混凝土结构加固改造后安全性评定及处理对策

赵承明

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430064)

某选煤厂主厂房建于20世纪80年代初［1］，自投产使用起，主厂房特殊的用途及工艺导致其内部使用环境不断恶化。空气干湿交替频繁，有害气态介质、液态离子含量不断增加，构件表面固态附着物积聚，加上动力设备长期的振动荷载作用，部分钢筋混凝土构件已经出现较为严重的损伤劣化现象，如混凝土疏松剥落、微裂缝密布、顺筋裂缝扩展、钢筋裸露锈蚀等，已对正常的生产和安全构成威胁。近年来为适应局部工艺改进的要求，厂房内部设备的布局发生较大改变。因此，需要对主厂房部分区域结构构件进行改造加固，以满足工艺改进后整体结构生产使用的安全性要求。除新增构件外，设计单位在主厂房钢筋混凝土构件的加固设计时主要采用了梁柱加大截面法和梁外包型钢法。加固改造施工结束后，对主厂房改造区域构件进行了安全性检测，并进行设计校核，然后对加固改造后构件及结构的安全性进行评定，提出了进一步的加固维护处理对策。

1 主要检测内容及结果分析［2］

1．1 使用环境及原钢筋混凝土结构可靠性

1)主厂房建于20世纪80年代初，限于当时的设计和施工技术水平，构件成型后混凝土强度较低、保护层厚度较小，施工质量一般。钢筋混凝土构件普遍存在蜂窝、麻面等现象，大部分构件表面存在大量不规则的微细裂缝，部分构件存在严重的锈胀裂缝，最大裂缝宽度达到5 mm，已造成部分构件表层混凝土疏松剥落。

2)主厂房内部钢筋混凝土构件所处的气态、液态环境中有害介质含量较之正常环境要大几十倍至几千倍，根据《工业建筑防腐蚀设计规范》，判定主厂房内部气态介质、液态介质对钢筋混凝土的腐蚀性等级均为中级，煤泥等固态附着物对混凝土也有较大的腐蚀作用。并且，主厂房内部部分构件处于比较频繁的干湿交替状态，导致钢筋混凝土材料及构件劣化严重，引起钢筋锈蚀、混凝土开裂、承载力下降等一系列安全性问题。

3)主厂房内部所检测的结构构件的混凝土碳化深度平均值在25 mm以上;混凝土抗压强度值基本满足原设计要求(原200号)，部分梁柱混凝土抗压强度值低于设计要求，且离散性较大;混凝土脆性增加，渗透性很高;内部钢筋锈蚀率在5%～15%之间，为中度锈蚀，钢筋承载能力衰退，延性降低。

4)因选煤工艺的要求，主厂房内部钢筋混凝土结构具有较特殊的错层、孔洞等，且内部布置许多大型工业振动设备，自重在几吨到几十吨之间，振动频率较大。测试结果表明，大型振动设备下钢筋混凝土构件做低周高频的受迫振动;钢筋混凝土梁在跨中由振动引起的应变增量达到了95με甚至更大。

5)主厂房内部复杂的结构布置、特殊的工艺和力学环境造成构件、局部乃至整体结构的不良受迫振动，而长期的受迫振动会加剧混凝土内部微裂缝的扩展，导致构件变形加剧，同时与恶劣的自然环境耦合作用，加快钢筋混凝土构件的劣化速率，引起损伤腐蚀加剧，造成构件及结构承载力下降，严重影响结构可靠性和使用寿命。

1．2 粘钢加固钢—混凝土粘结力

在主厂房加固设计中，对于多数承重梁采用了外包型钢的加固方法，对比《混凝土结构加固设计规范》规定，这种方法常见于柱的加固补强，而对于受弯构件的加固则不多见，且原设计所采用外包型钢加固法既不是湿法加固，也不是干法加固，而是介于此二者之间。现场实际的施工与设计及规范要求存在一定的出入，如“U”型钢板仅用锚栓锚固在混凝土上，而无其他可靠连接，加固改造施工时没有对相应部位进行卸载等。

采用ZY-10型锚杆拉力计对加固构件的钢—混凝土之间的粘结力进行检测(见图1)。从现场检测时钢—混凝土结合面破坏情况可以发现，厚度为5 mm的钢板主要表现为混凝土破坏，胶—混凝土破坏(粘结破坏)为次;厚度为8 mm的钢板表现为混凝土破坏(见表1)。在选煤厂如此恶劣的自然环境和力学环境等多重因素耦合作用下外包型钢加固效果将产生一定折减。

图1 外包型钢加固效果检测

表1 钢—混凝土粘结强度检测结果

1．3 新旧混凝土整体性

在主厂房加固设计中，部分梁柱采用了加大截面的加固方法。在选煤厂恶劣自然环境和力学环境下，采取加大截面加固法是可行的，但必须严格按照规范［3］规定设计和施工，而且在加固改造施工时需要对原有结构进行卸荷处理，防止结构处于二次受力状态。但是，从实际取芯检测发现，原有混凝土表面打毛处理效果不明显，轻微撞击后，加大截面用细石混凝土界面即与原有混凝土界面剥离开，一定程度上影响了加固效果(见图2)。

图2 扩大截面加固新旧界面图

2 加固设计计算校核［2］

在对选煤厂主厂房使用环境及钢筋混凝土构件可靠性检测结果分析的基础上，考虑相关参数的折减，利用PKPM设计软件对主厂房进行由单个构件到整体结构的设计复核验算。将计算分析结果与折减后的实际情况进行对比校验，获得相关差额数据。

2．1 外包型钢法理论计算校核

外包型钢法一般用于混凝土柱的加固，被加固柱不仅提高了承载能力，延性也得到了提高，而很少用于加固受弯构件。本文对于型钢加固梁的理论计算校核采用等效成钢筋面积的方法，同时考虑钢筋混凝土构件因内部钢筋锈蚀、混凝土劣化而引起的承载力下降及加固施工过程中对构件所造成的二次损伤等因素，而对原构件承载能力进行一定程度的折减。

以另一被加固受弯构件为例，构件断面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具体加固方法为下部新增2根∠63×5的角钢。根据规范［3］及本文计算原则计算可得，需增加钢筋面积ΔAs=1 326 mm2，新增等效钢筋面积1 229 mm2＜1 326 mm2，因此加固不满足要求。

在对外包型钢加固构件按照上述计算原则进行计算校核后发现，部分构件加固后仍不能满足承载力要求，仍然需要进一步的加固处理。

2．2 加大截面法理论计算校核

对于加大截面加固过程中新增加的钢筋(增补筋)，由于其相对于梁内原筋存在着应力滞后现象，因此规范［3］规定对增补筋的抗拉强度设计值，应乘以0．9的折减系数。但是规范仅考虑了对增补筋的折减，而未考虑原有构件在长时间服役过程中由于各种因素影响导致其承载力的降低，已有研究表明，混凝土劣化、钢筋锈蚀等因素都会使钢筋混凝土构件承载能力下降。因此，本文在参考相关研究资料的基础上，结合实际检测分析结果，对原构件承载力进行了一定程度的折减。

以某被加固受弯构件为例，构件断面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具体加固方法为下部加高100 mm，上部加高80 mm，上部新增2根直径22的二级钢筋，下部新增3根直径22的二级钢筋。根据规范［3］及本文计算原则计算可得，需增加钢筋面积ΔAs=815 mm2，新增钢筋面积1 140 mm2＞815 mm2，满足要求。

在对加大截面加固构件按照上述计算原则进行计算校核后发现，部分构件加固后仍不能满足承载力要求，需要进一步的加固处理。

3 安全性评定及处理对策

3．1 安全性评定

综合主厂房钢筋混凝土构件可靠性检测结果和结构复核验算的计算差额，依据《工业厂房可靠性鉴定标准》的评定体系［4］，评定选煤厂主厂房加固改造后上部钢筋混凝土结构系统项目安全性等级为:大部分B级，部分C级(承载能力、正常使用性能和耐久性能不满足要求，但主要承重构件尚有一定的安全储备，短期内不至于发生意外事故，变更使用，进行全面修复和加固)，个别构件D级(承载能力严重不足，有发生意外事故的可能，停止使用，进行大修和加固)。

3．2 处理对策

综合分析检测结果、加固设计计算校核及安全性评定结论，提出进一步处理对策。

1)对混凝土剥落、钢筋外露、锈蚀但在加固改造施工中未进行处理的B级构件，应将表面疏松混凝土剔除，并对钢筋除锈，再用水泥砂浆将其凹凸不平部位进行分层修补完整。2)结合检测、计算校核及安全性评定结果，对于未加固的C级，D级构件，必须进行加固处理，且在加固时应对被加固构件进行卸荷处理;对于加固后仍不能满足安全使用要求的构件，应采取措施进行二次加固;对于改造过程中新增加钢筋混凝土构件应进行一定的防腐蚀处理，保证其耐久性。3)在进行进一步的加固设计时必须采取分类加固补强和长期维护并重的原则，并优先采用粘贴碳纤维材料和增大截面的加固方法，同时确保加固材料与原结构的相容性和长期粘结力。4)对于振动影响明显区域，应采取有效的减振措施，并对振动设备附近部分主要构件进行长期跟踪观测，重点研究在选煤厂工业厂房这种恶劣自然环境和特殊工艺力学环境耦合作用下构件的长期承载能力变化规律、内部损伤劣化规律及构件和整体结构的耐久使用寿命［5］。

［1］中华人民共和国煤炭工业部选煤设计研究院．《180万吨选煤厂主厂房》和《上海大屯煤矿矿区选煤厂主厂房》施工图［Z］．1978．

［2］上海大屯能源股份有限公司．选煤厂主厂房改造部分结构安全性检测校验及鉴定(内部资料)［Z］．2006．

［3］GB 50367-2006，混凝土结构加固技术规范［S］．

［4］GB J144-90，工业厂房可靠性鉴定标准［S］．

［5］吕恒林，周淑春，吴元周，等．煤矿地面工业环境中钢筋混凝土结构劣化机理和防治技术研究［A］．2007年第一届海峡两岸三地混凝土技术研讨会论文集［C］．2007．