工程结构加固技术及工程应用.doc

工程结构加固技术及工程应用摘要：随着社会的进步, 城市建设突飞猛进, 为了确保城市建设的有序发展和人民生命财产安全, 各种建筑结构的加固技术就显得尤为重要。本文详细介绍了混凝土结构、砌体结构和钢结构的加固方法，如加大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维增强塑料加固法、裂纹的修复与加固等，并着重分析了每种加固方法的优缺点及其应用的工程情况。关键词：建筑结构；加固方法；工程应用0前言随着我国改革开放和经济建设的飞速发展，城市建设面貌日新月异，各种新型美观的建筑物不断展现在世人面前人们在满足建筑物数量的同时，对建筑物的造型、安全性、适用性和耐久性也提出了越来越高的要求，这使得建筑行业必须面临2 个方面的问题：一方面通过不断发展和采用新型结构、新材料及新的施工工艺达到新建筑的要求；另一方面对已有建筑进行鉴定评估和加固改造的问题特别是后述问题越来越受到人们重视，建筑结构加固已成为建筑行业的一个重要分支。其实上世纪 80 年代初，在发达国家，建筑结构的新建与加固改造就已呈现出前消后涨的趋势例如：在瑞典和丹麦，建筑业投资用与新建工程与建筑物维修加固的比例分别达 1 1和16 ；在英国，用于建筑物维修和加固的投资是60 年代的近 4 倍1我国是一个自然灾害较多的国家，地震、水灾、火灾等都对建筑物造成损害，使混凝土结构面临更严酷的环境；建国以来我国 完成建筑项目超过 万个，各类公用建筑建设项目超过万个，城镇住宅面积超过 亿 ，累计竣工的工业与民用建筑面积超过亿，现有城镇房屋面积超过亿 ，其中很多建筑已进入老龄化阶段，必须进行 维修和加固对已修建好的各类房屋建筑桥梁进行维修保护和加固，保持其 正常使用功能，延长其使用寿命。同时前些时期的新建工程又由于设计规范偏低、施工和管理等问题，造成工程质量不尽理想，存在着诸多安全隐患，等等这些因素致使我国对建筑结构进行评估和加固更加迫切和突出据统计，我国现有的60 多亿m2的房屋建筑面积中，40%以上需要分期分批进行检测评估和加固2类似的问题在桥梁界也存在。一、地基加固： 地基置换 外部支撑等。二、混凝土结构加固的基本方法混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类，设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。1、直接加固的一般方法：11加大截面加固法在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层，可增加截面有效高度，扩大截面面积，从而提高构件正截面抗弯，斜截面抗剪能力和截面刚度，起到加固补强的作用。在适筋范围内，混凝土弯变构件正截面承载力随钢筋面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下，增大主筋面积可有效地提高原构件正截面抗弯承载力。在截面的受拉区加现浇混凝土围套增加构件截面，通过新加部分和原构件共同工作，可有效地提高构件承载力，改善正常使用性能。12置换混凝土加固法该法的优点与加大截面法相近，且加固后不影响建筑物的净空，但同样存在施工的湿作业时间长的缺点i适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。13有粘结外包型钢加固法外包钢加固是把型钢或钢板包在被加固构件的外边，外包钢加固钢筋混凝土梁一般应采用湿式外包法，即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固构佣粘结成一整体，加固后的构件，由于受拉和受压钢截面面积大幅度提高，因此正截面承载力和截面刚度大幅度提高。该法也称湿式外包钢加固法，受力可靠、施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于600C以上高温场所：适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。14粘钢加固法钢筋混凝土受弯构件外部粘钢加固是在构件承载力不足区段(正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面粘贴钢板，这样可提高被加固构件的承载力，且施工方便。该法施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，对生产和生活影响小，且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响，但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平i适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。15粘贴纤维增强塑料加固法外贴纤维加固是用胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域，使它与被加固截面共同工作，达到提高构件承载能力的目的。除具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。16碳纤维加固混凝土结构碳纤维加固混凝土是指用特制的建筑结构胶将碳纤维与混凝土牢固的粘结在一起并共同工作，达到结构加固，提高结构承载力和抗震性能、修补构件缺陷的目的，由于碳纤维具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性好、施工简捷、没有湿作业、不需大型施工机具、适用面广，可广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，又具有很好的防腐蚀性能及耐久性能。2、间接加固的一般方法：21预应力水平拉杆固法预应力水平拉杆加固的混凝土受弯构件，由于预应力和新增外部荷载的共同作用，拉杆内产生轴向拉力，该力通过杆端锚固偏心地传递到构件上(当拉杆与梁板底面紧密贴合时，拉杆会与构件共同找曲，此时尚有一部分压力直接传递给构件底面)，在构件中产生偏心受压作用，该作用克服了部分外荷载产生的弯矩，减少了外荷载效应，从而提高了构件的抗弯能力。同时，由于拉杆传给构件的压力作用，构件裂缝发展得以缓解、控制、斜截面抗剪承载力也随之提高。22预应力下撑拉杆加固法钢筋混凝土构件采用预应力下撑式拉杆加固定后，形成一个由被加固构件和下撑式拉杆组成的复合超静定结构体系，在外荷载和预应力共同作用下，拉杆中产生轴向力并通过与构件的结合点(下撑点和杆端锚固点)传递给被加固构件，抵消了部分外荷载，改变了原构件截面内力特征，从而提高了构件的承载能力。与混凝土结构加固改造配套使用的技术一般有：托换技术；植筋技术；裂缝修补技术；碳化混凝土修复技术；混凝土表面处理技术；混凝土表层密封等。三、砌体结构的加固方法砌体结构的加固方法分为直接加固与间接加固两类。1、砌体结构的直接加固方法：钢筋混凝土外加层加固法；钢筋水泥砂浆外加层加固法；增设扶壁柱加固法等。2、砌体结构的间接加固方法：无粘结外包型钢加固法；预应力撑杆加固法。3、砌体结构构造性加固与修补：增设圈梁加固；增设梁垫加固；砌体局部拆砌；砌体裂缝修补等。四、钢结构加固的主要方法：减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。结构加固的方法多种多样，需要根据当地的气候、地质等情况的综合分析，对材料的力学性能要进行检测分析，对不同部位的结构构件受力或力传递进行分析，得出最佳的方案。同时要及时了解建筑市场新技术材料的运用，像目前的碳纤维杜拉纤维以及结构胶粘剂使用等。五、结构加固的基本原则混凝土加固方法有许多种，如前所述，但各自都适用于不同的情况。各种加固方法的选择又根据可靠性签定结果、结构功能降低及加固原因，结合结构的特点，新的功能要求，当地具体条件等因素，按照加固效果安全可靠、经济合理、施工简便原则来综合分析确定。这其中静力加固应考虑二次受力特点，加固重点侧重于结构承载力的提高上。而抗震加固的重点则侧重考虑结构的整体性和延性上。在加固设计中，同样要遵循强柱弱粱、强剪弱弯、强节点、强锚固的原则，以保证加固后的结构有较好的延性，在地震作用下具有较大的内力重分布和耗散地震能量的能力。还需考虑局部加固后，结构的薄弱环节可能发生转移，应采用二次验算的方法进行加固后的验算。同时，为了达到抗震加固的效果，又达到节省材料、降低造价目的，只要条件许可，实际加固工程中应采取多种措施尽量卸荷。六、工程结构加固实例分析1、某轻钢加层结构加固实例摘要：通过某轻钢加层改造结构的加固实例，总结了造成工程质量问题的原因，并针对所发现的质量问题，提出具体的加固方案。关键词：轻钢结构；改造设计；结构加固O 引 言轻钢结构是主要采用H型钢、薄壁矩管、圆管和冷弯C型、z型钢组合构建而成房屋骨架，采用压型钢板或夹芯钢板作为屋面和墙体的围护材料而建造的房屋结构类型。它具有轻型美观、成本低、施工周期短、安全可靠等优点。近年来，轻钢结构不仅广泛应用于工业厂房、仓库、商业建筑、民宅等新建工程，而且在既有建筑的加层改造中扮演着愈来愈重要的角色。但是，随着市场份额的剧增，随之涌现出来的问题也层出不穷，尤其在小规模的结构加层改造工程中的问题更多。下面结合工程实例，具体分析某轻钢结构加层改造工程所出现的问题，并提出具体解决方案。1 工程实例概况某砌体结构房屋位于成都市，处于7度抗震设防区，设计基本地震加速度为O10 g，设计地震分组为第一组。该房屋原结构为5层砖混结构(第5层局部挑出)，建于20世纪90年代初。为拓展业务，该房屋产权单位于2005年采用单层钢结构对该房屋进行了加层改造，当钢结构加层施工完成后，由于种种原因，该加层工程被迫停工，搁置了2年多时间，都未进行内部装修及使用。期间，该房屋产权单位曾委托相关单位对该房屋的结构安全性能进行了检测、鉴定。检测过程中，发现一些严重不符合设计要求并存在较大安全隐患的工程质量问题，鉴定结论建议将该钢结构加层部分拆除或对其结构进行全面加固处理。在权衡得失之后，该房屋产权单位决定对该房屋进行结构加固处理。2 复核检查、检测内容及结果为作好该房屋加固设计工作，在进行加固设计前，对其加层部分进行了全面的复核检查、检测。21 轴线尺寸、构件布置复核检查、检测现场对该钢结构加层工程的柱网、轴线尺寸进行复核检测，发现该加层钢结构柱网、轴线尺寸均符合设计要求，该房屋原结构顶层平面示意及原加层钢结构钢架示意分别如图l，2所示。经与原结构设计图纸比较后发现：(1)该加层钢结构轴钢柱支承于原结构悬挑梁的端部；(2)靠轴线部分中柱支承于截面尺寸为250mm300mm，梁底跨中仅配置212钢筋的混凝土小梁上。(3)部分边柱支承在原结构女儿墙构造柱上，经现场检查，女儿墙构造柱混凝土外观质量存在缺陷，局部孔洞、露筋，且个别钢筋已锈蚀；个别钢柱支承在原结构女儿墙上，且柱脚未做任何处理。22构件连接检查及截面尺寸复核检测现场随机抽取部分该加层钢结构工程的钢柱、屋架弦杆、腹杆和檩条，对其截面尺寸进行复核检测，发现该工程钢柱和屋架弦杆所采用的薄壁矩型钢管的壁厚均小于原设计要求，原设计矩管壁厚均为40mm，现场抽测为25mm。腹杆原设计为40mm4 mm的薄壁矩型钢管，现场改为32mm25mm圆钢管。檩条原设计为C1405025，现场改为C135522O，且设计采用连续檩条，而施工过程中未按照规范要求，在檩条支座节点处未进行搭接处理，且该加层结构的检测、鉴定报告中提出檩条承载能力不满足规范要求。23支撑布置复核检查现场对该加层钢结构工程的支撑体系进行检查，发现柱间支撑、屋架上弦水平支撑、屋架下弦系杆和部分墙檩等构件，均未按照原设计要求设置。24焊接质量复核检查现场对该加层钢结构工程构件的连接焊缝进行检查，发现部分腹杆与弦杆的连接处仅为点焊，个别柱与弦杆的连接焊缝亦仅为点焊，部分现场焊接位置未涂防锈漆，个别位置已出现锈蚀。3结构加固方案初选及复核验算 依据现场复核检查、检测结果，并结合该房屋原结构和加层钢结构的设计图纸，以及由委托方提供的该房屋加层钢结构的检测、鉴定报告，对该房屋加层钢结构提出加固方案如下。(1)将支承于屋顶女儿墙或女儿墙构造柱上的钢柱延至原结构屋面圈梁或屋面大梁等混凝土构件上，并保证柱脚与原结构可靠连接。(2)在轴增设一排钢柱，以分担悬挑梁端部荷载。(3)对屋盖檩条采取附加一根同截面c型钢形成复合截面构件的措施，进行加固。(4)对未按照原设计图纸施工的支撑及墙檩迸行补加。结合该加层钢结构的现状及加固方案，对该房屋加层钢结构和新增钢柱柱脚处混凝土梁的承载能力进行复核验算，结果表明：(1)轴轴跨支承中柱的钢筋混凝土梁的抗弯承载能力不符合现行规范要求。委托方不同意对下部混凝土梁进行加固，故采用改变传力途径的方法进行处理，将中柱分别移至轴和轴。(2)矩管钢柱承载能力不符合规范要求，考虑矩形钢管壁厚较薄，杆件加固施工难度较大，采用H型钢替换原矩形钢管柱。(3)钢柱位置挪动之后，屋架腹杆与弦杆的节点随之做相应改动，对需改动或承载能力不满足要求的腹杆，采用加大截面法进行处理。(4)屋面檩条按复合截面验算，其承载能力满足规范要求。4工程质量原因分析总结通过现场复核检查，并查阅该房屋原结构、加层钢结构图纸及加层钢结构的安全性鉴定报告，综合分析认为，造成该起工程质量问题的原因主要有以下3点：(1)由于该工程规模较小，甲方未严格执行基本建设程序，该加层轻钢结构工程未报建，所选用施工单位技术力量偏弱，施工过程中也未请监理单位进行现场监督；(2)设计单位未仔细核查现场情况，也未仔细考虑新增钢结构对原结构产生的影响；(3)施工单位未完全理解设计意图，施工过程中随意更改设计，且部分材料规格不满足设计要求。通过该工程，让我们足以认识到，要确保工程质量，就必须认真做好工程建设中的每一个环节，哪怕它只是一个小工程。5 结语该加层钢结构工程出现严重质量问题的原因涉及建设、设计和施工等各个单位，其质量问题的多样性及形成原因的复杂性，在类似的工程质量事故中亦属少见。通过现场检查、检测，工程资料的检查及该工程检测报告和其他资料的查阅，综合分析以上资料并进行结构验算，最终确定该工程的加固方案。以上工作对造成该工程质量缺陷的原因做了较全面的分析，并最终提出加固方案，希望对类似的轻钢加层工程起到借鉴作用。同时，希望建设单位、设计单位和施工单位对该类改造工程的复杂性及结构安全性予以重视，并且应充分考虑经加层改造后原结构的安全性及使用性。2、某小箱梁桥上部结构加固实例摘要：文中主要介绍莱小箱梁桥上部结构(箱梁、横隔板、箱梁翼板问纵向湿接缝、桥面系)的承栽能力计算、加固原则和加固方案，并通过计算验证其加固效果。该桥经过加固后，承栽能力得到了提高，病害得到有效处治。关键词：桥梁；小箱梁桥；上部结构；加固某大桥长1220米，上部结构采用简支变连续钢筋砼预制斜腹小箱梁，位于某国道主干线。该桥的主要病害为：1)箱梁内积水。箱梁内积水病害严重，全桥共有15条箱梁存在严重的积水现象，占全桥斜腹小箱 梁总数的31。积水也额外增加了箱体承受的恒载约50 kN。梁体已经出现大面积损伤，钢筋也出现严重的锈蚀迹象(见图1)2)横隔板病害。横隔板主要病害为钢板连接件的焊缝开裂、损坏。现象普遍，约60的横隔板及其连接都出现了不同程度的损坏(见图2)。3)箱梁翼板问纵向湿接缝破损。箱梁翼板问纵向湿接缝的破坏现象比较普遍，出现大面积的钢筋锈蚀和砼剥落(见图3)。4)桥面铺装层出现大面积龟裂、砼剥落等现象(见图4)。l桥梁承载能力计算11原结构计算分析采用桥梁博士结构计算软件对该桥无病害状态下的原结构进行检算，桥梁承载能力极限状态及正常使用极限状态均满足规范要求。12现状桥梁结构计算分析原结构计算结果是理想力学模型状态下的数值。由于主梁钢筋锈蚀、横向联系减弱、重车长期作用等原因的存在，必然会导致桥梁承载能力下降。目前桥梁横梁钢板开裂、湿接缝处破损严重，桥梁横向联系与原结构变化较大，故按修正后的横向分布系数对现状桥梁结构进行验算。121 承载能力极限状态验算边、中梁正截面抗弯强度如表1所示，边、中梁斜截面抗剪强度如表2所示。边梁及中梁抗剪强度按修正后的横向分布系数验算，抗力小于效应值，不能满足要求。122正常使用极限状态验算1)变形验算。计算结果表明，在汽车荷载下，主梁、边梁及中梁最大竖向位移为一5 mm，小于主梁计算跨径的1600，满足规范要求。2)裂缝宽度如表3所示。通过减弱桥梁横向联系，并根据规范对桥梁现况进行模拟计算，桥梁正截面抗弯强度符合规范要求，但与原结构相比，承载能力安全储备下降不少，并且斜截面抗剪强度已经不能满足规范要求。正常使用极限状态验算均满足规范要求。由于本桥承载能力安全储备已经非常低，尤其是边跨，增大恒载对桥梁结构不利，故需要通过加固，提高承载能力，才能有效保证桥梁的正常使用。2 加固原则根据桥梁病害情况及本次加固方案设计的计算分析，本桥主要由于重车的长期作用导致桥面破损，漏水现象严重，并且导致主梁承载能力下降，横向联系减弱。为此提出以下加固原则：1)提高主梁的抗弯刚度和承载能力。2)提高桥梁的横向联系，恢复并提高桥梁的整体刚度。3)加强桥面铺装，设置防水层。4)桥梁结构整体寿命应得到提高。5)加固设计应与施工方法紧密结合。3 加固方案根据桥梁现有病害及计算结果，结合已有的加固设计经验，提出以下加固方案：主梁腹板增设新型补强层，底板采用新型预应力技术进行加固；重新浇筑中横隔板，并在每片主梁14L处增设横隔板；凿除原桥面铺装层，增设结构补强层，并增设6 cm桥面铺装层。31主梁箱梁梁体由于开裂等损伤，结构抗弯刚度偏弱，安全储备不足。为提高梁体的抗弯刚度及承载能力，对箱梁腹板及底板采取如下加固措施：1)腹板。对裂缝密集处的箱梁腹板，采用高强不锈钢绞线加固方法进行处理，在支点附近设置转向装置并进行锚固。此方法不仅能有效抑制裂缝的再生，更能提高梁体的抗剪强度。图5、图6为某桥采用新型补强层的工程实例照片。2)底板。超重车的长期作用、主梁横向联系减弱、梁体内积水增加的荷载及钢筋锈蚀等因素导致该桥主梁承载能力降低。为了有效提高主梁承载能力，结合桥面补强层，在梁底采用新型预应力加固技术。施加的预应力抵消新增恒载产生的弯矩，在活载下与桥面补强层共同起作用，从而提高箱梁的承载能力。图7、图8为采用新型预应力技术的工程实例照片。32横隔板由于横隔板连接钢板焊缝开裂，横隔板连接部位损坏，桥梁横向联系减弱。为恢复并增强桥梁横向联系，提高全桥整体刚度，拆除原有中横隔板，重新浇筑新中横隔板，并在每片梁14点处增设两道横隔板，以增强横向联系。33箱梁翼板纵向湿接缝纵向湿接缝的破坏也导致桥梁横向联系减弱。为了恢复并增强桥梁横向联系，提高全桥整体刚度，拆除原有纵向湿接缝，重新浇筑湿接缝，并在两相邻箱梁翼板间每隔30 cm粘贴15 cm宽钢板条，湿接缝砼与桥面补强层砼一起浇筑，以便能更好地增强箱梁间的横向联系。34桥面系桥面铺装的破损使得雨水渗入箱梁内部并长期积存。为此，拆除原有铺装层，通过植人直径为16mm的钢筋，铺设间距10 cm10 cm、直径为12mm的钢筋网，重新浇筑6135 cm砼。此部分作为主梁结构补强层与主梁一起参与受力。在结构补强层上喷洒水泥基渗透结晶型防水材料。由于桥梁超重车现象严重，故增设6 cm聚丙烯纤维砼桥面铺装。桥面铺装改造后桥面厚度大于原桥面，高出部分结合伸缩缝改造调整。4加固效果验算根据本桥目前的病害情况及检算结果，针对箱梁分别拟定加固方案，并进行加固效果计算。由于加固方案增设6 am桥面铺装层，且每片梁增设2根横隔板，导致恒载增加。为抵消由于加固所产生的恒载，在梁底增设预应力。加固效果如表4、表5所示。从表4可知，加固后，边、中梁正截面抗弯强度分别提高15、16，加固效果明显，正截面抗弯强度均满足规范要求。由表5可见，桥梁加固后，其斜截面抗剪强度满足规范要求。5 结语该桥采取以上加固方案加固后，病害得到有效治理，并显著提高了桥梁的承载能力。所采取的加固方法较为成功。与传统的粘贴碳纤维布加固方案相比，该桥采用的主梁底板、腹板采用高强不锈钢绞线加固方案具有以下优点：主梁承载力和刚度得到提升；增加桥面铺装层，破损后便于更换；梁底裂缝、露筋和破损等病害同时得到了处理；工程量适中，加固工艺成熟。参考文献：1徐哲文钢筋砼箱梁裂缝成因分析与处治方法J公路与汽运，2008(4)2梁 峰，沈小平下塘大桥上部构造的裂缝成因与加固J公路与汽运，2008(5)3刘冬平，蔡 敏预应力砼连续箱梁桥加固技术探讨J公路与汽运，2008(6)4陈兆毅某预制小箱梁桥的病害分析与加固研究D大连：大连理工大学，20085李东超薄壁箱梁桥的加固研究D南宁：广西大学，2007