既有钢筋混凝土梁加固后可靠度分析

刘 俊 如

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

1 概述

全国既有建筑面积规模巨大，并且统计预测未来一段时间内全国既有建筑面积还将不断递增。虽然目前国内建筑业还处于大规模兴建阶段，但是不得忽视的是加固改造工程及其从业人员也在不断增多，所以有学者认为国内建筑业正准备走向新建与加固改造并行阶段。工程结构是否要加固主要看工程结构是否满足预先的设计功能要求。当工程结构快要达不到或已经达不到设计的功能要求时，应当考虑进行加固改造。仅就某市某区现存的4 000余套公管房而言，就有超过1/3的房屋结构曾有过或仍处于快要或已经达不到设计的功能要求的状况。

2 工程结构性能缺陷原因分析

致使工程结构不能满足设计的功能要求的原因是多方面的，可以总结如下。

2.1 结构接近或达到设计使用年限

正常情况下，工程结构是有一定使用寿命的，人们一般将其理解为设计使用年限。对于普通房屋而言，其设计使用年限一般为50年。虽然结构接近或达到设计使用年限时不一定就不能再使用，但是或多或少会存在病害。对于存在病害较多、较严重的建筑物，要考虑对其进行加固改造。

2.2 结构有先天性缺陷

工程结构的诞生要经过勘察、设计和施工这三个主要的建设过程，由于人为因素和自然因素的影响，工程结构可能会存在各种各样的先天性缺陷。先天性缺陷是否会表达，什么时候表达，以怎样的形式表达，表达后的结果怎样，这很难确定，因此说先天性缺陷的不确定性很大。但是人们可以通过检测手段和经验判断采取措施消除部分先天性缺陷，主要措施就是加固改造。

2.3 结构材料性能劣化

工程结构在使用过程中，由于环境因素的影响，如温度、湿度、冻融、氯盐等，会导致材料性能劣化以致结构损伤，并且损伤会随时间不断累积加重。对于钢筋混凝土结构而言，材料性能劣化主要是由混凝土碳化和钢筋锈蚀引起的，这会导致结构的承载力下降，进而影响工程结构的可靠性。

2.4 结构遭遇各种灾害

我国幅员辽阔，人口众多，每年频繁出现地震、洪水、风火等灾害，工程结构不可避免的受到影响。仅就火灾而言，全国每年接报火灾在30万起左右，其中建筑物火灾占火灾总数的90%以上。这些火灾使得不少建筑物提前报废，更使得大量的建筑物受到不同程度的损伤，如需继续使用，则应当经过评估后确定是否要进行加固改造。

2.5 结构使用功能改变

目前，越来越多的工程结构在使用过程中出现使用功能改变的情况，改变的后果往往是荷载增加、跨度增加、层数增加等，从而导致部分结构构件受力增大，极有可能满足不了实际使用要求。因此，在使用功能改变之前，应当进行力学分析，然后制定合理的加固方案，这样才能尽量不出现因结构使用功能改变而导致的建筑倒塌事故。综上，人们应当对仍在使用中的建筑物进行科学合理的日常管理维护，必要时对其进行加固改造，以保证建筑物满足设计的功能要求，从而避免发生事故产生损失。在这样的情况下，结构加固改造成为了一个比较热门的研究方向。通常来说，研究结构加固改造的基本目的是保证建筑安全可靠，最根本的目的是防灾减损。

3 研究发展

目前，由于强柱弱梁设计思想的影响，学者们对轴心受压和偏心受压加固柱的受力性能和可靠度研究较多。由于碳纤维复合材料优点较多，近些年国内外学者对碳纤维复合材料加固梁的加固实验研究以及可靠度研究也不少。还有学者研究加固方案优选的，但往往都是运用层次分析法或在此基础上改进的方法进行计算评估，虽然计算指标的覆盖面很全，但主观因素影响很大。此外，有些学者在研究加固梁时，并不考虑既有梁与拟建梁的不同。现总结部分研究进展如下。

3.1 加固前可靠度

1997年Dan M.Frangopol等提出了一种在腐蚀介质下计算钢筋混凝土梁可靠度的方法，该方法基于美国高速公路运输协会提供的规范公式和实测的钢筋截面损失数据。文章研究了腐蚀对钢筋混凝土抗弯和抗剪承载力的影响，最后提出了在腐蚀环境下，基于剩余寿命的可靠度设计方法。

2003年徐善华[1]给出了既有结构抗力、目标可靠指标和承载能力寿命预测的计算方法，建立了基于动态可靠度的既有结构承载力评估理论，并结合钢筋混凝土构件分析了结构抗力、动态可靠指标随时间的变化规律。新的既有结构的抗力衰减模型，并提出了考虑抗力随时间衰减的情况下，既有结构可靠指标的分析方法。

2012年杨超等[2]根据结构的失效模式确定了结构的功能函数，并由此建立了结构的极限状态方程，最后依据蒙特卡洛法运用ANSYS软件求出了结构的失效频率，进而估算出了结构的失效概率。

3.2 加固后可靠度

1999年贡金鑫等[3]针对钢筋混凝土轴心受压构件，考虑结构改变使用功能和结构承载力不足两种情形，采用增大截面法进行加固处理，然后将加固后的结构构件作为一个整体，考虑材料及荷载的变异性，采用一次二阶矩法计算了加固后的可靠度。2003年Dimitri V.Val研究了纤维复合材料加固钢筋混凝土柱的可靠度，分析时采用已有的经验模型来描述FRP对钢筋混凝土的约束作用，预测了加固后钢筋混凝土柱的承载力，并确定了钢筋混凝土柱与FRP共同工作时的强度折减系数。2007年郑雷纲根据构件加固后的目标使用期不同,以粘钢加固设计为例,考虑构件加固后的抗力衰减因素，以及不同目标使用期内的荷载取值的不同，对加固后钢筋混凝土构件进行了可靠性研究和分析。2012年李春霞[6]通过实验分析了滞后应变对抗弯加固效果的影响，然后对常见的三种荷载组合工况，采用JC法计算了在不同荷载效应比值下碳纤维布加固混凝土梁的可靠指标，并从可靠度角度出发建立了碳纤维布加固梁的受弯承载力实用设计公式。2013年王伟涛[7]考虑加固结构二次受力的影响，分析了结构构件加固前的应力水平对加固后材料利用率的影响，并对加固后影响可靠指标的因素进行了分析，最后对增大截面法加固钢筋混凝土梁的可靠度进行了分析。2016年Hassan Baji等考虑模型误差、材料属性、截面尺寸、FRP应变效应和载荷偏心率的不确定性，研究了FRP约束的RC柱的抗压变异性。然后，依据ACI 440设计FRP约束的RC柱，并计算了可靠指标。结果表明，为了达到传统钢筋混凝土柱的目标可靠度，需要将ACI 440指南的阻力减小系数修改为0.85。

3.3 加固方案优选

2009年徐天水[8]运用模糊数学理论，提出了混凝土可靠性鉴定较为合理的二级模糊评估模型。作者结合专家经验和研究成果将指标层和项目层评估分级标准化，通过逐层评估对现有混凝土结构进行综合评估，从而确定了建筑物的可靠性等级，最后进行了模糊优选。2009年石林[10]对常用建筑结构加固方案进行了详细的技术经济分析，建立了开放性的建筑结构加固方案评价指标体系，随后融合利用层次单排序和指数标度的改进权重确定方法，建立了改进的层次分析方法的基本构架，进而对建筑结构加固方案进行评价优选。2016年李勤等首先剖析了传统的理想点法并针对该法缺陷进行了适当改进，然后考虑技术、经济、社会环境等影响因素，运用改进理想点法来综合选择加固方案，建立了基于改进理想点法的建筑结构加固方案优选模型。

4 钢筋混凝土梁的加固设计理论

4.1 增大截面加固梁的设计

采用增大截面法加固设计时，须作出如下五点假定：梁的变形规律符合平截面假定；忽略中和轴以下混凝土的抗拉作用；混凝土极限压应变取为0.003 3cuε；纵向钢筋的极限拉应变取为0.01；纵向钢筋的应力取应变与弹性模量的乘积。

4.2 粘贴钢板加固梁的设计

采用粘贴钢板法加固设计时，除了要作4.1五个假定外，还须作出如下假定：钢板的拉应变按平截面假定确定；钢板的应力取拉应变与弹性横量的乘积；钢板的滞后应变应按加固前的初始受力情况确定；钢板与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。

4.3 粘贴碳纤维复合材法加固设计

采用粘贴碳纤维复合材法加固设计时，除了要作4.1的五个假定外，还须作出如下假定：碳纤维复合材的应力与应变关系取直线式，拉应力取拉应变与弹性模量的乘积；碳纤维复合材的滞后应变应按加固前的初始受力情况确定；碳纤维复合材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。

5 结语

增大截面加固法和粘贴钢板加固法的抗弯加固效果相当，粘贴碳纤维板加固法的抗弯加固效果最不好；结构破坏前新增钢板的抗拉强度能得到充分利用，而新增碳纤维板的抗拉强度并不能得到充分利用。