鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固無(wú)支架施工技術(shù)研究

蘇毅經(jīng)

（廣西民族大學(xué)，廣西 南寧 530006）

0 引言

在大量的土木工程結(jié)構(gòu)中，由于建設(shè)年代的不同，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到建設(shè)時(shí)期經(jīng)濟(jì)條件和建設(shè)水平的限制，其結(jié)構(gòu)的安全性能和使用性能在雖然能滿足建造初期的規(guī)范要求，但是隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)有規(guī)范要求的不斷提高以及建筑物使用性能的不斷增加，有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)有的性能要求[1]。此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)承載性能退化、混凝土結(jié)構(gòu)老化以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，為保證結(jié)構(gòu)的安全并增加其使用年限，對(duì)既有結(jié)構(gòu)采取加固措施成為解決結(jié)構(gòu)問(wèn)題的有效途徑[2]。由于建筑物在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中給予加固施工的空間有限，特別是對(duì)密集的高大建筑物，無(wú)法滿足支架施工的要求，因此研發(fā)無(wú)支架施工工藝成為目前建筑加固的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 工程概況

廣西壯族自治區(qū)南寧市某房地產(chǎn)項(xiàng)目為重大民生工程，位于南寧市東南角，規(guī)劃用地面積約120735m2。按照施工圖設(shè)計(jì)，用地范圍內(nèi)提供高層民用住宅、多層民用住宅和商業(yè)零售辦公用房的一體化城市生活、零售解決方案，總建筑面積達(dá)352398.85m2，其中高層民用住宅一共26 棟，單棟18 層，底層高度為4.5m，其余17 層高度均為3.1m，建筑面積達(dá)272802.19m2；多層住宅一共7 棟，單棟6 層，樓層高度均為3.1m，建筑面積達(dá)到64092m2；商用零售辦公用房2 棟，建筑面積15504.66m2，包括配套服務(wù)用房面積。高層住宅樓的結(jié)構(gòu)形式均為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。標(biāo)準(zhǔn)層的框架-剪力墻平面布置如圖1 所示。剪力墻厚度為400mm，框架柱為正方形截面，長(zhǎng)寬均為700mm，框架梁截面為矩形，寬為350mm，高為800mm，連梁截面為矩形，梁寬為350mm，梁高為600mm，跨度為2500mm。因商用需要，對(duì)商用零售用房進(jìn)行改造，計(jì)劃工期為2021 年6 月30 日開(kāi)工至2022 年12 月31 日竣工。

圖1 高層住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層框架-剪力墻平面布置（單位：mm）

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的無(wú)支架施工原理及植筋抗拔試驗(yàn)

2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的無(wú)支架施工原理

在鋼筋混凝土加固技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的方法有增大截面加固法、外加預(yù)應(yīng)力法以及外包鋼板等，其加固原理均是通過(guò)改變幾何尺寸或者外加輔助材料提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。為解決施工場(chǎng)地空間不足的問(wèn)題，基于增大截面加固法，該文提出一種在既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中植筋的無(wú)支架施工方法。它的施工原理是在既有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中植入一定數(shù)量、間距和深度的鋼筋，將植入段作為錨固本體，并通過(guò)焊接和綁扎的方式，在懸出段結(jié)構(gòu)的縱橫向上形成鋼筋骨架，這些鋼筋骨架澆筑混凝土后成為新增的受力截面[3-4]。為了實(shí)現(xiàn)新增受力截面的混凝土無(wú)支架澆筑，則需要另外增加鋼模板和連接系統(tǒng)。鋼模板是混凝土澆筑時(shí)的模板承載體系，其表面根據(jù)植入鋼筋的位置對(duì)應(yīng)地預(yù)鉆有孔洞，連接系統(tǒng)穿過(guò)預(yù)鉆孔洞與鋼筋骨架相連。而連接系統(tǒng)則是由眾多的鋼筋連接件組成，鋼筋連接件在鋼筋骨架側(cè)為鉤狀，在鋼模板側(cè)為可調(diào)節(jié)的蝴蝶卡扣。新澆筑的混凝土完成后，混凝土的重力或側(cè)壓力傳遞給鋼模板，鋼模板將作用力均勻地傳遞給連接系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)植入鋼筋傳遞給既有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到混凝土澆筑自支撐和無(wú)支架施工的目的[5]。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的無(wú)支架施工植筋抗拔試驗(yàn)

從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固無(wú)支架施工的受力原理可知，混凝土植筋是最重要的傳力構(gòu)件，其抗拔性能直接關(guān)系到澆筑混凝土的自支撐效果。因此，為研究既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固無(wú)支撐施工時(shí)植筋的抗拔性能，在室內(nèi)試驗(yàn)中制作不同鋼筋直徑和植入深度的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵赃M(jìn)行抗拔試驗(yàn)。鋼筋直徑的等級(jí)有12mm、16mm 和20mm，鋼筋型號(hào)為HRB400，鋼筋平均屈服強(qiáng)度為435.9MPa，平均極限強(qiáng)度為619.8MPa，彈性模量為201.2GPa，鋼筋的植入深度有6d、8d、10d、12d 和15d（d 為鋼筋直徑）。試驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有C25、C30 和C35，C35混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為35.14MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為24.14MPa，彈性模量實(shí)際試驗(yàn)值為31394MPa；C30 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為31.16MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為20.89MPa，彈性模量實(shí)際試驗(yàn)值為29971MPa；C25 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為24.78MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)際試驗(yàn)值為16.65MPa，彈性模量實(shí)際試驗(yàn)值為27953MPa。試件尺寸為350mm×350mm×350mm，植筋膠采用改性環(huán)氧膠黏劑，其劈裂抗拉強(qiáng)度為9.0MPa，抗壓強(qiáng)度為65MPa，抗彎強(qiáng)度為52MPa，黏結(jié)力為15MPa[6-7]。

不同鋼筋植入深度和植筋直徑的極限抗拔力測(cè)試結(jié)果如表1 和圖2 所示。從圖2 可以看出，不同鋼筋直徑的極限抗拔力曲線呈現(xiàn)明顯的不同。鋼筋直徑為12mm 時(shí)，植筋試件的極限抗拔力曲線呈近線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)且增長(zhǎng)速率較小，從植筋深度6d 的21.18kN 增長(zhǎng)到植筋深度15d的38.46kN；鋼筋直徑為16mm 時(shí)，植筋試件的極限抗拔力曲線呈冪指數(shù)曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)，植筋深度較小時(shí)，極限抗拔力增長(zhǎng)速率較快，而植筋深度大于10d 后，極限抗拔力趨于收斂穩(wěn)定；鋼筋直徑為20mm 時(shí)，植筋試件的極限抗拔力曲線呈近線性增加的趨勢(shì)且增長(zhǎng)速率較大，從植筋深度6d 的62.16kN 增長(zhǎng)到植筋深度15d 的156.21kN，增加近3 倍。在同一植入深度時(shí)，隨著植入鋼筋直徑的增加，極限抗拔力強(qiáng)度不斷增加且隨著植入深度的增加，極限抗拔力的差值也越大。由此表明，鋼筋直徑對(duì)鋼筋混凝土植筋抗拔力的影響較大。

鋼筋植入深度和混凝土等級(jí)的極限抗拔力測(cè)試結(jié)果如表2 和圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的植筋試件極限抗拔力曲線表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)為“S”型變化。在同一植入鋼筋深度條件下，隨著混凝土等級(jí)強(qiáng)度的增加，植筋極限抗拔力不斷增加，但隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)植筋試件間的極限抗拔力差值不斷降低。由此表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼筋混凝土植筋抗拔力的影響較小。

圖3 不同植筋深度和混凝土等級(jí)的極限抗拔力曲線

表2 不同植筋深度和混凝土等級(jí)的極限抗拔力測(cè)試結(jié)果

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固無(wú)支架施工效果分析

為了提高建筑物的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，基于該文提出的既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中植筋的無(wú)支架施工方法對(duì)部分梁柱進(jìn)行了擴(kuò)大截面加固，其主要施工流程如圖4 所示，加固過(guò)程中使用的連接系統(tǒng)為鋼筋連接件，模板系統(tǒng)為鋼模板，通過(guò)鋼筋連接件對(duì)鋼模板的加緊實(shí)現(xiàn)支模[8]。

圖4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固無(wú)支架施工工藝流程

為了驗(yàn)證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中植入鋼筋的施工效果，對(duì)植筋的抗拔力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表3 和圖5 所示。現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼筋直徑為16mm，鋼筋型號(hào)為HRB400，植入深度有4 種，分別為植入深度6d、8d、10d、12d 和15d（d 為鋼筋直徑）。從圖6 可以看出，不同植入深度的植筋抗拔力隨鋼筋端頭位置的變化規(guī)律較為一致，均隨鋼筋端頭位移的增加呈現(xiàn)明顯的非線性。在拔出試驗(yàn)初期，植筋抗拔力增加較快，并在一定位移處達(dá)到峰值，隨后植筋抗拔力迅速變小。不同植筋深度的抗拔力峰值出現(xiàn)的位置有所不同。當(dāng)植筋深度小于10d 時(shí)，植筋抗拔力峰值不斷右移，即植入深度為6d 時(shí)，抗拔力峰值出現(xiàn)在端頭位移為1.2mm 位置處；而植入深度為8d 時(shí)，抗拔力峰值出現(xiàn)在端頭位移為1.6mm 位置處；植入深度為10d 時(shí)，抗拔力峰值出現(xiàn)在端頭位移為2.4mm 位置處；當(dāng)植筋深度大于10d 時(shí)，植筋抗拔力峰值出現(xiàn)的端頭位移位置幾乎不變，即在植入深度為10d、12d 和15d 時(shí)，抗拔力峰值均出現(xiàn)在端頭位移為2.4mm 位置處。

表3 抗拔試驗(yàn)中抗拔力與鋼筋端頭位移的測(cè)試結(jié)果

圖5 抗拔試驗(yàn)中抗拔力隨鋼筋端頭位移的變化曲線

4 結(jié)論

該文以廣西壯族自治區(qū)南寧市某房地產(chǎn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，提出了一種在既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中植筋的無(wú)支架施工方法，在介紹其基本受力原理的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)植筋抗拔力進(jìn)行研究，并應(yīng)用于工程實(shí)例，得到以下幾個(gè)結(jié)論：1）不同鋼筋直徑的極限抗拔力曲線呈明顯的不同，鋼筋直徑為12mm 時(shí)，極限抗拔力曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)且增長(zhǎng)速率較?。讳摻钪睆綖?6mm 時(shí)，極限抗拔力曲線呈冪指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；鋼筋直徑為20mm 時(shí)，極限抗拔力曲線呈現(xiàn)近線性增加趨勢(shì)且增長(zhǎng)速率較大。2）隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土等級(jí)的植筋試件極限抗拔力曲線表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)為“S”型變化。隨著植入鋼筋深度的增加，不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)植筋試件間的極限抗拔力差值不斷降低。3）不同植入深度的植筋抗拔力隨鋼筋端頭位移的變化規(guī)律較為一致，均隨著鋼筋端頭位移的增加呈現(xiàn)明顯的非線性。當(dāng)植筋深度小于10d時(shí)，植筋抗拔力峰值位置不斷右移；當(dāng)植筋深度大于10d時(shí)，植筋抗拔力峰值位置幾乎不變。