摘要:总结了混凝土结构加固的原因、方法,对主要方法的优缺点进行了阐述,提出了目前混凝土结构加固亟待解决的问题。
关键词:混凝土结构;加固;加固方法;碳纤维增加塑料
中图分类号: TU375. 02 文献标识码: A 文章编号: 100429592 (2007) 0220028204
1 前言
近代建筑业的发展大致分为三个时期:第一个时期是二战后世界各国特别是欧洲的大规模新建,此时期的特点是规模大标准低;第二个时期是新建与维修改造并举发展的时期;第三个时期是20 世纪90 年代后的现代化改造和维修加固蓬勃发展。在欧美发达国家,目前用于建筑物加固改造的投资已占国家建筑业总投资的50 %以上。美国劳工部在20 世纪末的一项产业预测报告中曾经预言:建筑改造维修业是21 世纪最为热门的九大行业之一。
从上世纪50 年代开始,几十年来,加固这门新学科在我国发展异常迅速,在混凝土结构抗震加固、危旧房改造及工程事故处理等大量的工程实践中,取得很大的成果。目前我国已颁布了《工业厂房可靠性鉴定标准》( GBJ 144O90) 、《民用建筑可靠性鉴定标准》( GB50292O1999) 、《混凝土结构加固技术规范》(CECS25O90) 、《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146 :2003) 等规范标准,对加固的基本原则、加固的材料和常用的加固方法及要求、施工安全及工程验收作了规定。
2 混凝土结构加固的主要原因
混凝土结构需要加固的原因有以下几个方面:
1) 设计基础资料和设计方法不准确,导致设计出来的建筑物存在着安全性问题;
2) 施工方法的错误、施工管理的不善以及施工单位的偷工减料等原因,使得建筑物存在质量问题;
3) 由于高湿酸碱环境、温差、冻融等影响以及地震、流沙等自然灾害的作用,导致建筑物发生严重损坏;
4) 设计规范的修订和设计标准的提高,按照原规范标准设计的结构将不能满足设计标准的要求;
5) 原有建筑物使用功能和要求的改变,需要对其进行改造、加固。
3 混凝土结构加固的主要方法
3. 1 加大截面加固法
加大截面加固法,是采用钢筋混凝土或钢筋网砂浆层,来增大原混凝土结构的截面面积,达到提高结构承载能力的目的。该法施工简单、适应性强,并具有成熟的设计和施工经验,适用于梁、板、柱、墙和一般构造物混凝土结构的加固;但现场施工的湿作业时间长,对生产和生活有一定的影响,且加固后的建筑物净空有一定的减小。加大截面法的效果与原结构在加固前的应力水平、结合面的处理、施工工艺、材料性能以及加固时是否卸荷等因素直接相关。
如某厂现浇框架,在第二层施工时,因吊运大构件带动了框架模板,导致了该层框架柱倾斜。经复核,须对部分柱进行加固。因附加弯矩是单向,采用单面加固法,且在喷射细石混凝土时对倾斜柱进行适当纠偏,收到了良好的效果[1 ] 。
3. 2 外包钢加固法
外包钢加固法,是在混凝土构件(梁、柱) 四周包以型钢的加固方法。在我国,外包钢法是一种使用较广的传统加固方法,适用于使用上不允许过大增加截面尺寸,却又要求大幅度地提高承载能力的混凝土结构加固。该方法的优点是用于柱的加固时,施工简便,现场工作量较小,受力可靠,加固效果好;缺点是用钢量较大,加固维修费用较高,用于梁的加固时需在楼板上开较多的孔(焊接箍板用) ,在梁的根部外包钢时,传力到柱上的节点处理较复杂。另外,这种加固法还存在不能确保钢与混凝土结合面传递剪力和外包钢需要进行防腐处理等问题。
外包钢法分为干式和湿式两种方法。湿式外包钢加固,外包型钢与构件之间采用乳胶水泥或环氧树脂化学灌浆等方法粘结,以使型钢与原构件能整体工作共同受力,该方法不宜在无防护的情况下用于60 ℃以上高温场所。干式外包钢加固,型钢与原构件之间无有粘结,有时填以水泥砂浆,但不保证结合面剪力的传递,与湿式相比,干式外包钢施工更为方便,但其承载力的提高不如湿式外包钢有效。
3. 3 粘贴钢板加固法
粘贴钢板加固法是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,以提高结构承载力的一种加固方法。20 世纪60 年代末,法国、南非等国家首先采用该技术对混凝土结构进行加固补强,随后瑞士、日本、英国等国家相继采用,日本在1975 年应用此项技术先后对200 多座桥梁进行了加固,以提高结构承受重型交通荷载的能力,取得了较好的效果。
实践证明,粘贴钢板加固法能有效提高结构的抗弯、抗剪及抗裂性能。由于该加固技术不改变结构外形等特点,在许多情况下替代了增大截面加固技术,成为20 世纪80 年代的一种先进加固方法,为设计人员所普遍采用。中国工程建设标准化协会标准《混凝土结构加固技术规范》(CECS25 ∶90) 及交通部颁布的国家行业标准《公路养护技术规范》(J TJ 073O96) 都将此项技术列入推广。
粘贴钢板加固具有施工快速、现场无湿作业,对生产和生活影响小的优点,且加固后对原结构外观和净空无显著影响,适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固;缺点是加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平,这是由于钢板刚度较大,施工时的误差等原因使得结构使用中容易在粘结面上发生剥离脱空,特别是钢板端部更易发生剥离破坏。另外,研究发现粘贴钢板结构在承受长期动载下的抗疲劳性能不甚理想,对高强度混凝土试件进行粘贴钢板加固时疲劳强度好一些,在疲劳荷载的作用下,粘贴钢板加固梁的端部锚固问题复杂,有待于进一步研究。
3. 4 锚栓- 钢板加固法
锚栓- 钢板加固法是在既有构造物上打设铆钉、锚栓、高强螺栓、高强承压螺栓、膨胀螺栓等机械方法,将钢板贴在被加固的构件的表面,使结构物与钢板成为一个可共同受力的整体。锚贴的钢板不易脱落,可以充分发挥钢板的延性性能,而且锚贴的速度快,可直接受力, 特别适用于混凝土强度等级为C20～C60 的混凝土承重结构的改造加固。但该法不适用于已严重风化的结构及轻质结构,在原构件的钢筋密集区实现锚贴比较困难。
钢板与混凝土用锚栓连接结构,可视为钢- 混凝土组合结构,不同的是加固结构物中的钢筋可能已经超过了容许应力,接合材料不是通常的剪力钉而是后置的锚栓。研究表明:1) 锚栓- 钢板加固法可有效地提高混凝土结构的抗弯承载能力;2) 加固效果取决于锚栓的根数(总抗剪应力) ,但加固效果的上限取决于钢板强度;3) 锚栓根数增加时弯曲承载能力增大,破坏型态由弯曲压坏向剪切破坏过渡;4) 锚栓的设置间距、早期应力的影响、螺母施拧扭矩、螺母是否与钢板焊接对极限承载力影响小;5) 试件的承载力符合平截面假定,当钢板的强度上限取锚栓的抗剪强度时计算极限承载力接近实测值。
3. 5 预应力加固法
预应力加固包括预应力拉杆加固和预应力撑杆加固两种形式。适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性的混凝土结构,它同时具有卸载、加固及改变结构受力三种功能。预应力加固法克服了采用其它方法加固时加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点,保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。工程实践表明:采用体外预应力法加固桥梁和房屋结构,不仅能提高其承载力,还可以减小挠度和裂缝宽度,提高结构的弹性恢复能力,并且具有施工简便、不占用空间等特点,是一种经济的加固方法。
预应力拉杆主要用于加固受弯构件、屋架等,在特定场合下,也可用于加固大偏心受压构件。预应力撑杆主要用于加固轴心受压构件和偏心受压构件。此加固方法不适用于环境温度高于60 ℃和收缩徐变大的混凝土结构,另外需要注意预应力筋的防腐问题。预应力加固法对施工技术要求比较高,一般应由专业技术实力较强的工程队伍来完成。
3. 6 改变受力体系加固法
该方法是通过增设支点(柱或托架) 或采用托梁拔柱的办法来改变结构受力体系的加固法,其中用得最多的是增设支点法。增设支点可以大大减少结构构件的计算长度、计算弯矩,大幅度地提高结构和构件的承载力,减少挠度,缩小裂缝宽度,达到加固原结构的目的。该法简单可靠,适用于梁、板、桁架、网架等水平结构的加固,缺点是使用空间会受到一定的影响。托梁拔柱是托屋架拔柱、托梁拆墙及托梁拔柱的总称,是在不拆或少拆上部结构的情况下,拆除、更换或接长柱子的一种处理方法。与传统的大掀盖改造相比,该法具有对生产生活影响小、施工工期短、费用较低等优点,缺点是技术要求比较高,需由熟练工人来完成,安全措施必须周密。如某厂房工作平台大梁因工艺变更增设2 个30 kN 和1 个60 kN 的集中荷载,因此对原梁进行加固,采用在原梁下部增设型钢支撑加固,加固效果良好[1 ] 。
3. 7 粘贴碳纤维加固法
碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber ReinforcedPlastics ,简称CFRP) 作为一种高科技材料,它最早应用于航空、军事等领域,以后逐渐发展到船舶、汽车及体育用品等领域,它具有无磁性、绝缘性和高疲劳强度的特点。自20 世纪80 年代后期欧、美、日等国一直在开展对CFRP 加固结构技术的应用研究,并在工程中广泛采用。在欧洲,CFRP 技术首先应用于桥梁,当时他们面临所有桥梁必须在1999 年后能承受40 t 车辆通过的问题,经过调查论证:相对粘贴钢板加固,CFRP 加固更加经济,而且具有质轻、操纵性强、强度高、耐久性好等优势[2 ] 。
我国国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心于1997 年首先开始了用CFRP 加固结构物的试验研究。1999 年第一座CFRP 条板加固的宁合高速公路3 号桥完工[3 ] 。目前国内各高校、研究机构对这方面研究十分活跃,特别是对混凝土梁、板、柱的加固业已取得了大量研究成果[4 ] ,其中《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146 :2003)于2003 年5 月1 日起实施执行。
采用碳纤维加固具有以下优点: 1) 由于CFRP对混凝土的约束作用,构件受力性能明显得到改善。试验表明:采用碳纤维加固,按通常的粘贴层数(如3 层) ,梁的抗弯抗剪能力提高50 %以上,柱正截面承载力和延性性能可提高70 %; 2) CFRP 质轻且薄,密度一般为钢材的1/ 5 ,粘贴1 层的厚度仅为1mm 左右,加固修补后对原结构构件截面、荷载增加均不大,不影响原有建筑使用功能;3) 碳纤维布是一种柔性材料,而且可以任意裁剪,能够适应结构形状的变化,与结构紧密结合,在加固不规则构件和表面不平整的构件时,基本不改变原结构外观;4) 实验表明,CFRP 化学结构稳定,具有良好的耐腐蚀性及耐久性能,CFRP 及结构胶不与结构物中经常遇到的酸、碱、盐反应,大大减少了与防腐相关的问题,节省大笔的维修费用,并且实验表明CFRP 对结构有着良好的隔离氯离子的效果; 5) 与粘贴钢板相比,CFRP 加固的施工质量更容易保证。由于CFRP 是柔性材料,即使被加固的结构表面不是很平整,也基本可以达到100 %的有效粘贴率。
应用CFRP 加固需注意和探讨解决的几个问题:1) 碳纤维具有高强度、高弹模的特性,直至拉断时均表现为线弹性性质,且拉断时呈明显脆性,应避免用于混凝土强度低于C20 的承重构件;但也有国外研究表明:CFRP 用于低强度(6Mpa) 混凝土柱的加固时相对高强度(20～35Mpa) 混凝土柱的加固效果更加显著[5 ] ;2) 与混凝土相比,一般CFRP 材料的防火性能较差,而且部分树脂材料在持续高温情况下会出现软化现象,并导致材料力学性能的降低。
规范要求碳纤维片材加固混凝土结构的长期使用环境温度不应高于60 ℃,对已加固修复完的结构表面应按防火等级进行防护处理;3) CFRP 产品配套用粘结材料的可靠性是保证CFRP 粘贴加固技术成功应用的关键,许多工程实践表明,CFRP 加固混凝土结构的破坏大都是由于粘结面的承载力不足所致,粘结界面的粘结、破坏机理是当前国内外学者研究CFRP 加固技术的重点。有实验研究表明:使用不同的粘结材料,结构承载力下降的幅度不同,有的高达56 %[ 6 ] ;4) 大量研究表明,虽然CFRP 材料本身的耐久性能优于传统结构材料,但该项技术在国外的研究与应用不过20 多年历史,在我国还不到10 年历史,加固结构物在腐蚀、高温、辐射等特殊环境下的耐久性如何,是今后国内外学者主要的研究问题[ 7 ] 。有外国学者提出了基于有限元分析建立的
三维模型,利用结构分析程序对碳纤维加固混凝土结构的疲劳程度、使用寿命和结构的承载力退化进行预测,其数值分析与模拟实验结果比较吻合[ 8 ] ,我国已有研究机构和学者开始这方面的研究[9 ] ; 5)CFRP 强度高,当与钢筋共同工作,钢筋完全发挥强度时CFRP 才发挥20 %的强度,难以抑制变形和裂缝的发展;另一方面,环氧树脂界面裂缝的发展扩大产生结构的剥离破坏。这两个方面在相当程度上限制了CFRP 在加固领域中的应用。有的学者提出了预应力碳纤维布加固的方法,其试验结果表明预应力碳纤维布加固的受弯试件的开裂荷载较非预应力碳纤维布加固的试件要有显著提高[10 ] 。
4 目前混凝土结构加固亟待解决的问题
1) 加强对加固基础理论的研究。深入研究后续使用期和原结构设计使用期的关系及其对结构耐久使用寿命的影响,解决卸载或不卸载情况下,新旧结构或构件的共同作用问题,确立加固设计准则、加固荷载取值及加固材料的选用规则和加固计算方法,以期达到加固规范和新设计规范的统一。
2) 重视加固技术的研究与交流。深入研究各种加固方法对整体结构及构件的强度、延性、破坏形式、耐久性的影响,依据可靠度理论确立各种加固方法的计算公式;加强科研成果和加固技术的交流,并进一步完善加固施工技术。如对CFRP 加固方面的研究,调查发现:基本性的、验证性的试验研究较多;重复性试验研究较多;而对结构加固受力机理、长期受力性能等关键深入性问题研究的较少。
3) 加强维修加固决策的研究。加固方案的选择不应只局限于直接投资的多少,而必须综合考虑后期维护费用乃至社会效益等。加固技术涉及到钢筋混凝土结构基本理论、加固材料性能及组合结构的力学特征这三门学科的交叉,新材料的出现、基本理论的发展、加固技术的提高就决定了加固决策是个动态过程,根据结构动态可靠性而提出的优化维修决策已成为研究的重点。
4) 建立和完善混凝土结构加固的技术标准。基于建筑结构加固修复技术发展现状,要从结构检测、鉴定和评估,到加固设计、施工、工程质量评价各个环节,建立起相应的行业标准,形成包括应用技术规程、质量评价标准和专业工法等完整标准体系。
5) 加强对新型加固材料和产品的技术研究与开发。碳纤维加固法是混凝土结构加固的发展方向,而目前国产的碳纤维不但在数量上远远不能满足加固业的需要,而且在质量上与国外相比还有差距。
同时,还应积极发展用于各种加固修复工程的专用粘结材料,当前最常用的粘结材料是环氧类复合材料,由于现场配置的影响因素多,质量控制得不到保障,要积极开发、引进和生产高质量的特别是适应潮湿基底的专用结构胶和配套辅助材料。
6) 加强混凝土结构加固的专业软件开发。在一些发达国家,已经开始采用一种智能化的检测监控分析系统,业内人士称建筑指纹系统,它能够对建筑进行准确的检测和分析。2003 年,东南大学推出了国内首套结构加固设计软件系统- 东大迪普(SEUODEEP) ,填补了国内结构加固设计领域计算机辅助设计的空白,但尚需进一步的完善和推广[11 ] 。
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