对钢筋混凝土结构加固技术的研究

2011-08-15李树兵

河北建筑工程学院学报 2011年2期

李树兵

(中房集团张家口房地产开发公司,河北张家口075000)

1 引言

钢筋混凝土结构受到混凝土碳化、钢筋锈蚀两个因素的严格制约,在一般环境条件下,普通混凝土的碳化深度在一定时期后就会透过15 mm～25 mm的保护层,导致钢筋锈蚀,使结构丧失承载力、服务期终止.对于施工质量没有得到保证、环境恶劣的工程,其服务寿命就更短.由于长期以来人们对混凝土碳化、钢筋锈蚀影响混凝耐久性的问题关注和研究不够,致使大量整浇钢筋混凝土结构工程提前进入危险期.

据统计,我国已拥有百亿平方米以上的在用工程,其中50%左右敲起了等待加固的警钟.至于起步早的西方发达国家,其加固工程比重就更大.因而钢筋混凝土结构工作的加固设计与施工工作成了当前工程界的一项中心任务,对此要求工程界提供操作简便易行、适应面最广、经济代价低的整浇钢筋混凝土框(刚)架结构的加固方法.

2 加固方法介绍

现行钢筋混凝土结构加固技术分为传统技术和先进技术两大类,已广泛应用于工程加固实践中.

2.1 传统加固技术方法

可以归纳为以下5种.(1)加大截面法.(2)外包钢法.(3)预应力法.(4)改变传力途径法.(5)加强整体刚度法.

这些都是经过长期实践检验可靠性比较高的方法,已收入国家标准《混凝土结构加固技术》.不仅有比较充分的理论依据,规范还提供了详细的计算公式.在加固设计与施工中,应该已是有法可依,有章可循了.原则上属于强制执行范畴.

2.2 先进加固技术方法

可以归纳为以下3种.(1)粘钢法.(2)碳纤维布加固法.(3)粘贴玻璃钢复合料板材加固法.

由于其科技含量高,技术先进,近几年来在国内外发展迅速,为工程界所关注,并已广泛用于工程实践中.

2.3 加固技术方法介绍

对以上多种混凝土结构加固技术来说,每一种技术都有其优缺点和适用性.而对于每一项须加固的工程对象来说,又都有其独特个性和不同的要求.具体选择哪种加固技术,应按彼此适应的原则.现列举各种加固技术的优缺点及其适用范围如下.

2.3.1 加大截面法

加大截面法有单面加大、双面加大、或四面加大三种情况,目的是将原有受力断面扩大.目前受施工工艺限制,最小加大厚度按规范要求不小于60 mm,但实际施工中往往采用不小于100 mm的最小限额值.其最大优点是概念清楚、计算公式详尽.但其缺点也很多,有以下几点.

(1)断面积扩大后,刚度变化太大,设原有断面为400 mm×600 mm,四面扩大断面后成600 mm×800 mm,面积扩大到2倍,惯矩却扩大到3.6倍.构件断面积和刚度在加固前后有如此大的变化,不仅是有碍观感和使用,在整个结构体系中产生的副作用也是惊人的.

(2)对于轴心受压构件来说,也许新旧断面之间的协同工作条件还较满足.对于偏压、压弯、弯扭、扭剪等复杂受力情况来说,能否协同受力是很值得怀疑的.比如在平截面受弯条件下,首先受力的是外层钢筋,只有在外层钢筋屈伏以后,远远“退居第二线”的内层钢筋才受力.照这样就有了各个受力物体被击破或遭到连续破坏的危险.假如在加固设计时就放弃原有钢筋,使之退出工作,又未免过于浪费.

(3)从钢筋锚固焊接到薄层混凝土的浇筑养护,施工难度是很大的.尤其是最需要加固的梁柱节点却很难得到加固和改善,这是一大遗憾.(4)扩大断面法用于梁的加固,其最大难点是施工(基准)温度的控制和钢筋内初应力的消除.

2.3.2 外包钢套法

外包钢套法分干法与湿法,其最大优点与扩大断面法相似,其最大的缺点是施工难度大.对于干法来说,由于加固断面的施工误差不可避免,很难保证钢套与混凝土表面密贴,协同工作.对于湿法来说,要指望夹垫的胶泥层和原本存在强度不够、质地不匀或早已碳化的旧混凝土表层来传递粘着力和剪力,以满足外套与原构件协同工作的要求,显然是不切实际的.关键的问题还是外包钢套法对于梁柱节点加固实在无能为力,因为框架柱往往存在上下层变断面的情况,再加上施工中的上下柱错位和误差等实际问题,使外包钢套很难上下准确衔接与上下贯通,节点处箍筋也无法追补和交圈.若无视这些情况,进行节点加固,只能算敷衍了事.

2.3.3 预应力法

预应力法的最大优点是便于使有较大跨度和较大荷载且已出现较大变形(挠度)后的钢筋混凝土梁或桁架恢复承载能力.这种方法在早年工业建筑中用得较多.其最大缺点是施工工艺复杂,维护困难,耐久性差,而且还占有一定空间,影响外观与使用,现已不受欢迎.

2.3.4 改变结构传力路径法

改变结构传力路径法是彻底改变结构内力的计算图形.比如在梁的跨中增设支点,在梁的两端支座处增加牛腿或梁胁,以缩小梁的计算跨度,减小梁内弯曲应力;或在柱脚增设柱墩,在柱顶增加牛腿或角撑,以压缩柱(刚架)的计算高度,卸减柱内弯矩和剪力.这是一种有效的加固方法,但一般要涉及建筑平面和使用功能的改变,这是其缺点.

2.3.5 粘钢法

用结构胶在被加固构件表面粘贴4 mm～6 mm厚的钢板进行结构加固,增加的构件自重很小,扩大构件断面很小,也不占用空间,是当前最受工程界青睐的一种混凝土结构加固方法.但也有以下缺点.

(1)技术要求高,施工操作程序较复杂.掌握不好的话,质量难保证,可靠性也不高.

(2)耐高低温、耐湿、耐腐蚀等性能是否可靠尚未经实践考验,耐久性也没有保证.据现有资料反映,结构胶的最长耐久年限是30年,对于旧房加固来说,这个年限也许已够,但对于施工事故处理中新结构加固来说,这个年限显然不够,何况市场供应胶的实际耐久年限还是未知数.

(3)依靠被加固的不可靠的混凝土表面来传递剪力以达到协同工作进行加固的目的,是值得怀疑的.其破损机理是最危险的剪切脆性破坏,是值得警惕的.

2.3.6 碳纤维加固法

与粘钢法相比,这是一种科技含量更高更先进的加固技术.往往因其质轻高强的惊人物理特性而深受人们欢迎.此法与粘钢法一样,也存在同样的缺点,甚至更严重.现列举如下.

(1)由于其强度更高,脆性破坏的危险性更大.

(2)受变形协调原理制约,碳纤维的变形须与构件内原有钢筋的变形协调,因而其强度高的特性并不能得到充分发挥,使其有效利用率实际很低.

2.3.7 玻璃钢(纤维加强塑料)板加固法

外粘玻璃钢加固法是在粘钢加固法基础上发展起来的新方法.因为没有钢板锈蚀的问题,耐久性能较好,加固效果也不错,有其一定的优势.目前还在开发、研究阶段.

以上列举的多种加固方法各有其优缺点和适用范围.如何选择混凝土结构的加固方法,应该兼顾安全耐久和经济适用两个原则.

3 工程实例

某框架工程结构加固方案论证.

3.1 钢筋混凝土柱加固

在该建筑物中,经用扩大断面法加固的钢筋混凝土柱共73根,柱原有断面分φ 1000 mm、φ 1100 mm,2种情况,以φ 1100 mm的占多数.原先设计要求扩大的尺寸(半径)控制为75 mm,因施工困难,实际控制量不大于l00 mm.而且有些柱是下层柱加固,上层柱不加固;有些柱是上层加固,下层不加固;有些则是中间层加固,上、下层均不加固.因此往往使柱身成为上头大、下头小,或中间大、两头小的反常现象.

这种加固方法的最大问题是使整个结构体系的刚度分布情况发生巨变,极不均匀.比如A座塔楼的首层共有21根柱,只有3根角柱不用加固.这些柱原设计断面为φ 1l00 mm.而地下室则只有二根柱需要进行加固,其原设计断面也为φ 1100 mm.加固后的柱断面骤增了40%,刚度骤增了95%,上大下小或中间大、两头小的刚度变化如此之大,对于结构体系的抗风和抗地震来说,显然是极为不利的.另一个问题是对于遗漏箍筋、混凝土存在蜂窝狗洞、强度最低的最需要加固的节点来说,并没有得到加固.从加固节点图就可发现以下问题:由于上下柱断面的变更,又因为施工中普遍存在的上下柱错位等情况,使新增主筋不能准确地与旧筋衔接,上下贯通,妥善锚固;节点箍筋更不能交圈封闭,以起到约束节点核心混凝土的作用.

3.2 梁加固

该建筑物中经加固处理的框架梁共86根,地下室顶板梁115根.多数框架梁是被认为面筋(节点附筋)不足而被补筋加固的,少数框架梁则是底筋面筋均作了补筋加固.所有地下室梁都作了底筋和面筋的全面补足加固,而且补筋量都是上、下各4φ 25.

对于梁的加固采用扩大断面补筋法,必然使旧梁机体受到较大损伤.因为施工时不仅要将全部的主筋保护层打掉,而且还要将全部新增钢筋与旧筋焊连,致使旧筋在焊接高温影响下产生初应力.这一结果破坏了旧筋与混凝土之间的粘着力.这一方法最大的缺点还在于增补的钢筋不能妥善锚进节点.对于只因温度应力而引起裂缝的屋面梁和地下室顶板梁来说,本来并不需要增补钢筋,采用补筋加固很可能是得不偿失.

3.3 板加固

工程人员对面积45000 m2的楼屋面板进行了全面加固,加固办法是以叠合梁理论为基础的.具体做法是将原有混凝土板面打毛清洗后,铺满φ 6@200的钢筋网,浇注50 mm厚的细石混凝土.这个办法自然满足了板厚和板的跨中抗弯要求,但因梁顶板支座处不配置抗负弯矩的压筋,忽略了这一最薄弱的环节,很可能起不到加固板的效果.

在加固过程中,框架柱错位与偏斜问题未得到处理,这也是一隐患.

根据以上分析,认为全部加固工程付出了高昂的代价,但其加固效果是值得怀疑的.