混凝土结构加固设计及加固方法

胡建强

（立诚建筑设计院有限公司，苏州 215200）

50年来，我们的国家结构的检测与加固技术经历了从无到有、从单一到综合、从局部构件到整体结构的发展过程。尤其是最近20多年来，我国结构检测加固的发展非常迅猛，检测加固的对象从初始阶段的低层、破旧的小型民用建筑扩展到建设工程中的各种结构型式和结构类型。结构检测与加固技术的发展和应用，在提高建设项目质量方面发挥了重要作用，同时，也为国家和企业节省了大量建设资金，并保障了企业的安全高效生产和人民群众的生命财产安全。

1 钢筋混凝土加固中的技术

钢筋混凝土结构作为一种广泛使用于建筑工程的结构类型，由于其自身特点，以及设计施工中遇到的问题，使得其往往存在各种缺点和不足。一方面，为了节省资金，提高建筑的使用年限，同时保证结构的安全性，需要对老旧建筑进行检测加固。另一方面，由于设计施工的不合理，使得工程结构质量在没有达到预期值等情况下都需要在施工过程中或后期使用过程中对建筑采取加固措施。钢筋混凝土加固问题既是国内外一个长久的热点问题，也是一个令很多设计施工人员头痛的问题。如何根据现实情况，采取有效措施，优质高效地完成加固作业，是摆放在每个建筑工作者面前的一个重要问题，需要我们进行积极的探索和研究。钢筋混凝土结构检测加固问题是一项实践性和经验性很强的问题，需要广大建筑工业人员不但要了解现行规章制度，还应对以往类似工程的实施情况有所了解，如此才能不断提高检测加固作业设计施工的水平。

目前在实际工程中应用较广的几种钢筋混凝土结构加固方法主要有10来种，包括增大截面法、纤维材料加固法、外包钢法、改变结构受力体系法、预应力加固法、化学灌浆法、粘钢法等。这些方案能够得到广泛应用，必然有其原因。在实际工程应用中，我们应当紧密结合工程实际，在熟练掌握每种加固方法优缺点和适用范围的基础上，选择适合工程对象的最优方法和技术。下文以钢筋混凝土柱外包粘钢加固技术和碳纤维加固技术为例，对其特点和使用方法、适用范围进行介绍。

1.1 钢筋混凝土柱外包粘钢加固技术

在建筑工程历史上，混凝土结构加固技术是一门新兴的学科。几年来，随着建筑行业的发展，混凝土结构实验工作一直在开展，理论分析也逐渐完善，规范编制更为合理，结构加固技术的运用也更加普遍。其中，粘钢加固法是比较新颖的一种加固方法。它的原理是：在梁柱四周，用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法实现加固的目的。这种方法可以提高结构承载力，而且简单，快速，不影响结构外形，降低了施工对生产和生活的影响。外包粘钢加固技术有2种形式：干式外包钢和湿式外包钢。下面简要分析一下2种方法。

1.1.1 干式外包钢加固的概念及原理

干式外包钢加固是指钢筋混凝土柱采用外包型钢加固，当型钢和混凝土之间无任何连接，或虽填塞水泥砂浆但仍不能确保结合面剪力可靠传递时，称为干式外包钢。其加固原理是利用型钢与扁钢箍形成钢构套，钢构套对混凝土柱形成包裹约束，达到增强钢筋混凝土柱构件轴向承载力的一种加固方法，以达到构件满足承载力要求的一种补强加固方法。干式外包钢加固技术是一种比较传统的技术，并不是新兴的，通过实践我们不难发现，这种方法提高了钢筋混凝土柱的轴向抗压能力，但是具有局限性。

1.1.2 湿式外包钢加固的概念及原理

湿式外包钢加固是指钢筋混凝土柱采用外粘型钢加固，即型钢和混凝土之间通过结构胶粘贴连接，能确保结合面剪力可靠传递时，称为湿式外包钢加固。其加固原理是利用型钢与扁钢箍形成钢构套，钢构套对混凝土柱形成包裹约束，达到增强钢筋混凝土柱构件轴向承载力的目的。另外通过结构胶的剪力传递作用，外加钢材的强度又能补足混凝土构件内部受拉钢筋的缺失。从而达到构件满足承载力要求的一种补强加固方法。湿式外包钢加固不但能通过钢构套的约束作用，提高构件垂直承载力，还能通过结构胶的剪力传递作用，使后加型钢与原混凝土构件共同受力，从而补强混凝土构件内部配筋不足、抵抗水平荷载等。

1.1.3 两种加固形式的区别

从二者加固的原理我们可以看出，干式外包钢施工程序更为简单，而湿式外包钢承载力大，整体工作性能强。在实际的施工中，根据具体情况选择合适的方法才是最重要的。例如：加固混凝土框架柱，选用外包钢加固法是最明智的。因为施工基本上对加固构件的截面尺寸和外观影响不大，承载能力要求较高，对静力加固的结构必须考虑结构2次受力问题。在外包钢加固法中，低强钢材是首选材料。这种材料可以减少加固构件的应力和应变滞后现象而充分发挥后加部分的潜力，同时可以提高2次结合面的粘结性，保障新旧部分均匀受力。另外，加固结构中的水泥和混凝土，一定要收缩性差，最好具有微膨胀的特点，这样提高了与原结构的粘结性。最后，加固中的粘结剂，粘结强度一定要高，而且要耐老化，这样才能达到修复加固的目的。

1.2 钢筋混凝土碳纤维加固技术

1.2.1 碳纤维简介

碳纤维是一种综合了碳和纤维特征的新型材料，它不仅具有传统碳材料高强等优点，还具备纤维材料柔软性好，加工性能良好的优点。碳纤维材料力学性能和工程性能俱佳，与目前广泛应用的钢材相比，其比重不足钢的四分之一，但抗拉强度却能达到钢材的7至9倍，是一种具有广泛应用前景的新型复合材料。可以预见，碳纤维材料必将在工程结构加固中得到广泛应用，发挥出越来越大的作用。

除轻质高强外，碳纤维材料还具有抗腐蚀、耐疲劳，温度稳定性高等优点，因而非常适用于土木工程结构。

目前在工程结构加固中应用较广的碳纤维材料主要是碳纤维布。利用结构专用胶将碳纤维布粘贴在待加固结构或构件的表面，可以有效提高传统技术中所用钢材的强度，而厚度却仅有2mm左右，基本可以忽略，不会造成构件截面积的增大。

1.2.2 碳纤维材料和其他加固材料的区别

碳纤维材料以其优异的性能逐渐应用到建筑工程中，同其他加固材料相比，具有以下特点：

1）抗拉强度强：试验表面碳纤维材料的抗拉强度可达到钢材的7～9倍，甚至10倍。

2）弹性模量：相比于钢材，碳纤维复合材料的拉伸弹性模量较强。但也并不是说所有的复合材料均如此，如芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量仅为钢材的1/4～1/2。

3）抗疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的抗疲劳强度高于高强纲丝。虽然金属的硬度高，但由于是脆性材料，其疲劳强度极限并不是特别高，往往仅能达到静荷强度的3～4成。而在金属基体中掺入纤维后，可延缓内部裂纹的扩展，并进行内力重分布，从而可有效提高材料的抗疲劳性能。一般来说，复合材料的疲劳强度极限可达到静荷强度的7～8成。除此之外，由于复合材料的延性较好，发生破坏前会产生较明显的变形，可为相关人员的预防和勘察提供线索，也能减轻损失的后果。

4）与碳纤维板的比较：碳纤维片材粘结度高，可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材则适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材强。

1.2.3 碳纤维加固的工具

工具是建筑工程中不可缺少的，各种技术不同，采用的工具也是不同的。在碳纤维加固技术中，所使用的工具包括：基底处理工具，粘贴碳纤维，检测类工具，修补类工具，劳保类用品。

其中，基底处理工具主要是指用于打磨混凝土表面的磨机、用于剔凿混凝土表面松散部位的混凝土残渣的錾子和用于清除混凝土表面的不洁污渍的钢丝刷；粘贴碳纤维工具是指用于调和环氧树脂的调料容器、用于称量材料各组分的重量的衡器、用于搅拌混合树脂材料的搅拌器，用于修补凹凸不平及粘贴碳纤维抚平的刮板、用于涂刷树脂的滚筒刷和用于碳纤维的脱泡和压紧的罗拉。作为建筑人员，明确工具用途，选择合适的工具也是搞好建筑工作的前提。

2 结构加固的展望

结构加固的技术需要进一步发展。新材料的开发是推动结构加固技术发展的原动力。过去的经验告诉我们，测试技术的发展取决于测试仪器的发展，加固技术的发展依赖于新材料的开发。通过重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温的新型材料产生的施工方便、加固效果好的加固方法可以有效推动加固技术的发展。

加固技术发展的另一个方面体现在加固理论的改进上。目前的结构加固工作基本上是针对结构和构件的承载力不足而实施，缺乏对于结构整体的把握，从而导致有时加固效果会适得其反。如对结构某一层的加固，会加大该层的刚度，造成相邻楼层的刚度差异，不利于结构抗震而对梁、柱的补强，与抗震概念设计中“强柱弱梁”的思想有悖。这些问题的产生，都与只重视局部，缺乏对结构整体的考量有关，需要提高加固理论才能够得到解决。

加固施工技术的先进性和科学性、施工机具的先进性也是结构加固技术提高的重要表现，但是却没有受到应有的重视，尚缺乏足够的研究，这一方面以后需要加强。

3 结 语

钢筋混凝土结构加固方案的选择要具有针对性，不同的工程结构都有其自身特点，需要结合这些特点，综合考虑性价比、性能比和质量比以及施工技术的科学性、先进性和实施的难易程度进行加固措施的比选，只要这几个方面都做好了，才能算得上是优秀的加固方案，才能取得经济社会效益的最大化。笔者认为，化学补强法作为目前结构加固工程中最先进的方法之一，在实际工程中可优先考虑。因为传统的加固方法对人力、物力和时间的要求高，往往无法在工程质量、施工周期、安全性和经济性这几个指标中找到合适的平衡点，而化学补强法则能较好地解决这一问题，显现出其明显的优势，因而往往成为工程加固中的优选方案。当然，随着建筑科技的不断发展进步，新型建材的日益涌现，更好、更新的建筑加固方法、科技和材料也必将会被相继开发出来，到时广大建筑人员将会有更多的选择余地。只有牢牢掌握结构加固设计的原则，才能设计出最优的加固方案。

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