建筑工程结构加固新方法概述

摘 要：既有混凝土结构受自然环境、使用环境等各种因素的影响,呈现出不同程度的承载力不足、变性过大等缺陷,国内外研究者针对工程结构受损情况提出了不同的维修加固方法.本文基于承载力加固、使用功能加固及耐久性加固等不同的加固性质,概述了各种新型加固方法的特点及工程应用实例,提出了不同加固性质较为理想的加固方法,为工程实际提供参考.

关 键 词：混凝土；建筑结构；新型加固

一、引言

我国建设大致分成三个阶段,即大量新建阶段、新建与维修加固并存阶段以及以加固为主的阶段.许多发达国家已先后步入以加固为主的阶段,我国目前正处设计考虑不周或资料收集不全,施工误差,环境条件等原因往往不能满足结构安全性、适用性及于拆建与维修加固并存阶段,此阶段的特点是,由于耐久性的要求.限于我国目前的国情,要想将这些建筑拆除重建,不仅浪费材料,产生污染,延误时间,而且耗资巨大,为我国的国情和财力所不许.因此,为保证这些建筑物安全使用,就必须对其进行合理的维修加固处理.根据不同的工程结构人们所提出的加固方法不尽相同,如何选择合理的加固方法是加固设计必须考虑的问题.传统的加固方法如增大截面加固、体外预应加固、粘钢加固、粘贴CFRP加固等都有许多研究和应用,但或多或少存在一些缺点或不足.近年来,人们又提出许多新型的加固方法来满足不同的加固需要.本文将从加固性质出发分析讨论这些新型加固方法,以便加固设计人员可以根据不同的加固目的选择更合理的加固方案.

二、各种加固方法的特点及应用

根据加固性质不同,工程结构的加固包括承载力（强度）加固,使用功能（刚度）加固及耐久性加固三个方面.

1.承载力加固

承载力加固是确保结构安全工作的基础.既有或新建的结构由于使用年限过长或设计不合理,施工误差等原因,出现承载力不足,需要对其进行补强加固,以满足使用要求.

广西工学院的陈华等提出了预应力CFRP加固方法.通过预应力CFRP加固钢筋混凝土梁的受弯试验,介绍了实际工程加固的设计计算方法及施工工艺.结果表明,采用预应力CFRP加固钢筋混凝土框架结构能有效地改善梁的承载力.江苏大学的张勤提出了植物增强混凝土（TRC）加固方法.通过对10根梁采用TRC加固的RC梁及2根对比梁进行正截面抗弯性能试验研究和理论分析.结果表明,采用TRC对钢筋混凝土梁进行抗弯加固,可提高梁的抗弯承载力.长春工程学院的潘明远等[5]提出了绕丝加固方法.通过采用200t的压力试验机,对40根绕丝的钢筋混凝土矩形截面柱进行压力实验,研究加固后的钢筋混凝土柱的工作性能,分析柱体在荷载作用下的受力性能,着重分析绕丝法对柱的极限承载力和延性的影响.结果表明,用绕丝加固的柱体可以提高承载能力和减少破坏时纵筋和混凝土的应变,并且提高的幅度随着绕丝间距的减小而增大.湖南大学的曾令宏等[6]提出了复合砂浆钢丝网加固方法.通过对复合砂浆钢丝网加固RC受弯构件正截面抗弯试验的研究表明,该方法可以明显的提高钢筋混凝土结构的抗弯承载力,抗裂性能,但对构件的抗弯刚度提高不太明显.河南理工大学的丁亚红等[7]通过对10根粘贴不同长度和厚度玻璃钢板加固的混凝土梁进行静栽试验研究,探讨了玻璃钢板尺寸对加固混凝土梁加固效果的影响.结果表明,玻璃钢板粘贴尺寸不同,加固混凝土梁的开裂弯矩、极限弯矩、跨中挠度、跨中应变均有较大变化.同济大学的张慎伟等提出了芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的加固方法.通过芳纶纤维加固钢筋混凝土梁和未加固的混凝土参考梁的抗弯性能静载试验研究,分析了芳纶纤维加固钢筋混凝土受弯构件的破坏过程,研究了加固后钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏特征（受力特点及影响因素.结果表明,粘贴芳纶纤维可以明显地增加钢筋混凝土梁的抗弯刚度,有效地提高钢筋混凝土梁的抗弯承载能力和构件的延性.华东交通大学的朱成九等[9]通过建立一个有效、精确的有限元模型,使用ANSYS软件计算CFRP加固间距、层数、柱的截面尺寸及长细比的变化对碳纤维加固钢筋砼柱极限承载力的影响.结果表明,在加固层数相同时,柱的承载力随加固间距的增大而减小；应力随着CFRP布层数的增多而提高,CFRP加固层数较少时应力提高幅度相对较大；柱尺寸的变化对CFRP约束效果的影响较明显,约束后混凝土柱的承载力提高幅度随着尺寸的增大而减小.

用于承载力加固的工程应用很多.金秀县头排镇农贸市场,钢筋混凝土框架结构,由于部分框架梁配筋不足,无法满足其正截面承载力要求,为保证结构安全,必须进行抗弯加固.经研究采用预应力CFRP板对框架粱进行加固.加固后的钢筋混凝土框架使用良好,加固布置见图1.盐城市一栋综合楼由于年代较长等原因,底层框架主梁因承载力不足出现细微裂缝,经研究采用碳纤维织物增强高性能骨料混凝土（砂浆）进行加固,效果良好.江苏省苏南地区一座大桥,于通车2年后发现箱梁裂缝共有362条,除较多的腹板裂缝外,在中跨底板跨中部位还有呈横桥向开展的裂缝,其中最大裂缝宽度达11mm.为此需要对腹板裂缝处进行抗剪加固处理；还需对中跨底板跨中部位进行抗弯加固修复.经研究采用CFRP布对其加固.

2.使用功能加固

使用功能加固是确保结构正常工作的需要.工程结构由于材料老化、负荷加重及功能改变等原因,出现变形过大、承载力不足,需对其进行补强加固,增加截面刚度,确保结构正常工作.

江苏大学的张勤通过对织物增强混凝土（TRC）加固技术研究进展得出,RC构件的受损情况对加固后RC构件的承载力及挠曲变形几乎没有影响,与未受损构件的加固效果相当.RC构件在加固前存在的裂缝在加固后与TRC加固层桥接起来,直到极限状态时,这些裂缝的宽度都几乎不变.加固后,会观察到新的裂缝产生,但裂缝宽度比加固前的裂缝减半并保持小于0.1mm.上海交通大学的王增春等[10]提出了一种针对传统木结构梁在承载力或刚度不足时加固补强的新方法.通过对采用该方法加固的木梁抗弯性能试验和工程应用研究,发现该方法能够较大地提高木梁的抗弯承载力和抗弯刚度.试验结果表明,采用预弯方法对普通木梁施加预应力的技术不仅能够提高梁的受弯承载力,而且能够提高粱的刚度,技术成熟可靠,使用简便,可直接在实际工程中应用.东南大学的吴刚等[11]提出了预应力高强钢丝绳（P-SWR）加固方法.通过对预应力高强钢丝绳在桥梁加固前后的动静载测试数据比较分析,证明了该技术是一种主动高效的加固方法.试验结果表明,预应力高强钢丝绳加固技术相对粘结钢板、CFRP加固、钢丝网-聚合物砂浆加固更有优势,P-SWR加固能同时提高梁的开裂荷载,刚度和极限承载力,且发生受压区混凝土压坏,纵筋屈服,钢丝绳拉断的延性破坏,可以使加固材料强度得到充分发挥,承载力提高幅度显著,且加固后的构件跨中挠度明显减小.武汉大学的卢亦炎等[12]提出了外包钢与碳纤维布复合加固的加固方法.通过对14根被加固钢筋混凝土柱的偏心受压试验,研究了碳纤维布和角钢以及两者复合加固后混凝土柱的破坏特征、受力性能和破坏机理.结果表明：采用外包钢和CFRP复合加固既能大幅度提高构件承载力,又能大幅度提高构件延性,但在构件达到极限承载力时,两种加固材料未能达到极限承载力,其材料性能未能得到充分的发挥.河南理工大学的丁亚红等[13]通过4根梁试件的静力加载试验,对内嵌CFRP筋加固混凝土梁的受力过程、开裂荷载等进行了较为系统的研究.结果表明,内嵌CFRP筋加固混凝土粱没有发生剥离破坏.且能够显著提高被加固粱的极限荷栽,随加固量增加,提高幅度越大,最大可提高81.89%,而对开裂荷载、屈服荷载影响较小；加固梁裂缝间距较小,数量较多,梁破坏时最大裂缝宽度小,梁的挠度变形也相对较小.用于使用功能加固的工程应用也很多.盐城市射阳县一学校活动中心,两层框架结构,由于建筑使用功能的改变（在原建筑上加盖一层,用作室内篮球比赛场地）增加了使用荷载,导致原屋面现浇板承载力不足,经研究采用碳纤维织物增强高性能细骨料混凝土（砂浆）薄板对原钢筋混凝土屋面进行加固.上海一仓库,混凝土柱支撑三角形木桁架结构,因时间久远桁架出现较大的挠度,最大达22cm,为了提高桁架结构的刚度,经研究决定对桁架采取预弯预应力CFRP加固进行处理.杭甬高速公路8m简支板梁桥,在铰缝损坏的情况下,既有纵向受拉纵筋对应的极限承载力已远低于其实际承受的荷载值,不能满足安全系数的要求,需进行加固.而目前现有的加固方法无法满足要求,经研究采用主动高效的预应力高强钢丝绳加固技术,加固布置见图2.

3.耐久性加固

耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强,提高结构的可靠性,提高结构的使用功能,延长结构使用寿命.建筑结构由于出现裂缝,钢筋锈蚀等需要对结构损伤部位进行修复、补强和加固,以阻止结构损伤部分的性能继续恶化,消除损伤隐患,延长结构使用寿命.

美国密歇根大学的V.C.Li[14]提出了PVA-ECC加固方法.通过对早高强ECC耐久性修复―材料性能的研究得出,PVA纤维有助于提高混凝土的密实度,降低混凝土的渗透性,提高混凝土的耐久性.但该方法对混凝土的抗压强度有一定程度的降低.中国京冶工程技术有限公司的丁一等[15]在ECC材料的研究进展与应用中发现,ECC是一种经细观力学设计的先进材料,具有应变一硬化特性.在纤维体积掺量小于2%的情况下,其极限拉应变通常在3%-7%的范围内.ECC具有多缝稳态开裂的特点,在安全性、耐久性、适用性等方面有着优异的性能,可以很好地解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种缺陷.在水泥基制品开发、桥梁道路施工、结构加固补强等领域有着广阔的应用前景.河南理工大学的丁亚红[16]等通过对7根内嵌预应力螺旋肋钢丝加固的混凝土梁进行静力加载,并与非预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁抗弯性能进行比较,结果表明,内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁不仅具有减小或闭合既有构件的裂缝,减小构件的挠度变形,有效地提高被加固梁的开裂荷载、屈服荷载、最大承载力；能有效延迟裂缝的开展,限制裂缝的宽度,提高梁的抗变形能力,改善梁的正常使用状态.内嵌预应力螺旋肋钢丝加固技术能较好的解决现有加固方法在材料利用不充分、粘结剥离破坏等方面缺点,是一种高效的加固方法.广州航海高等专科学校的谢志红等[17]通过分析不同加固形式下,加固梁受拉区混凝土拉应力及混杂纤维布抗拉应变分布情况,并将计算结果与试验结果进行对比.结果表明,碳纤维布（CFS）以其高弹模、高抗拉强度的特点应用最广,但它具有延伸率低、固化后发脆、易折断的缺点,芳纶纤维布（AFS）虽然弹性模量、抗拉强度只有碳纤维布的1/2左右,但其延伸率较高,破坏时呈现一定的塑性,纤维、树脂固化后抗折性能良好,而且在动载荷下抗冲击能力强.两者混合使用既能提高构件的抗拉强度又能降低成本,且对结构的耐久性提高较大.江南大学的毕远志等[18]通过大量的试验对比,得到凯泰（CTA）改性聚丙烯（粗）纤维对混凝土性能的影响效果.试验结果表明,改性聚丙烯（粗）纤维可以起到微筋材的作用,对混凝土起到增强作用的同时提高混凝土的韧性和抗应变能力,从而提高构件的耐久性.哈尔滨工业大学的吴红林等[19]提出了纤维复合材料加固混凝土桥梁耐久性的加固方法.通过对采用纤维增强复合材料加固混凝土桥梁的研究,介绍了碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料加固桥梁技术的材料性能、基本理论和构造措施.结果表明,用纤维复合材料加固混凝土桥梁耐久性好,施工方便,维修工作量少.

耐久性加固方面的工程应用也相当广泛.济南东兴商住楼是一座大底盘双塔楼建筑,由于在转换层采用了C50的高强混凝土,存在受压时高度脆性及大体积高强混凝土的大面积开裂等缺陷,使得高强混凝土的优越性得不到充分发挥,经研究决定每1m3混凝土掺入0.9kg聚丙烯纤维.美国密歇根州的一座公路桥梁的面板经过多年使用后已经损毁严重,工程人员于2002年对其进行了维修加固,工程中大量使用了ECC,ECC加固后桥面板见图3.日本广岛的Mitaka水坝已经使用了60多年,混凝土结构破坏严重,开裂、破碎甚至漏水的现象相当严重.因此,该水坝在2003年经历了一次维修,约600的混凝土表面被喷上一层20mm厚的ECC作为覆盖层.整个修复过程简单而高效,并不影响水坝的正常使用,修复后的水坝使用情况良好.采用ECC加固工艺见图4.

三、结论与展望

结构加固作为提高结构安全性、适用性、耐久性及恢复其正常使用的一项重要措施,加固方法的选择是否合理关系到原有结构中材料的强度、刚度和耐久性的发挥,因此如何选择一种合适的加固方案成为决定一个加固设计是否成功的关键之一.综合国内外加固方法得到以下结论：

1.针对承载力不足的情况,采用CFRP加固能明显的改善构件的抗弯刚度,提高构件的承载能力和抗变形能力,且可参考的工程实例较多,是一种有效的加固方法.

2.针对使用性能不足的情况,采用织物增强混凝土（TRC）加固后RC构件的承载力及挠曲变形几乎没有影响；加固后,新产生的裂缝宽度比加固前的裂缝减半并保持小于0.1mm,是一种既经济又可行的加固方法.

3.针对耐久性不足的情况,采用PVA纤维加固,有助于提高混凝土的密实度,降低混凝土的渗透性,提高混凝土的耐久性,可以很好地解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种缺陷.在水泥基制品开发、桥梁道路施工、结构加固补强等领域有着广阔的应用前景.

4.单一的加固方法如内嵌螺旋肋钢丝、绕丝法、预应力加固虽然材料性能很好,但由于也存在钢筋锈蚀,锚固困难等其他方面一些缺陷使得性能不能完全发挥就由于钢筋锈蚀,粘结不牢而破坏.