混凝土结构工程加固设计及施工方案探究

2023-08-31王选云

大众标准化 2023年15期

王选云

（甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃兰州 730020）

因为结构的功能发生了改变，例如接建、加层、荷载加大等，或质量出现问题，例如需修补、混凝土本身质量不过关，或配筋不足等，都要做加固处理。加固项目全过程中设计以及制定方案等方面更为重要，而对于必须要进行加固的结构，则应依据不同的结构形式以及不同的缺陷，应该采用相应的加固对策。所以，在对凝土结构工程加固时，必须要掌握经济、安全以及适用的根本原则，根据实际施工标准，选择可以提高经济效益以及社会效益的科学方案。

1 混凝土结构加固在工程实际中的重要性分析

在工程实际过程中，依据混凝土结构建模计算做加固设计，其关键目的是要调整或提高结构整体刚度，或提高单个构件的承载能力，保证其稳定性良好，并使其安全性满足现行规范规程的要求。近几年来，建筑行业飞速发展的背景下，施工技术在不断创新，各类先进的材料以及工艺为混凝土结构的加固设计打下了良好的基础，在相关人员设计加固方案过程中，不但要重视方案的整体性能以及性价比，还要充分体现工艺的先进性、科学性以及可行性。

1.1 提升建筑物的抗震能力

近年来建设建筑的质量标准在不断严格化，更加注重房屋的抗震作用。为了能够预防地质以及自然的恶劣条件损坏到结构造成的损害，以及规范、规程的不断迭代，为使既有建筑满足现在的抗震要求，抗震加固是不可或缺的。

1.2 保证建筑物的使用寿命

设计人员在工程设计初期就已保证了建筑的使用寿命，普遍民用建筑设计使用寿命为50年。但建筑的实际运用寿命主要是看其结构是否安全判定的，因为建筑是被长期暴露在外部环境中的，所以会被较多因素侵蚀。普遍情况下，若建筑主体结构未产生破坏或变形，是可以继续使用的，但部分建筑由于偶然作用，或者超出设计预期的外在影响，导致无法达到原设计的使用寿命，此时对建筑的加固也是必要的。

1.3 既有建筑的改造

出于经济性以及建筑用地限制，现阶段有很多建设项目是通过对既有建筑物的改造来满足相应的需求，例如加层、扩建、夹层等。此时采用加固改造既有建筑的方案，在经济性、便捷性上明显优于拆除新建及另行修建。

2 建筑混凝土结构工程加固设计原则

2.1 安全性原则

相关人员在进行混凝土结构加固设计过程中，首先必须与工程实际相结合，不违背国家法律法规、规范、规程为原则。即有关工作人员必须要根据混凝土结构特点与建筑实际情况相结合，科学选用加固方式，只有加固方式正确，才可以将原建筑混凝土结构的安全可靠性提高，保证建筑的安全性及抗震性能满足现行规范要求。

2.2 经济性原则

在相关人员对建筑物混凝土结构构筑物进行加固设计时，不可以违背经济性原则。确保所选的加固设计方案能符合建筑物实际，结构加固效果好，且所消耗的成本相对较低，使能够有效控制建筑混凝土结构的加固费用，协助企业最大限度地提高经济效益。

2.3 实用性原则

在对建筑混凝土结构进行加固设计的实际中，实用性原则和操作性原则几乎相同，有关工作人员必须要在提高建筑混凝土结构安全稳定性以及坚固度的基础上，确保加固设计方案其实际发挥的功能，易于施工，并可以在短时间内做好建筑结构加固作业。

3 混凝土结构加固设计施工方案分析

3.1 增大截面法

增大截面法是通过在构件原有截面外层新增一层混凝土，使构件截面积被增大，从而提高结构承载能力的加固方法。此种方法对于加固钢筋混凝土受压以及受弯构件很有效。加大截面法属于传统的加固方法，已被广泛地进行运用。由于该方法对构件刚度影响较大，故在已提高构件承载能力为目的时，仅在构件加固后需提高的承载力大于原承载能力的40%时使用；在大多数情况下，增大截面法更多的是应用于调整房屋整体刚度，已保证房屋在地震作用下的变形协调。由于加固技术在不断发展，施工工艺也在优化，加大截面加固法被不断改进，钢筋混凝土套箍加固技术以及锚喷混凝土加固技术、（如图1）是应用较广泛的技术。

图1 截面加大加固施工

此加固方法的优点是：技术更成熟、适应性更强、操作更简单，刚度更强以及结构承载力更强等，其不但可以适用于普通主体以及墙体的加固，更可以用于加固梁体等混凝土构件。而缺陷在于：湿法过程复杂，进行养护的时间相对较长，容易对生产生活促成影响；对于结构的外部形状，也容易影响到房屋的空间，将实际的使用空间缩小了，而且被预设的钢材腐蚀风险特别高，混凝土产生裂变的可能性大。运用此种方法处理后，结构受力的方向与原来保持水平，不会产生改变，施工技术水平以及材料的性能会影响到对接面的造型处理效果。

此方法在设计造型的具体过程中，必须考虑到原结构与新增部分协作力的综合承重情况，若存在问题，必须要合理进行处理。根据进一步研究发现，在力的作用下加固结构对接面可以产生许多复杂的应力，如剪力、拉力以及压力等，其中前两者属于关键应力。新旧结构其对接面属于受力较弱的环节，当界面产生开裂时就会使对接面出现剥离，各自进行受力，从而使整个结构的刚度与承载力被减弱，加固效果也会相对较差。对结合面的粘性性能的研究，创新理论计算方法，或将成为这种加固方法的新方向。

3.2 外包钢加固法

外包钢加固法是把型钢以及钢板等建筑材料包在钢砼结构表面，利用原构件与其的协同作用，提高构件的承载能力，达到良好的加固效果。对于矩形的截面柱，一般将其四角进行角钢外包，用缀板将其横向焊接为一体；对于圆形的截面柱普遍是采用扁钢加套圈的方式；对于梁加固时可进行角钢外包提高加固效果。

此方法的优点在于：现场实操较少，结构的稳定性很强，但是对消耗钢材的用量是相对较大的。其普遍适用于运用中不允许增加原结构的截面积尺寸，且提高幅度不大于40%的情况。在这类加固构型中，尤其是框架构型，对框架梁柱节点处的处理，相对较复杂，处理难度很大，同时对原结构有一定的破坏。

次方法结构件与外包钢之间一般是通过采用环氧树脂浇灌进行粘接，或者是通过乳胶水泥进行粘接，必须使两者间能够构成一个整体，协同受力，实际上其属于复合加固方式，使两者可以紧密地进行结合。由于此方法可以大大增强结构件的承载力量，所以，能够对负载较大的受压结构进行加固。

3.3 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固技术实际上是通过改性环氧树脂灌注胶等结构胶在混凝土构件较薄的位置粘贴钢板，使混凝土构件能与钢板相互配合进行受力，使之构成整体，对整体结构承重强度进行加固。多被用于钢筋混凝土受拉、受弯以及大偏心受压构件进行加固时运用。

钢板一般是固定在混凝土受拉一侧的表面，使构件的抗变性能以及抗弯承载力都能够得到有效增强，将整体的绕度降低，同时还必须要预防劣化被加深，保证结构能够均衡地进行受力，预防内部应力集中情况发生。此加固法作业简单、工艺简单、空间占用小、加固效果好、硬化时间短、加固费用低、结构外形不受影响等优点，被广泛运用。

此方法的不足之处就是经过加固处理的钢板存在应力滞后的情况，在作业实际中与原有结构的负荷呈正相关；粘结剂质量和耐久性的具体情况会影响到后期的加固效果，影响着施工质量。当前关于结构胶的抗老化周期并没有得到实践的证实，故规范中要求定期对胶粘剂的工作状态进行价差，因此，还需要深入进行观察、研究，另外，粘钢板加固法随型较差对异形结构梁和特殊形状的梁没有任何作用。

此法一般适用于在静力受力状态下所产生的正截面和斜截面分别弯曲和裁剪，以及大偏心受拉和受压结构的加固。需要进行处理的混凝土构件，经测试强度不能小于C15，外观的正拉粘结强度不能低于1.5 MPa。

粘结材料的质量以及施工水平的高低都会影响到此方法的技术效果，所以，在选用这种方法进行加固的实际过程中，需要确保结构后期所处环境温度低于60 ℃，湿度也必须要低于70%；当放射性较强或湿度以及温度较高的不良情况下，混凝土构件必须要运用性能较好的粘接剂，并按照特殊方法施工，提前做好预防措施。

3.4 贴碳纤维加固法

碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，即：CFRP），是近年来的新型复合材料，早期是被航空航天等特殊行业进行运用的。此外，在土木工程行业的研究也获得了突飞猛进的发展。此方法相比于以往的常用加固方法，其加固修复效果俱佳，通过碳纤维材料加固混凝土构件，实际上是在构件外层使用粘合剂粘合相对应的材料，通过两者的协同受力性能，将整体结构的承载能力提高。由于这种片材其质量轻、强度高且耐腐蚀性强，因此，在美、日等国家的运用越来越广泛，而我国在近年来开始研究和应用这一技术，也取得了很大的成就。

碳纤维材料加固法的使用优势突出在两方面：一个是强度高，一个是效果好，施工简单快捷。因为此材料的物理性能较好，在补强加固混凝土构件的实际过程中，可使构件和结构的承重能力获得有效提高，受力特性得到科学改善，从而才能够进行高效补强。通过实验得知，利用此材料进行加固的持久度以及耐腐蚀性较好，能够很大程度缓解建筑物受到酸、碱等腐蚀的严重影响，可以在各类型的建筑结构中进行运用，可以保持结构的原有形状。对于一些隧道结构以及大型壳体等工程，使用传统的加固方法并不会起到明显效果，而使用此先进的加固方式效果明显，且质量也能够控制好。

通过有关研究得知，通过碳纤维加固法，可以将框架结构塑性铰的转动能力进行提高，使结构的抗倒塌性得到提高，较好地提高混凝土结构的抗震性。在对未受损的混凝土框架结构建筑进行加固时，不但能够将其的承重能力进行提高，更加能够科学改善建筑物的结构延性。

在通过碳纤维材料加固混凝土构件的实际过程中，还可以通过相应的辅助粘结材料，把每个片材进行连接，这样就可以提高片材的承压能力，而且还可以和原来的结构协同进行受力。在作业的实际过程中，首先要遵守相关规范的要求，通过极限状态法设计，并以概率理论为依据，测算极限状态下的实际的荷载情况，使结构在此状态下能够保持良好的稳定性。依据平时所积累的实际检测数据，对混凝土和钢筋的实际强度进行测算，同时，将相应材料的强度按照相关标准规范设定为指标；碳纤维材料在极限状态下建立应变后，应通过用线性应力情况明确实际的应变关系；在通过此材料加固结构的实际过程中，首先要考虑清楚处理之后能对结构产生多大影响；当对混凝土构件进行实施加固时，必须先把构件上的活载荷撤掉，若不能清除，就可能存在2次受力情况。在实施板梁结构拉力区加固的具体操作中，材料的排列方向必须要和结构的轴方向垂直，如果抗震加固是选用密闭粘合的方式，也要保证两者的方向是垂直状态。