混凝土在工程補強加固中的技術
2013-03-01 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)在使用一段時間后，由于老化、地震、戰(zhàn)爭或設計施工質(zhì)量不滿足要求，或使用不合理缺少維護保養(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?shù)募夹g措施，進行補強與加固處理。目前，工程上常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的補強和加固方法有：①加大截面加固法。通過增加原構(gòu)件的受力鋼筋，同時在外側(cè)重新澆筑混凝土以增大構(gòu)件的截面尺寸，來達到提高承載力的目的。其優(yōu)點是可以同時增大構(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)氧樹脂化學灌漿或焊接等方法對梁柱外包型鋼進行加固。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體外預應力加固。通過預應力鋼筋對構(gòu)件施加體外預應力，以承擔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)點是簡單、快速，施工時對生產(chǎn)活動和居民生活影響較小。缺點是會增加構(gòu)件自重、節(jié)點不易處理、施工難度大等。⑤噴射混凝土技術。借助噴射機械，利用壓縮空氣或其它動力，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)強度，可在結(jié)合面上傳遞拉應力和剪應力。⑥纖維復合材料加固。近年來，隨著纖維類材料研究的日益廣泛，應用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的高科技纖維材料（簡稱ERP）也日益增多,ERP材料具有極好的比強度、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，應用于工程最早、技術最成熟、用量也最大的一種高科技材料。由于碳纖維具有優(yōu)異的物理力學性能，良好的黏合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點，并且不會增加構(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，且不會改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，同時施工方便，工效很高。
1、加固工程實例
1.1工程背景
某學校原有三層框架結(jié)構(gòu)教學樓，總建筑面積約3100m2，各層混凝土強度等級分別為：梁柱均采用C30，板采用C25；基礎采用柱下獨立基礎，基礎埋深2.2m，該教學樓于2002年建成后投入使用，現(xiàn)在由于使用功能的需要，擬對原結(jié)構(gòu)增加一層，作為學生及教師的閱覽室。
1.2加層改建可行性
論證對既有建筑物加層主要應滿足以下幾方面的要求：一是必須滿足地基基礎強度及變形的要求；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。這幾方面的要求應分別通過結(jié)構(gòu)計算分析、結(jié)構(gòu)檢測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)計算軟件PKPM進行計算，并在計算過程中做了以下假設：①不考慮樓梯間對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻；②新舊結(jié)構(gòu)構(gòu)件按整體現(xiàn)澆考慮計算結(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，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，故在加層的同時必須對上述構(gòu)件進行加固處理，通過對原結(jié)構(gòu)基礎及主體結(jié)構(gòu)進行檢測觀察，檢測結(jié)果表明：
原結(jié)構(gòu)混凝土強度均達到C25～C30的設計強度；梁、柱、板等構(gòu)件的配筋數(shù)量及截面尺寸等均符合設計要求；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)計算分析，確定基礎可繼續(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，直接將鋼筋從原柱的節(jié)點位置引出；對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，同時在外側(cè)重新澆筑混凝土以增大構(gòu)件的截面尺寸，來達到提高承載力的目的；對原結(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提供了有利條件。由于只需要對周邊女兒墻中的柱進行接長，同時為了盡量減少對原結(jié)構(gòu)的拆除，故保留女兒墻。具體做法如圖2。植筋植入長度15d與原柱頭內(nèi)縱筋焊接施工時，應對混凝土柱表面進行處理，先鑿除混凝土表面疏松表層至堅實面層，將構(gòu)件表面鑿毛，同時除去浮渣塵土，并清洗干凈，再刷混凝土保護液并抹HL聚合物砂漿進行保護。
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，植入底層柱的基礎上，其植筋下部錨入基礎長度≥20d，外露長度≥40d和1000mm，并分兩批焊接縱筋，同時，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
1.6結(jié)構(gòu)第3層梁的加固
對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，其技術參數(shù)為：彈性模量Ecf=2.35×105MPa，允許拉應變[εcf]≤0.01，達到受剪承載力極限狀態(tài)時碳纖維的應變εc=2/3×（0.2+0.12λb）εcfu，碳纖維達到其允許拉應變與混凝土壓壞同時發(fā)生時的界限相對受壓區(qū)高度ξctb=0.98，極限拉應變εcfu≥0.015。XEC-300單層厚度t1=0.167mm；抗拉強度2500～3550MPa，彈性模量2.35×105～5.0×105MPa。
2、施工過程應注意以下要點
（1）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)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm），同時應保持干燥。
?。?）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（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工，一般固化時間為6～24h。
?。?）浸漬樹脂應充分浸透碳纖維布，并且粘貼密實，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有不小于100mm的搭接長度。
?。?）碳纖維布粘貼完工后，應在表面粉刷20mm厚水泥砂漿或防火材料予以保護。
3、結(jié)束語
在施工過程中，由于涉及到眾多專業(yè)技術性很強的工作，如植筋錨栓、黏貼碳纖維布等，必須要有嚴格的施工質(zhì)量過程控制，以達到設計意圖，獲得良好的加層加固效果。在加層改造的設計中，應當根據(jù)實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，同時應盡量使施工方案簡單方便并且盡量減少對原結(jié)構(gòu)的損傷。加層改造前，必須對加層部分將對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響做正確的估計與計算，即必須采取整體計算的方法，同時還應對原結(jié)構(gòu)輔以必要的檢測，以確保加層改造的安全性和經(jīng)濟性。
