)，在考慮到澆筑混凝土的工作空間，總計(jì)要清除梁高50～100mm的混凝土，而該梁高度為500mm，也就是說(shuō)，對(duì)梁加筋的破壞程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的開(kāi)裂狀況，問(wèn)題研究到這里就遇到了瓶頸，如果沒(méi)有新的進(jìn)展也只能另選其它梁做埋件點(diǎn)。由此想到FRP，選用預(yù)制的就可解決高強(qiáng)且無(wú)破壞的問(wèn)題，可實(shí)際操作時(shí)就遇到麻煩了。首先，我市沒(méi)有相關(guān)FRP項(xiàng)目的市場(chǎng)，監(jiān)理單位提出采用該項(xiàng)技術(shù)改造的質(zhì)量驗(yàn)收存在困難。如果采用濕粘法，對(duì)于使用類別的車間還要經(jīng)過(guò)無(wú)毒的安全認(rèn)證。事實(shí)上為了提高改造后梁的整體性，應(yīng)盡可能消除“疊合性”，那么首選就應(yīng)該是濕粘法。采用疊合構(gòu)件如同前面加筋法原理所闡述的那樣：纖維板拉應(yīng)力滯后，復(fù)合板連帶混凝土梁產(chǎn)生較大變形和裂縫，這種趨勢(shì)對(duì)已經(jīng)開(kāi)裂的構(gòu)件來(lái)說(shuō)大大增加了預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。由此，考慮仿造FRP但是不貼FRP材料，而是改用鐵板，在開(kāi)裂處1000mm范圍內(nèi)扒掉梁底的鋼筋保護(hù)層，露出主筋與鋼板焊接，剩余的如前方案：擴(kuò)充、洗凈鐵板上的開(kāi)裂腔體，提高強(qiáng)度等級(jí)灌漿填縫。另外，還可以加鋼板當(dāng)成支架埋件使用，把加固原件和新增的使用件結(jié)合到一塊鋼板上，該方案比較實(shí)用。

圖1 梁開(kāi)裂示意圖

圖2 梁截面示意圖

安全承載計(jì)算：

恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk：

30厚水泥砂漿——0.03×20kN/m3=0.60kN/m2，

80厚鋼筋混凝土樓板——0.12×25kN/m3=3.0kN/m2，

12厚板底抹灰——0.02×20kN/m3=0.40kN/m2，

樓地面裝飾——1.58kN/m2，

∑gk=5.58kN/m2，

活荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk：=2.0kN/m2，

按活荷載效應(yīng)在控制計(jì)算，所以g=1.2gk+1.4qk=1.2×5.58+1.4×2.0=7.6kN/m2，

混凝土梁300×500——0.3×0.5×25=3.75kN/m，

20厚混合砂漿——[2×(0.5-0.12-0.02)×0.02+0.3×0.02]×20=0.408kN/m，

梁上砌體自重——2.38×(3-0.4)=6.188kN/m2[5]，

梁自重線荷載取值為1.2×(3.75+0.408+6.188)=12.42kN/m，

改造后極限荷載效應(yīng)由原來(lái)的M1?Mu，所以新使用條件下一個(gè)基準(zhǔn)期內(nèi)的極限荷載效應(yīng)Mu=M1+M2=85.26+33.6=118.86kN·m。

受壓鋼筋面積計(jì)算：因?yàn)镃25等級(jí)強(qiáng)度混凝土對(duì)應(yīng)HRRB335可得相對(duì)界限受壓高度比ξb=0.55；混凝土彎矩計(jì)算系數(shù)αsb=0.399，取h0=500-35=465mm，

圖3 鐵板加固示意圖

“加筋”方案：后加鐵板Q235B-1000×280×10與梁底角部鋼筋現(xiàn)場(chǎng)圍焊，按二級(jí)焊縫計(jì)算，E43些列焊劑，焊腳尺寸hf=6mm，圖3為鐵板加固示意圖。

投入使用一定階段后我們對(duì)該加固工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回訪，感覺(jué)構(gòu)件很穩(wěn)定，相關(guān)設(shè)備運(yùn)行正常，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不良的變形征兆。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述工程實(shí)例我們感受到，單純一種加固方法能偏于一方安全，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的多樣性；結(jié)合多種方法可以解決多變復(fù)雜的適用性問(wèn)題，但是往往很難得到安全承載的保駕護(hù)航。因此，在今后研究工作中應(yīng)明確，不同的加固方法很可能圍繞一個(gè)改造目的亦或指向同一個(gè)加固理念。每個(gè)加固措施都是按互斥性的辯證關(guān)系設(shè)立的，各有各的優(yōu)點(diǎn)和局限性，研究人員必須熟練對(duì)應(yīng)具體問(wèn)題的適用條件和使用功能，才能在動(dòng)態(tài)多變的糾結(jié)中找出解決矛盾的一劑良方。反復(fù)考量方案內(nèi)容是否適用、安全，需要參與人員不斷地反復(fù)計(jì)算和親躬現(xiàn)場(chǎng)觀察、驗(yàn)證及事后跟蹤等的敬業(yè)精神。

[1]劉冰.淺談混凝土梁加固原理[J].城市建筑理論研究,2012(9): 118-119.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002(3).

[3]藤錦光.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[5]苑振芳.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范算例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[6]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M].3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[7]建筑施工手冊(cè)[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

2014-03-11

劉 冰(1981- )，女，遼寧盤錦人，盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院講師，碩士，從事建筑工程研究。

TU

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2095-7602(2014)04-0033-04