混凝土结构几种常用加固方法的技术应用研究

魏 东 上海铁路局合肥枢纽指挥部

建筑结构应具有足够的强度、刚度以及局部和整体的稳定性，以满足安全性耐久性和适用性的要求。在工程实践中，导致建筑物未能满足上述要求而需要进行加固补强的原因主要有勘察设计和施工中出现问题、使用功能改变、自然灾害与偶然事故以及结构耐久性降低。如何合理的选择加固方法关系到能否节约工程投资。

1 常用加固方法的适用范围和技术特点

钢筋混凝土结构常用的加固方法有下面几种：增大截面加固法、粘贴碳纤维加固法、外部粘贴钢板加固法（简称粘钢法）、外包钢加固法。确定加固方案时，除了要研究加固范围的局部效果，还应考虑与之相关的整体效应。避免因局部加固导致整体刚度失衡，或破坏了原结构强柱弱梁、强剪弱弯的合理性。

1.1 增大截面法

增大截面法是用同种材料增大原混凝土结构或构件截面面积达到提高结构承载力和构件刚度的目的，是一种传统的加固方法。它不仅可提高被加固构件的承载能力，而且还可以加大其截面刚度，改变其自振频率，使正常使用要求下的性能在某种程度上亦得到改善。适用于一般梁、板、柱、墙等混凝土结构的加固，特别是原截面尺寸显著偏小及轴压比明显偏高的构件。

优点是工艺简单，适用面广。

缺点是湿作业，自重大，养护期长，截面增大对结构外观及房屋净空也有一定的影响。

1.2 碳纤维加固法

该技术是利用树脂类材料将碳纤维布粘贴于混凝土结构或构件表面，形成复合材料体，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。对于提高承载力要求不高，尺寸变化要求严格的框架柱、梁通常采用此类加固方法，适用于承受静力作用的一般受弯、受拉构件。

优点是轻质高强，常用碳纤维布的自重仅为（200～300）g/m2，设计厚度为（0.111～0.167）mm，抗拉强度高，施工简便，施工速度为粘钢的2～3倍，可曲面或转折粘贴，不损伤原结构，不改变结构外观，无湿作业。

缺点是有机胶的长期持荷强度较低，抗剪强度低，耐老化性能较差，不耐火，不能焊接，环境温度不超过60℃，粘贴时湿度不超过70%，无化学腐蚀环境。

1.3 外部粘贴钢板加固法

粘钢加固法是用建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面，使其具有良好的共同工作性能，能达到加固和增强原结构强度和刚度的目的，提高结构或构件的承载能力，提高结构或构件的刚度，减小外部变形。一般以Q235钢或16Mn钢为宜，钢板厚度一般为（2～6）mm。基本上不影响构件的外观，且比其他方法节省施工时间。适用于因配筋量不足的简支梁板及连续梁板加固。与碳纤维加固法具有相似的主要优缺点。

1.4 外包钢加固法

外包钢加固法是在结构构件或杆件四角或两角包以型钢的加固方法，也是一种使用面较广的传统加固方法。分为干式外包钢法和湿式外包钢法两种形式。它可在基本不增大构件截面尺寸的情况下较多地提高其承截力，增大延性和刚度。适用于使用上不允许增大混凝土截面尺寸，而又需要大幅度地提高承载力的混凝土结构的加固，如柱、框架节点。当采用化学灌浆外包钢加固时，型钢表面温度不应高于60℃;当环境具有腐蚀性介质时，应有可靠的防护措施。

优点是受力可靠，能显著改善结构性能，对使用空间影响小，施工简便。

缺点是外露钢构件应进行防火防腐处理。

2 几种加固方法的技术经济比较

决定加固方案的取舍时一般遵循以下原则：其一，技术上务必适用、可靠、先进、合理。符合这几点，可以取得多方面的效果，如可以降低物质消耗、缩短工艺流程、提高劳动生产率、保证加固效果、有利于人身安全、还可以减少污染。其二，经济上务必合理的。在选择加固方案时要综合考虑加固成本、质量、工期、预期的社会经济效益等因素，选择经济上最为合理的加固方案。在通常情况下，上述原则基本是一致的。当遇到相互矛盾的情形时，一般来讲，在保证工程质量、不违反劳动安全和环境保护的原则下，经济合理是选择加固方案的主要原则。

2.1 碳纤维加固法与粘钢加固法的技术经济分析

从理论上讲，粘贴碳纤维加固法与粘钢加固法均可满足抗弯、抗剪加固要求。但由于碳纤维的极限抗拉强度一般为粘钢的十倍，且弹性模量基本相同，故而在相同的形变下，单位面积的碳纤维对抗弯承载力的提高近似于粘钢的十倍。因此，在通常情况下，粘贴两层的碳纤维的加固效果相当于粘贴一层（3～4）mm厚的钢板，但由于单位面积的碳纤维材料价格较高，因此采用粘钢法将较为经济。

其次，对处于恶劣环境的静力结构或试件，由于钢板极易遭受周围环境的影响，发生锈蚀现象，使得钢板厚度逐渐变薄，进而引起承载力下降，此时姑且不论碳纤维造价的高低，往往优先选用碳纤维进行加固，因此其后期的维护成本较粘钢法要低的多。

再次，在一些承受动力荷载的工程领域，通常采用更具柔韧性、粘结质量更好的碳纤维进行加固。

此外，对由于变形过大需修复的结构则常采用粘钢法进行加固，以期获得较大的刚度，减小结构变形。

2.2 加大截面法与粘钢法加固梁的技术经济分析

采用价值工程的方法建立价值工程模型，通过对安全性、耐久性、对原结构的影响、施工难易程度、工期等功能指标的权重确定，分析论证了采用粘结型钢法加固梁在技术和经济上都比采用加大截面法更优。

2.3 加大截面法与外包钢加固法加固柱的技术经济分析

由于外包钢加固法施工速度快，为下一步工序争取了时间，缩短了工期，且节约加固材料，与加大截面法相比较，采用外包钢加固法时总成本大为节省，经济效益较高。

对混凝土框架柱的加固，选用外包钢加固法比较适宜，它对加固构件的截面尺寸和外观影响很小，承载能力提高较大，对静力加固的结构必须考虑结构二次受力问题。外包钢加固法中一般选用低强钢材，这样可以减少加固构件的应力和应变滞后现象而充分发挥后加部分的潜力；为提高二次组合结构结合面的粘结性能，保证新旧两部分能整体工作共同受力，加固结构所用水泥及混凝土，要求收缩性小，最好微膨胀，与原构件的粘结性好，早期强度高。

3 工程实例

合肥站改造工程站房改造后总建筑面积为27 690 m2，主体二层，建筑主体高度23.65 m，依据检测单位对既有结构检测、鉴定结果，为节约投资，设计方案保留了局部框架结构。由于加层、楼面荷载变化和其他原因，既有结构的部分框架柱、梁、板的配筋等不能满足规范及承载力要求，需对合肥站软席候车区、普通候车区、贵宾候车区以及行包库等既有结构进行加固。

（1）柱选用外包钢加固法加固

根据工期、经济性、环境等因素，柱选用外包钢加固较为合理。

站房框架柱多采用外包L75×（6-8）的角钢，中间采用相应厚度的连接板予以固定，梁体多采用外粘贴U型箍以提高梁体的抗剪承载力以达到设计要求。将强度高的L75角钢粘贴在柱表面时，不仅能保证柱子和角钢作为一个整体共同受力，还能封闭粘贴部位的裂缝，约束柱子变形，从而提高柱子承载力。

（2）主要梁选用粘钢加固法加固

根据站房荷载大、加固面积广等特点以及结构计算结果，主要梁选用粘钢（Q235B钢、厚度3 mm～10 mm）较为经济合理。

（3）板选用碳纤维加固法加固

根据检测报告，局部楼板厚度小于原设计板厚且存在裂缝。粘贴一层碳纤维布（采用高强度Ⅰ级，300 g/m2）即可满足承载力要求，所以碳纤维加固的经济性优势明显。

4 结束语

合肥站改造项目加固工程达到了预期效果，保证了结构的安全，投资控制在经济合理的范围内，但由于改造加固后设计合理使用年限为30年，加固后的结构要定期检查维护，所以使用过程中要一定的维护成本。

混凝土结构或构件的各种加固方法各有优缺点，实际工程中要考虑多种因素，应根据不同工程特点、适用性、承载力补强大小、刚度等方面综合分析选定。