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混凝土结构修复加固方法的选择

2018-06-15 17:32:24 

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混凝土结构修复加固的方法较多,这些加固方法各有利弊,趋利避害是选择加固方法时应遵循的原则。确定加固设计方案时,要从抗震性、功能性、可实施性、经济性和美观性等方面综合考虑。一般来说,体系加固优于构件加固,组合方法加固优于单一方法加固。

加固设计与新设计的最大区别在于其受到原构件等既有建筑物各种条件的制约。加固方案的选择除了考虑安全和经济因素外,更要考虑构件的实际受力情况、周围环境、施工可能性等。同一种方法可能对某些结构形式特别适用,而对其他构件不一定适用;或者在这个工程比较适用,而对另外的工程就不一定很有效。适用的才是最好的,适用的加固方法能在各种限制条件下,最大限度的保证加固目的的实现。

1.混凝土结构修复加固方法的分类

混凝土结构的加固可分为直接加固和间接加固两类。直接加固是直接针对于结构构件或节点承载力的加固,可根据实际情况选用增大截面法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、粘贴钢板加固法或粘贴纤维复合材料加固法。间接加固是针对结构总体布局,通过减小或改变构件内力的加固,应根据工程实际情况选用外加预应力加固法或增设支点加固法。在一定适用范围内,直接加固法较为灵活,便于处理各类加固问题,间接加固法较为简便、可靠,且便于日后的拆卸、更换,还可用于有可逆性要求的历史、文物建筑的抢险加固。

混凝土结构主要加固方法,还可以根据它们的特点归纳为三类,分别是“混凝土法”,“外粘贴加固法”和“力学加固法”。 “混凝土法”是指通过加大混凝土构件的截面、提高混凝土的强度等级或改善混凝土的施工质量来达到修复加固混凝土结构或构件的加固方法,其加固的侧重点是混凝土,主要包括增大截面加固法和置换混凝土加固法。“外粘贴加固法”是指在原混凝土构件外通过灌浆或结构胶粘贴型钢、钢板或纤维复合材料,提高承载能力和抗震性能的加固方法,包括外粘型钢(外包钢)加固法,粘贴钢板加固法和粘贴纤维复合材料加固法。“力学加固法”是指应用建筑力学原理,通过改变传力途径或提供反向弯矩,起到卸荷、减跨或减小内力的作用,从而使原混凝土构件满足承载要求的加固方法,力学加固法包括增设支点加固法和外加预应力加固法。

2.梁、板类构件修复加固方法的选择

混凝土梁、板类构件是目前工程中应用最为广泛的结构构件,梁、板类受弯构件因承载力不足的加固,包括正截面和斜截面两个方面。承载力不足的外观表现是构件挠度过大,裂缝过宽、过长,钢筋锈蚀严重或或受压区砼存在压碎现象等。混凝土梁、板类构件的加固主要是解决正截面和斜截面强度不足的问题。

(a)正截面加固

在加固梁、板之前,首先应区分原梁是适筋梁还是超筋梁或少筋梁。

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如果是少筋梁,加固方法可选择增补钢筋或类似的加固方法,如在受拉区粘贴纤维复合材料,受拉区粘贴钢板等。

如果是超筋梁,说明原构件截面不足,在受拉区进行加筋补强不起作用,因此必须采用增大截面加固法或增设支点加固法,而不能采取粘贴类的加固方法。

如果是适筋梁,选择加固方法的余地较大,但当采用在受拉区增加钢筋的方法加固,或采用受拉区粘贴方法加固时,注意加固后应不致成为超筋梁。

(b)斜截面加固

当原梁配箍数量较多,或梁的截面尺寸不符合条件时,再增加腹筋则不能充分发挥作用,即梁剪坏时附加箍筋的应力达不到屈服强度,此时,只能采取增大截面法进行加固(对于薄腹梁等斜裂缝开展较大的构件,梁的截面尺寸应从严控制,即要求)。

当原梁配置箍筋较少,小于最小配筋率时,梁一旦出现斜裂缝,箍筋马上达到屈服,出现斜拉破坏。对于这类构件,应采取增加箍筋类加固方法,如增加箍筋、粘贴钢板箍、粘贴纤维复合材料箍等。

当配箍率在上下限之间偏于下限时,应优先采用增配腹筋类的方法加固,当配箍率偏于上限时,宜以增大截面加固方法为主,同时加配一定数量的箍筋。

按照以上理论,外粘贴加固法是不能无限提高构件承载力的。因为外粘贴加固法是在原构件基础上进行的,原结构的截面尺寸、配筋、混凝土强度等级限制了发挥作用的程度。

以简支梁抗弯加固为例:一bxh矩形截面梁,配有受拉钢筋As,受压钢筋As’。按照《混凝土结构设计规范 GB50010-2002》,在截面和受压钢筋一定的情况下,随着增加受拉钢筋,构件受压区高度不断增加,但最大不允许超过ξbh0(ξb:所相对界限受压区高度);所以该构件能承受的最大计算弯矩是不大于Mb 的。[Mb=fcbξbh0(h0-0.5ξb)+fy'As’(h0-as')]假设构件加固前所能承受的弯矩为M0,用外粘贴加固所能补充的最大弯矩Mj是可以事先计算出的,即Mj=Mb-M0 。也就是说如果Mb与M0差值较小,外粘贴抗弯加固的作用是有限的,粘贴更多的钢板或纤维复合材料也不能提高抗弯能力,而只能导致规范不允许的超筋截面。

以简支梁抗剪加固为例:一承受均布荷载bxh矩形截面梁,h/b<4,箍筋Asv,间距s。按照《混凝土结构设计规范 GB50010-2002》,该梁允许承受的最大剪力Vmax=0.25fcbh0,该梁加固前所承受的剪力V0=0.07ftbh0+1.25fyvh0Asv/s。所以用外粘贴加固所能补充的最大剪力Vj也可以事先计算出来,即Vj=Vmax-V0 。也就是说如果Vmax与V0差值较小,外粘贴抗剪加固的作用也是有限的。

当然,如果与其他加固方法结合采用,如增大截面、受压区加固,还能在更大程度上提高承载力。

3.柱类构件加固方法的选择

钢筋混凝土柱的破坏形态可分为受压破坏(包括轴心受压柱和小偏心受压柱)和受拉破坏(大偏心受压柱)两大类。除大偏心受压柱具有明显的外观表现之外,轴心受压柱和小偏心受压柱的破坏预兆不明显,都属于脆性破坏。在实际工程中,若发现柱的受压一侧出现纵向裂缝或保护层剥落,表示柱已临近破坏,应马上设置临时支撑,并尽快采取加固措施。

加固时,首先应判明钢筋混凝土柱的受力特征。如果是大偏心受压,则对柱的受拉一侧进行加固是较为有效的。如果是小偏心受压,则应着重对柱受压较大一侧进行加固。

若须在提高柱子的承载力同时,还须降低柱子的长细比,提高柱子的刚度,此时应采用增大截面法加固,因为其他加固方法不能达到降低长细比、提高刚度的目的,或效果不明显。

若须提高柱子承载力,同时要求构件截面尺寸不能增加很多时,可采用外包型钢加固法。加固后,混凝土柱不仅提高了承载力,由于柱的柱芯混凝土受到型钢套箍和缀板的约束,柱子也提高了延性。

仅局部须加固时,可采用置换混凝土加固法加固。

4.混凝土结构常用加固方法的特点和适用范围

对于混凝土结构,选择哪一种加固方法,应根据被加固的结构在承载力、刚度、裂缝或耐久性等方面的不足,并结合各种可加固方法的特点、适用范围和施工可行性进行选择。如对于裂缝过大而承载力满足要求的构件,采用增加配筋的加固方法是不可取的,有效的方法是采用预应力加固;对于刚度不足的构件,可选择增设支点、或加大截面加固法;而对于构件承载力不足,而配筋已达到超筋时,不能采用在受拉区增加钢筋的方法,首先应先保证满足截面条件。

混凝土结构常用的加固方法的特点和适用范围如下表:

表:混凝土结构常用的加固方法的特点和适用范围

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5.混凝土结构修复加固方法的局限性及相关要求

任何加固方法都有局限性,均有一定的适用范围,超出了适用范围,就会导致不满足使用要求、或加固效果不理想、或存在安全隐患等不良后果。

原混凝土构件的混凝土强度必须达到一定要求,方可保留,然后再考虑加固方法。

增大截面加固法、增设支点加固法等对原混凝土构件截面尺寸无限制要求,但会影响建筑空间的使用,只有当建筑空间不受限制时,方可采用增大截面加固法或增设支点加固法。

外粘型钢加固法使用限制条件较少,但用钢量大。

粘贴钢板和粘贴复合纤维材加固法都对原混凝土构件截面尺寸有一定限制,只有当原截面尺寸满足要求时,方可考虑这两种加固方法的选用。

有机结构胶的不耐高温的缺陷限制了粘贴钢板加固法和粘贴复合纤维材加固法的应用,粘贴类加固方法只能用于环境温度小于70°C的情况

为防止结构加固部位意外失效而导致的坍塌,在使用胶粘剂或掺有聚合物(如改性混凝土、聚合物砂浆等)加固方法时,规范有严格的规定保证结构安全,其实质是要求只有当原结构构件具有承受自重及少量活荷载能力的前提下,方可采用使用胶粘剂或掺有聚合物的加固方法,这是对此类加固方法使用条件的限制。有些工程的加固设计对此重视不足。

6.粘贴碳纤维加固和粘贴钢板加固的互换问题

粘贴碳纤维和粘贴钢板形式、加固机理均较类似,本质上都相当于增加构件配筋,在抗剪、抗弯加固中一般可以互相替换。粗略的做法是:如果碳纤维布抗拉强度设计值取为2000Mpa,钢材(Q235)抗拉强度设计值取为200Mpa,可按照0.1mm厚碳纤维布相当于1mm厚钢板的原则代换。代换时应注意以下几点:

(a)碳纤维和钢材弹性模量基本一致,但碳纤维的抗拉强度是钢材的10倍左右,所以要充分发挥加固材料的强度,粘碳纤维需要加固构件产生更大的变形。也就是说,在小变形情况下,粘碳纤维加固应力滞后效应显著,所以当构件承载力相差较多时,应优先选用粘钢加固,不推荐把粘贴钢板代换为粘贴碳纤维。 (b)、达到同样的抗弯强度值,粘贴钢板截面要大的多,所以粘贴钢板加固提高构件刚度的幅度要超过粘贴碳纤维加固。也就是说,若补充同样的抗弯能力,构件粘钢加固的挠度、裂缝宽度小于粘贴碳纤维加固。

(c)钢板上可以焊接锚筋,也可钻孔设植筋锚固,所以锚固方式较粘碳纤维灵活。

(d)碳纤维轻、薄,粘贴碳纤维施工简便,同样工程量,施工工期短,效率大大高于粘贴钢板加固。

(e)碳纤维和钢材相比,属惰性材料,不锈蚀,也不易被有害介质腐蚀,在恶劣环境下耐久性好。

(f)目前粘贴碳纤维比粘贴钢板造价低,代换时应综合分析其经济性。


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