混凝土加固的技术指南.doc

网络教育学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目：浅谈混凝土结构加固设计方法学习中心： 层 次： 高中起点专科 专 业： 年 级： 年 春/秋 季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 年 月 日内容摘要我国区域辽阔，地跨温热二带，北方为寒冷地区，海岸线长达18万多公里，又是地震多发区域，因此我国混凝土结构面临更严酷条件，加之一些工程质量不尽理想，致使加固问题更为突出。本文对国内外钢筋混凝土加固技术进行论述，着重介绍了目前几种常用的加固方法，增大截面法、置换混凝土加固法和粘贴钢筋加固法，并且分别对受弯构件正截面加固设计原理、受弯构件斜截面加固设计原理以及受拉构件正截面加固设计原理进行研究。通过对目前混凝土加固设计方法的分析，初步得出未来混凝土加固设计的发展趋势。关键词：钢筋混凝土；增大截面法；受弯构件目 录内容摘要I引 言11 概述21.1 国内混凝土结构研究21.2 国外混凝土结构研究21.3 混凝土结构加固设计研究意义22 混凝土结构加固设计常见方法42.1 混凝土结构加固设计方法简介42.2 增大截面法42.2.1 增大截面法的设计和构造规定42.2.2 增大截面法的工程应用52.3 置换混凝土加固法62.3.1 置换混凝土加固法应用特点62.3.2 应用工程实例比较62.4 粘钢加固应用特点73 受弯、拉构件截面加固设计93.1 受弯构件正、斜截面加固设计93.1.1 受弯构件正截面加固设计93.1.2 受弯构件斜截面加固设计103.2 受拉构件正截面加固设计103.2.1 轴心受拉构件正截面加固计算103.2.2 矩形截面大偏压受拉构件加固计算10结 语11参考文献12引 言 钢筋混凝土结构由于其强度高、便于取材、各种形状适应性强等诸多优点，是当今使用最广泛，应用量最广的建筑材料。但是由于火灾和飓风等自然灾害或长期疲劳、腐蚀以及建筑使用功能的改变，混凝土逐渐会出现老化现象，最终导致钢筋锈蚀，混凝土顺筋开裂，影响了结构的安全正常使用。同时施工质量等人为因素也会造成混凝土性能下降，从而使结构无法满足使用功能的要求甚至导致结构整体破坏,造成人员伤亡或财产损失。混凝土是一种强碱性材料，钢筋与混凝土中的氢氧化钙在碱性环境下会发生化学反应，钢筋表面形成钝化膜，保护钢筋不再锈蚀。因此为延长混凝土结构的耐久性，应对混凝土结构进行适当保养；对已出现损伤的混凝土构件，应及时进行修补，必要时应对混凝土结构进行加固。1 概述1.1 国内混凝土结构研究19世纪末20世纪初，我国开始出现了钢筋混凝土建筑物，例如上海市的外滩、广州市的沙面等，但工程规模很小，建筑数量也很少。解放以后，我国在落后的国民经济基础上进行了大规模的社会主义建设。随着改革开放的到来，混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用。混凝土高层建筑，改革开放后有了较大的发展。例如20世纪70年代的北京饭店、广州白云宾馆和一大批高层住宅的兴起。80年代，高层建筑发展迅速，建筑体系更为多样化、层数增多、高度增大，我国的建筑已逐步在世界上占领中重要地位。目前，内最高的混凝土结构建筑物是广州的中天广场，80层高为322m，为框架-筒体结构；香港的中环广场达78层374m，三角形平面筒中筒结构，是世界上最高的混凝土建筑；广州国际大厦63层199m，是80年代世界上最高的部分预应力混凝土建筑。随着高层建筑的发展，高层建筑结构分析方法和试验研究工作，在我国得到了极为迅速的发展，许多方面已达到或接近于国际先进水平。1.2 国外混凝土结构研究混凝土最初只在最简单的结构物如拱、板中使用。随着水泥和钢材工业的发展。混凝土和钢材的质量不断改进、强度逐步提高。例如在美国20世纪60年代使用的混凝土抗压强度平均为28N/mm2，20世纪70年代提高到42N/mm2，近年来一些特殊需要的结构混凝土抗压强度达到80-100N/mm2,而实验室做出的抗压强度已达到266N/mm2。前苏联20世纪70年代使用钢材平均屈服强度为380Mpa，20世纪80年代提高到420N/mm2；这些均为进一步扩大钢筋混凝土的应用范围创造了条件。很多国家已经把高强度钢筋和高强度混凝土应用于大跨、重型、高层结构中，在减轻自重、节约钢材上取得了良好的效果。目前世界各国已经大力研究发展了各种轻质混凝土（由胶结材料、多孔粗骨料、多孔或密实的细骨料与水拌制而成），如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨胀矿渣混凝土等。轻质混凝土可在预制和现浇的建筑结构中采用，例如可制成预制大型壁板、屋面板、折板以及现浇的薄壳、大跨、高层结构。目前，国外轻质混凝土用于承重结构的强度等级为C30-C60。1.3 混凝土结构加固设计研究意义按照极限状态设计法设计的钢筋混凝土结构或砌体结构，必须满足结构强度、刚度、耐久性的要求，但由于种种原因造成结构不能满足上述要求，如：设计不当、设计规范要求提高或施工缺陷而造成的结构物承载力和刚度不足，甚至留有严重的安全隐患；因建筑物改变用途导致其使用功能发生变化，从而出现了与设计初衷不一致的荷载分布和荷载大小，造成了原结构的强度和刚度不能满足要求。由于各种自然灾害如地震、火灾、台风、水灾、冰雪和战争造成了结构物不同程度的损坏。对现有基础设施进行鉴定，对目前我国已有工业和民用建筑及其他基础设施进行技术改造和维修，使之现代化日趋迫切，符合我国国情，这不仅可以节约投资，节约征用土地，缓解日趋紧张的城市用地矛盾，对减少某些不可回收利用的建筑垃圾均有着重要的现实意义。建筑物鉴定、加固与改造将面临更多的挑战，其新技术、新方法的研究与开发有着十分广阔的发展空间与运用。2 混凝土结构加固设计常见方法2.1 混凝土结构加固设计方法简介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加固方法及配合使用的技术。直接加固采用的方法一般有：增大截面加固法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、外粘钢板加固法、粘贴纤维复合材加固法、绕丝加固法、高强钢丝绳网片-复合砂浆外加层加固法。间接加固采用的方法一般有：预应力加固法、增设支点加固法。增大截面加固法：该法用于梁、板、柱、墙等构件和一般构筑物的加固时，其优点为施工工艺简单、适应性强，且有长期的使用经验；其缺点是：施工湿作业时间长，在混凝土养护期间需限制荷载，且加固后结构自重增大、建筑使用空间减小。置换混凝土加固法，该法用于各种结构构件的局部加固处理时，其优点为构件加固后能恢复原貌，不改变原使用空间；缺点是剔除旧混凝土的工作量大，易伤及原构件的钢筋，且湿作业时间较长。外粘型钢加固法，该法用于柱、桁架、梁和一般构筑物的加固时，其优点为受力可靠、能显著提高结构、构件的承载能力、对使用空间影响小、施工简便且湿作业少；缺点是对使用环境的温度有限制，且加固费用较高。外粘钢板加固法，该法用于受弯及受压构件的加固时，其优点为施工工期短、加固后几乎不改变构件外形和使用空间；缺点是对使用环境的温度有限制，对弧形构件表面的粘贴不易吻合；且钢板较薄，需作防锈处理等。2.2 增大截面法2.2.1 增大截面法的设计和构造规定（1） 增大截面法适用于钢筋混凝土受弯和受压构件的加固，采用该方法时，按现场检测结果确定的原构件混凝土强度等级应不低于C10，加固设计时应该按公式： (2.1)式中，Sk-原构件荷载效应的标准值； Rk-原构件抗力的标准值。（2） 大截面加固法的构造要求增大截面加固法在设计构造方面必须解决好新加部分与原有部分的整体工作共同受力问题，试验研究表明，加固结构在受力过程中结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂应力，其中关键是剪力和拉力。在弹性阶段，结合面的剪应力和法向应力主要靠结合面两边新旧混凝土的粘结强度承担，在开裂及极限状态下，主要是通过贯穿结合面的锚固钢筋或锚固螺栓所产生的被动剪切磨擦力传递。由于结合面混凝土的粘结抗剪强度及法向粘结抗拉强度远远低于混凝土本身强度，结合面是加固结构受力时的薄弱环节，即或是轴心受压破坏也总是首先发生在结合面，因此，结合面必须进行处理，涂刷界面剂，必要时对结合面从设计构造上配置足够的贯穿于结合面的剪切磨擦筋或锚固件将两部分连接起来，是确保结合面有效传力，使新旧两部分整体工作。2.2.2 增大截面法的工程应用增大截面法是通过采用钢筋混凝土材料来增大原混凝土结构截面面积，从而达到提高结构承载能力的目的。当梁、柱构件抗力不够时，常采用增大截面法。增大截面法，施工技术成熟，便于施工，加固效果明显，造价低，无需做耐火耐久性措施，质量好，可靠性强。增大截面、增加刚度，同时也增加了结构自重，所以首先要考虑分析整体结构，不能仅为局部加大而加大，这样会引起整体结构的局部薄弱层发生重大事故。此外，加大截面法还有一些其他不利因素，使用时要予以考虑。例如，构件质量和刚度变化较大，结构固有频率会发生变化，应避免使结构固有频率进入地震或风震的共振区域，造成新形式破坏；构件的截面增大后对结构的外观以及房屋或桥梁净空有一定的影响；现场湿作业工作量大，养护时间较长，对人们的生活也会有影响。增大截面法加固后结构新、旧两部分整体工作的关键，主要在于截面能否传递和承担界面的应力，而界面粘结强度低、离散性大、截面所具有的粘结抗剪和抗拉力有时远不能满足受剪和受拉承载力的要求，因此需要在梁柱表面设置一定数量的销钉，保证界面粘结效果。增大截面法在工程应用是具体表现为：对于简支梁，仅正截面受弯承载力不足时，一般采用于梁底部增配钢筋加固；若斜截面受剪承载力也不足时，应三面包套并加配箍筋加固，对于连续梁，仅支座部位负弯矩受弯承载力不足时，可于顶面增配钢筋加固；若正负受弯承载力均不足时，应双面增配钢筋加固；若受剪承载力也不足时，尚应三面或四面包套增配箍筋加固。对于简支板受弯承载力不足但差别不大时（15%），可于板面增浇高强度等级混凝土叠合层（按构造配筋）加固；若承载力相差较多时，则应于板底增配钢筋网，采用喷射混凝土层加固。对于连续板，应双面增配钢筋网和混凝土层加固，支座负筋应穿墙通过，不得断开。对于柱，应根据受力情况和实际构造的不同，分别采用四面包套、三面包套以及主要受力方向的两面包套加固。截面承载力不足着重增配钢筋，轴压比超标或混凝土强度偏低，则着重增大包套面积及混凝土强度等级。对于墙，有单面加固和双面加固，一般是对症加固，缺钢筋补钢筋，若混凝土强度偏低或轴压比超标，则着重提高加固层厚度及混凝土强度。2.3 置换混凝土加固法2.3.1 置换混凝土加固法应用特点置换混凝土加固法，是一种传统的加固方法，常用于混凝土结构，特别对混凝土等级低于C10的混凝土结构进行加固时，采用其他的加固方法已经很难实施，而该法能从根本上解决承重结构构件受压区混凝土强度偏低的问题。这一做法的优点与加大截面法比较接近，而且加固后不改变建筑物的使用空间，但存在施工湿作业时间长的缺点，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。2.3.2 应用工程实例比较图2.1 现场施工图（1）工程概况该工程是某高层住宅工程为框架剪力墙结构，设计的混凝土强度等级为C30。在施工过程中，发现第11 层剪力墙混凝土强度不能满足设计要求，经钻芯取样试压，强度最高值小于C20，个别部位强度仅达到8. 5MPa，混凝土浇筑已经6 个多月，其后期强度增长余量不能达到设计要求的强度等级，经过研究决定对该层剪力墙进行加固处理，而此时工程已经施工到25 层。（2）加固方案比选 加大截面法是通过增大原混凝土构件截面面积来提高构建承载力的一种传统加固方法，可广泛用于一般梁、板、柱、墙等混凝土结构的加固。该法优点是施工工艺简单，适应性强，且有成熟的设计和施工经验；缺点是现场湿作业时间长，在混凝土施工期间需限制荷载，且加固后结构自重增大、建筑使用空间减少。 置换混凝土加固法适用于各种结构构件的加固处理。其优点为构件加固后能恢复原貌，不改变原使用空间；缺点是剔除混凝土的工作量大，可能伤及原件的钢筋，且湿作业时间较长。经过技术经济对比和结构计算，决定该部分混凝土采用全面置换加固方案。2.4 粘钢加固应用特点粘贴钢筋加固方法即在混凝士构件外部粘贴钢板，以提高其承载力和满足正常使用的一种加固方法。该法从20世纪50年代诞生起，一直受到世界的广泛关注和研究应用。此法适用于承受静力作用的一般受弯、受拉构件的加固；要求环境温度不大于60，相对湿度小大于70，以及无化学腐蚀影响，古则应采取相应的措施。粘贴钢筋加固方法的优点主要有：环氧砂浆能与混凝土有效粘结，不需要破坏原有结构。结构破坏时，不会沿着环氧砂浆的界面脱离，而是沿梁底靠近钢筋的混凝土首先开裂破坏。在正常使用状态下，界面的最大剪应力小于5MPa，截面粘结处于非常安全的状态。粘贴钢筋法与粘贴钢板相比省去了植锚固螺栓的打孔，大大减小了对原结构的损坏。基本上不增加恒载重量和截面尺寸，能够保证原结构的净空要求。粘贴钢筋所增加的厚度仅为2-5cm，对于结构的恒载及净空的影响都不是很大。加固施工时间短，不影响结构的正常使用。粘贴加固的基本原理：通过粘贴高强的抗拉材料，进而使得受弯构件的受压区混凝土高度增加，从而提高原钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力。3 受弯、拉构件截面加固设计3.1 受弯构件正、斜截面加固设计3.1.1 受弯构件正截面加固设计本文主要介绍的是粘贴加固梁的混凝土受压区正截面高度设计限制条件。同普通钢筋混凝土梁一样，粘贴加固梁如果设计不当，其弯曲破坏同样会有少筋、超筋这两种明显的脆性破坏形态。为了使粘贴加固梁在破坏时具有较好的塑性变形能力，在设计中有必要对其受压区高度进行限制。（1）下限普通钢筋混凝士梁的设计受压区高度下限值为2as(as为受压钢筋重心距受压区边缘的距离)，由平截面假定可知，受弯构件在此类界限破坏时受压区混凝十应变值很小，其良好的抗压性能未能充分发挥。因此，本文以混凝土边缘应变值达到时界限破坏的混凝土受压区高度作为设计高度下限值。的计算如下：=0.167h （3.1）（2）加固材料的混凝土界限破坏受压区高度由于对加固材料的应变加以了控制，因此将其极限应变。代入平截面假定中，并同时认为受压区混凝土达到极限应变值。由几何关系可推导出这一界限破坏时的混凝士受压区高度，即为粘贴加固梁的混凝十受压区设计高度下限值。计算如下：=0.198h （3.2）（3）上限在粘贴加固设计中，理论j：讲受压区混凝土的高度可以达到全截面，但实际上是不可能的。这主要是因为：随着加固材料的增加，钢筋混凝土梁的极限抗弯承载力的提高幅度逐渐下降，加固材料的高强性能未能充分发挥，很不经济。混凝土结构设计规范规定，普通钢筋混凝土梁的混凝土受压区最大设训高度为。但是在工程应用中，为达到使用承载力的要求，就不可避免地将受弯构件的受压区高度加大直至满足使用要求。根据民用建筑可靠性鉴定标准规定，按混凝士结构承载能力等级的划分标准来看，主要构件需加固的cu级的标准为O.90Rr0s<O.95 （3.3）3.1.2 受弯构件斜截面加固设计受弯构件加固后应首先符合受弯构件的截面限制条件，其目的是防止发生斜剪破坏，限制使用阶段的斜裂缝宽度，同时也是满足斜截面受剪破坏的最大配箍率条件，公式与国家标准混凝土结构设计规范GB50010相同。3.2 受拉构件正截面加固设计3.2.1 轴心受拉构件正截面加固计算轴心受拉构件的加固，其正截面承载力应按下式确定： （3.4）N-轴向拉力设计值；ff-纤维复合材料抗拉强度设计值，应根据其品种，分别按规范确定。 3.2.2 矩形截面大偏压受拉构件加固计算矩形截面大偏心受拉构件的加固，其正截面承载力应符合下列规定： （3.5） （3.6）N-轴向拉力设计值；e-轴向拉力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离；ff-纤维复合材料抗拉强度设计值，应根据其品种，分别按规范确定。结 语随着现代建筑科学技术的不断进步，新型建筑材料不断涌现，因此选择合适的加固方法尤为重要。碳纤维材料加固技术与其他传统加固方法有无法比拟的优越性及良好的经济效益、环境效益和社会效益。随着碳纤维材料成本的不断降低及国内外研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用越来越广泛，具有广泛的研究前景。参考文献1 朱洲.浅谈钢筋混凝土结构加固中需要注意的问题及技术措施.科学之友,2010(14):88.2 陈剑，王新堂.轻钢结构开洞蒙皮体蒙皮效应的试验究.宁波大学学报，2005(8)，9-14.3 胡敬礼.轻钢结构门式刚架抗地表变形研究.徐州:中国矿业大学，2003.4 史绍军.简析混凝土结构工程加固施工.建材与装饰，2008(6):35-36.5 GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范.6 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