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      鋼筋混凝土結構加固方法的比較
      發布時間:2014-07-15
      如下原因導致了建筑物不得不進行加固:1)我國是一個多自然災害的國家:地震、風災、水災、火災均造成過嚴重損失,尤其是對建筑物造成過嚴重損失。2)我國在二十世紀五六十年代修建的大批工業廠房、公用建筑和民用建筑,已有數十億平方米進入中老年期,其鑒定維修加固提上議事日程。3) 隨著經濟建設的發展,在新建企業的同時還強調對已有企業的技術改造,在改造中,往往要求對房屋的改造。4) 在設計、施工和管理中存在的問題給建筑物留下了隱患。
        目前較常用的的加固方法有加大截面加固法、置換混凝土加固法、預應力加固發、粘鋼加固法、粘貼纖維加固法等。
        1 加大截面加固法
        加大截面加固法是在鋼筋混凝土構件外部外包混凝土(通常是在鋼筋混凝土受彎構件受壓區增加混凝土現澆層,受拉區增加配筋量) ,增大構件截面積和配筋量,增加截面有效高度,從而提高構件正截面抗彎、斜截面抗剪能力和截面剛度,起到加固補強的作用。在適筋范圍內,由于混凝土受彎構件正截面承載力隨著鋼筋截面積和強度的增大而提高。在原構件正截面配筋率不太高的情況下,增大主筋截面積或強度,增加現澆鋼筋混凝土圍套增大構件截面,通過新加部分和原構件共同工作,可有效地提高原構件正截面抗彎、斜截面抗剪承載力和截面剛度,改善正常使用性能。
        優點: 加大截面加固法施工工藝簡單、適應性強, 柱子鋼度增大,耐久性強, 維護費用低,并具有成熟的設計和施工經驗; 適用于梁、板、柱、墻等構件和一般構造物的鋼筋混凝土加固。
        缺點:現場施工的濕作業工作量大,養護時間較長,對生產和生活有一定的影響,而且加固后構件的截面增大,對建筑物的凈空和外觀有不小影響。更為重要的是增加的外包混凝土與原有構件的混凝土材齡相差較大,要解決好新加部分與原有部分混凝土的整體工作共同受力,是一個很復雜的問題,并且受制的因素較多,現階段只能增加有利的構造措施。
        2 置換混凝土加固法
        該法是剔除部分陳舊的混凝土,置換成新的混凝土,新混凝土的強度等級應比原結構、構件提高一級,且不得低于C20級。比較適用于鋼筋混凝土構件的局部加強處理,有時也用于受壓區混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的梁、柱等鋼筋混凝土結構構件的加固。
        優點:與加大截面加固法相近,而且構件加固后不影響結構原先的凈空,能恢復結構原先的外觀。
        缺點:同樣存在施工的濕作業時間長、養護時間較長的缺點,而且剔除陳舊混凝土的工作量大,容易傷及原構件的鋼筋,所以在施工過程中對原構件可能造成的屈服、疲勞、失穩等破壞狀態要進行全面嚴密的評估。
        3 預應力加固法
        鋼筋混凝土受彎構件,上緣受壓,下緣受拉。由于預應力水平拉桿的預應力和新增外部荷載的共同作用,拉桿內產生軸向拉力。該力通過拉桿錨固端偏心地傳遞到原構件上,在原構件中產生偏心受壓作用(此時該作用力在原構件上的基本形態成下緣受壓、上緣受拉趨勢) 。該作用克服了部分外荷載產生的彎矩,減少了外荷載效應,從而提高了構件的抗彎能力。同時,由于拉桿傳給構件的壓力作用,構件裂縫發展得以緩解、控制、斜截面抗剪承載力也隨之提高。值得重視的是由于水平拉桿的作用,原構件的截面應力特征由受彎變成了偏心受壓,所以加固后構件的承載力主要取決于原構件在壓彎狀態下的承載力。  預應力筋的張拉有三種方法:千斤頂張拉法、橫向收緊法和豎向張法。預應力筋的錨固有四種方法:U 型鋼板錨固、高強螺栓錨固、扁擔或錨固、套箍錨固法。
        優點:改變了原結構內力分布,降低原構件的應力水平,消除新加桿件與原來構件的應力應變滯后現象,能較大幅度地提高結構整體承載力。
        缺點:加固后對原結構外觀有一定影響,對環境溫度有一定要求,在生產性熱源且原結構表面溫度經常大于600℃的環境中使用時,其防護處理較困難,造價較高,另外對于混凝土收縮變大的結構,造成后加部分的預應力損失較大,故不宜采用。
        4 粘鋼加固
        粘鋼法原理與鋼筋混凝土結構中的鋼筋與混凝土之間的關系一樣,是在鋼筋混凝土受彎構件承載力不足區段(正截面受拉區、正截面受壓區或斜截面)表面用特制的建筑結構膠粘貼鋼板,使其整體工作共同受力,以提高結構構件承載力的一種加固方法。該方法的實質是一種體外配筋,提高原構件的配筋量,從而相應提高構件的剛度、抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等方面的性能,適用于承受靜力作用且處于正常濕度環境中的受彎或受拉構件的加固。
        粘鋼后截面受彎承載力計算, 可根據現行國家標準《混凝土結構加固技術規范》的相關規定進行, 其受壓區高度可按下式計算:
        f yoAso fayAa - f′yoA′so = fcmoboX
        式中: f yo —原構件縱向鋼筋抗拉強度設計值;
        Aso —原構件縱向受拉鋼筋截面面積;
        fay —加固鋼板抗拉強度設計值;
        Aa —加固鋼板截面截面積;
        f′yo—原構件縱向鋼筋抗壓強度設計值;
        A′so —原構件縱向受壓鋼筋截面面積;
        fcmo —原構件混凝土彎曲抗壓強度設計值;
        bo —原構件的寬度;
        X —混凝土受壓區高度。
        當構件斜截面受剪承載力不足時,此時斜截面受剪承載力按下式計算:
        V≤Vo 2fayAalLu /S
        同時,必須滿足以下條件:
        Lu /S≥1.5
        式中:V —斜截面剪力設計值;
        Vo —原構件斜截面受剪承載力設計值;
        Aal —單肢箍板截面面積;
        Lu —單肢箍板的梁側混凝土的粘結長度;
        S —箍板軸線間距。
        優點:該方法施工方便快捷,現場無濕作業或僅有抹灰等少量濕作業,對結構的外形、凈空等影響較小,在施工過程中對生產和生活無顯著影響。與其他加固方法比較, 粘鋼加固施工干凈利落, 比較簡便, 現場無濕作業。完成加固后的結構外觀不改變, 比較輕巧, 結構自重增加極微, 不會導致建筑物內其他構建的連鎖加固。因此在房屋建筑領域和公路橋梁領域中都得到了普遍采用。
        缺點:該法加固對結構膠的要求較高,結構膠必須是強度高、粘結力強、耐老化、彈性模量高、線膨脹系數小、具有一定彈性,其加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平,所以在設計施工過程中必須要非常慎重。
        5 粘貼纖維加固法
        外貼纖維加固是用特制膠結材料把纖維增強復合材料貼于被加固構件的相應區域,使它與被加固構件截面共同工作,達到提高構件承載能力的目的。
        工程實踐和試驗研究表明:采用碳纖維對鋼筋混凝土柱進行抗震加固,可以有效約束混凝土的變形,增強耗能能力,從而使其承載能力及延性能力有很大的提高,可取得良好的抗震加固效果。碳纖維片材由于其強度高,彈性模量大,用于橫向包裹鋼筋混凝土柱時,可以有效提高柱的承載能力和延性性能,其作用機理體現在兩個方面:
        一方面,碳纖維片材橫向包裹,其作用類似受剪鋼筋,協同鋼筋承受剪力。由于碳
        纖維的抗拉強度遠遠大于鋼筋的抗拉強度,相當于配筋率大大提高,使其抗剪承載力得以顯著提高,斜裂縫出現以后構件的變形性能也得以明顯改善。
      另一方面,橫向包裹碳纖維,還會對其內部的混凝土起到有效的約束作用,當受壓區混凝土達到峰值應力后,具橫向膨脹變形急劇增大,碳纖維環向應變顯著增大,環向約束力增大,這就使得混凝土應力—應變曲線的下降變得平緩,極限壓應變得以提高,因而推遲了受壓區混凝土的破壞過程,充分發揮了縱向鋼筋的塑性變形性能,顯著改善構件的延性。
        試驗研究資料表明,在反復循環荷載作用下,碳纖維片材包裹加固鋼筋混凝土柱比未用碳纖維加固鋼筋混凝土柱的滯回特性和延性有顯著的提高改善,捏狀現象緩滯,滯回環也變得越來越飽滿,具抗震耗能能力明顯增強。
        我國從1997年開始對碳纖維復合材料加固鋼筋混凝土結構的技術進行研究,如今被用于房建、橋梁等多種鋼筋混凝土結構構件的加固,未來這種粘碳纖維復合材料的加固方法將會被更加普遍的采用。
        優點:高強高效,施工方便快捷,施工工期短,不需要大型施工機械,操作簡單,具有極佳的耐腐蝕性和耐久性,適用面廣,施工質量容易保證,對結構的凈空、外觀等影響小。
        缺點:彈性模量小,對于需要加固剛度的構件來說不太適用,耐火性與耐高溫性能差,一般的環氧樹脂在100攝氏度時力學性能會受到較大影響,只有特殊的環氧樹脂可以在200攝氏度的高溫下正常工作,延性不足,構件變形過大時會引起碳纖維的脆性斷裂,導致結構的脆性破壞,對于需要較大變形或對抗震要求比較高的結構來說,這一點是十分不利的。
        6 結論
        對于需要加固的建筑物,其加固方案的制定尤為重要,應根據建筑物的不同情況制定不同的加固方案。方案的確定要遵循安全、經濟、快捷、施工方便可行、且施工質量可以得到保證的原則。只有這樣加固工程才能收到良好的社會效益和經濟效益。每種加固方法都有它自己的優缺點,根據不同工點的需求,確定出最經濟實用、安全美觀的加固方法。

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