过火钢筋混凝土结构加固方法与技术的应用

杜津津 山西三建集团建设工程有限公司

1 背景

对建筑物整体结构进行加固是一项涉及面积较广的工作，建筑物年久失修，建筑的移位、纠倾、增层、改造都需要结构加固，包括自然或人为灾害而损坏的建筑物加固处理。加固结构的形式包括钢筋混凝土结构加固、钢结构加固和砌体结构加固等。使用钢筋、混凝土材料对整体结构加固时，需要保障新增加的构件设施与以往存在的结构之间能够紧密、可靠的连接；并且新增加的要与以往存在的截面位置牢固连接，使其能够成为坚实稳定的共同体，一起抵抗压力与拉力。在工作中要避免对未加固区域、结构、构件、地基基础等位置发生不利的行为。对在加固过程中出现的倾斜与失稳、变形、坍塌等情况的钢筋混凝土建设结构时，要安置相关的临时安全保护设施。

2 案例分析

某超市由于意外原因引起大面积失火，造成该工程框架结构严重损伤。原建筑结构形式为框架结构，地上两层，一、二层建筑层高分别为6m、4.5m。总建筑面积为13390.6m2。大火过后，二层预应力混凝土空心板出现断裂，个别已脱落，经权威部门对结构可靠性进行了鉴定检测，

检测结果：混凝土构件烧伤深度分别在0cm～3cm、0cm～4cm、0cm～5cm 不等，受损情况复杂，所有预应力混凝土空心板已失去了其本身的预应力性能。需要根据其缺陷程度和性质进行加固设计，让结构具备安全性与实用性，并能够符合施工标准。结构加固前依据原有设计图纸鉴定受损构件，组织相应专家进行受力分析。

加固方案：依据火灾后鉴定结果应遵循以下原则。①设计方案在满足安全要求的前提下，技术可靠、简单实效，经济合理，综合考虑现场实施操作的实效性。②加固部位要统筹考虑做到等强设计，加固部分要考虑未加固部位，对未加固部位进行有效过渡衔接，使其加固后结构传力明确，受力合理。③加固构件与旧结构构件共同工作，并且考虑新加固构件对旧构件的影响。④通过补强后，提高原有受损结构的承载能力，使加固后结构满足原有设计要求。

经过各种方案的比选，最终设计方案为：该超市采用选择性保护拆除（保留原有建筑物的主要承重结构柱和梁，保留的承重结构柱梁需依据设计受力计算进行加固）的方法，先将一、二层所有受损预应力混凝土空心板全部拆除，依据原有设计计算受力板配筋，配出相应钢筋，进行楼板模板支设，绑扎楼板钢筋，最后补浇C30商品混凝土。

原有柱、梁、板主要加固施工内容包括：①柱：钢绞线网喷射混凝土、干式包钢、增大截面。②梁：外包钢加固、粘钢补强加固、粘贴碳纤维布。③板：粘贴碳纤维布。

3 主要应用的加固方法及其特点

（1）通过喷射方式进行混凝土补强工作。主要是指通过利用喷射机械设备，将细石混凝土喷向被加固体，让新受力构件的表面与被加固结构之间良好结合、共同工作，构件整体在受弯过程中，提升受剪承载力的加固手段。当结构加固工程选用喷射混凝土时，将表面过火受损混凝土剔凿，使新旧混凝土完美结合，混凝土配比需要先在作业前对其调配，确定其性能符合设计工作需求后再利用。（2）增大截面加固法。在充分发挥原有设计结构构件承载力的基础上，对受损结构进行受力分析计算，做出增强的方法。使用此方法加固时，应采取措施拆除结构上活荷载。该方法造价低，承载力满足要求，但需要扩大原有结构构件占用建筑面积。防止占用多余的空间，经业主同意仅适合使用在对已经弯曲或是受到压迫的构件加固中。（3）碳纤维混凝土结构加固技术是一种新型的结构加固技术。①碳纤维作为市场中使用次数最多的材料，通过将该材料的纤维布，与性能优秀的环氧类粘接化学剂组合在一起，共同将其附着在需要加固的表面。适用于多种样式的结构之中（像是梁、节点、拱、壳等）。该加固技术具有高强、高效率、使用方便、耐久、耐腐蚀、不增加结构构件截面尺寸，不增加自重等的一系列优势。②构件表面附着的纤维复合型材料，不得将其直接放置在阳光下及有害介质中，需要对其表面开展相应的防护措施。在选择使用表面的防护材料时，需要保障其不会对纤维、化学黏性剂等物质产生伤害，还会与结构之间具备一定程度的黏结性，共同拥有科学协调的变形性能。在加固过程中，预制成型的板材使用的纤维复合材料总量要在1～2层之间；而湿法铺层的编织物，要将使用的总量保持在3层左右。③通过受力分析，在受损结构构件抗弯区承载力不足时，采用表面粘贴碳纤维布的方式，使两者共同工作，从而达到设计承载力。（4）外粘钢加固：通过在受损构件上粘贴固定钢材，提高原受损构件的设计承载力的方法，使用特别制定的化学胶将钢材与结构的表面进行黏结，促使钢材与原有混凝土结构之间形成一个整体，共同增加整体在抗剪与抗弯方面的使用性能，达到原有设计要求承载力，该方式主要使用在框架节点以及柱子位置的加固工作中。（5）粘贴纤维复合材与粘钢有共同的设计及施工特点：①采用粘贴纤维复合材（或钢板）方法加固的混凝土结构，其需要在长期稳定的环境内部使用，并保障其环境温度要＜60℃。②纤维复合材、钢板等材料全部粘贴到受拉面中，出现工作困难时，可以让一部分的纤维复合材、钢板材料，在梁的两侧对称粘贴。该过程中，侧面位置的粘贴要保持在受拉边缘区域的1/3梁高内，并根据设计规范要求对其两侧位置粘贴的纤维复合材截面开展计算。

4 工艺流程及材料选用

4.1 喷射混凝土补强技术

（1）钢绞线网喷射混凝土：剔凿及打磨→钢绞线网片敷设→喷射混凝土面层。（2）材料：通过将强度较高的镀锌钢丝绳制作金属网，并使用有效的生锈阻隔措施，可在新浇混凝土中使用掺入阻锈剂。混凝土集料级配要好，喷射的过程中严格控制水灰比。（3）新旧结合层处理：受损的结构层处理不彻底，使得新旧混凝土的黏结连接效果差，影响喷射后面层的受力，施工时应剔凿至露出坚实的结构面，冲洗干净。

4.2 碳纤维布粘贴

（1）基面处理、清洗→涂底层涂料→黏结面修补→粘贴碳纤维布→养护→外表防护处理。（2）材料：碳纤维采用聚丙烯腈基不大于15K 的小丝束纤维。碳纤维布与其他结构胶粘剂配套使用时，需要对材料抗拉强度标准、其与混凝土的粘接强度进行重新做适配性验证。（3）被加固的结构混凝土表面，应进行裂缝修补，除去表面受损层，并打磨平整，钢筋露出要防锈处理。

4.3 粘钢

（1）钢板的制作工序→基底的处理工作→胶水的配比→对钢板进行粘贴→材料的固定与加压工作→凝固→检查验证→防腐防火处理。（2）与混凝土构件进行粘贴的钢材，需要对其进行多方面的防锈蚀处理工作。（3）在胶黏剂将钢材与混凝土进行黏接时，要确保环境温度＜60℃；（4）依据加固位置进行打孔钻眼，避开钢筋；钻孔完成后进行清孔；（5）对框架梁的梁底进行正截面粘钢加固时，受拉钢板的粘贴应延伸至支座边或柱边，且延伸长度应满足设计规定要求；当受实际条件限制无法满足此规定时，可以在顶部的锚固区位置增加粘贴“U”形的箍板。在受弯结构的斜截面的剪承力不能达到使用标准时，可使用粘贴箍板的方式来对其加大固定程度。在进行箍板选择时，需要以锚封的闭箍，或是钢材的U 形状箍板为主。（6）胶水拌制严格按照说明配比，拌制量应根据工人操作人数，遵循少量多次的原则。（7）检查验证时，用手锤敲击钢板，遇有清脆声，则没有粘贴密实，应剥下钢板重新粘贴。（8）在钢板粘贴完成后，用刮刀刮去钢板表面粘结剂材料，进行防腐防火处理，涂刷分不同材料，分层涂刷。

4.4 增大截面加固

基底处理（混凝土表面打毛）→配胶→混凝土面层→养护。

对原构件混凝土表面处理，处理至混凝土坚实部位，凿毛、冲洗浮渣，涂刷界面剂，需要使用对界面涂刷等方式，确保新旧材料之间能共同协作工作。喷射混凝土施工时，新增加的材料厚度大于50mm时表面应挂网或局部加网片采取抗裂措施。混凝土加固养护应在喷射完成初凝固后1h 内洒水养护，保持表面湿润，养护时间根据水泥品种确定。

5 质量控制关键点

根据设计和施工的要求，建（构）筑物钢筋混凝土加固过程中，关键技术主要有以下几点。①常用的方案分析比较，选择出最优、最切实可行的方案。②多种加固方法如何划分施工段和作业面。③各梁、板节点等处碳纤维布粘贴质量如何保证。④粘钢加固钢板质量如何保证。

6 质量保证措施

6.1 影响施工段和作业面划分的因素及保证措施

6.1.1 影响施工段和作业面划分的因素

（1）在进行加固工作时，尽可能在不停止生产的情况下施工，要求施工速度快、工期短。（2）施工场地的面积较为狭小、场地拥挤，经常会受到机械设备和原有结构、构件的制约。（3）施工过程经常会被分为多个阶段进行，并且在该过程中还会受到多重因素影响使得进度中断。（4）多施工工艺，多工种交叉施工造成成品保护难度加大。

6.1.2 施工段和作业面的划分保证

（1）找出加固施工工程的主线工序。先进行构件受损剔凿处理，完成后大面积打扫冲洗，加固依据受力的顺序先柱后梁、板，先一层后二层。后期依据横道图进度计划，柱喷射混凝土和碳纤维布粘贴对工期起决定性作用，流水段的划分主要以这两道工序的施工快捷为准。为满足工期要求，两层作业面均安排施工。（2）碳纤维布粘贴和钢绞线网的安装在施工段1 段和3 段同时开始，钢绞线网安装完毕后，开始喷射混凝土施工，喷射混凝土时要单独占用施工作业面。（3）每一层要求不同流水段的梁板粘贴碳纤维布和喷射混凝土同时完成，然后交换工作面施工，这两项为先后工序。

6.2 影响碳纤维布粘贴质量的因素及质量保证措施

6.2.1 影响碳纤维布粘贴质量的因素

（1）基层面清理是否干净、平整；底胶应能够渗入原结构构件混凝土一定深度，依据经验渗透量大时增加涂刷遍数；（2）碳纤维布粘贴方法是否正确；粘贴方向要与受力方向一致，纤维布禁止折皱，减小弯曲度，铺贴平整，排除多余气泡；（3）碳纤维布粘贴完后，养护措施是否正确。

6.2.2 碳纤维布粘贴质量保证措施

（1）混凝土基面处理。必须仔细打磨，将其中的劣质混凝土、污渍、杂质等从现场清理出去，保证基面表面具备清洁、干燥的特点。（2）在粘贴施工前，要确定其表面处于干燥状态，温度保持在4℃左右，如果在此过程中不具备有效措施，禁止施工。（3）粘贴时，要使用棍状物体沿着纤维的方向将气泡挤出，让相应树脂胶能够与碳纤维充分混合。铺贴顺序及裁剪应提前计划，保证构件薄弱部位能补强。（4）表面防护。在放置24h 后，将塑料薄膜去除，并在其表面涂抹相应的基底树脂，等待完全处于干燥状态后，再涂抹水泥砂浆做出表面层。（5）选择使用的黏结材料，要与碳纤维片材进行配套。

6.3 粘钢加固钢板质量保证措施

（1）对板材进行加固的锚固非常重要，需要确保钢材再被拉断之前保证无脱胶、无粘接损坏的状态。粘钢加固采用补强钢板与并联U型箍板（或U型螺栓箍）固定于梁或其他加固节点上。箍板在粘贴时，需要与构件轴线保持垂直状态，禁止使用斜线粘贴的方式。（2）使用的锚固长度在不断增加过程中，钢材的潜力发挥难度便会随之增加，让粘接工作难度逐渐提高。反之钢材越薄，使用的胶水总量便会越多，对钢材防腐的难度也会因此提升。正常情况下，在粘钢加固工作中使用到的材料，钢板最佳厚度见表1。（3）黏结过程中使用的加固量，在受拉区域、受压区域时，分别在2层与1层，并且总厚度要小于9mm。

表1 钢板最佳厚度

7 安全保证措施

（1）所有受损预应力混凝土空心板拆除时，为保证工程不需要拆除构件的安全；保证工程周围环境安全及施工人员的人身安全，要将工程划分区域，先上后下，先局部后整体的顺序进行拆除。（2）拆除受损预应力混凝土空心板构件时，现场管理人员随时观察并记录与空心板相连或相邻的周边柱梁变形或位移等情况，如果发现偏差超出规范要求时，及时与设计院沟通，采取补救措施，以防造成质量和安全损失。（3）过火钢筋混凝土结构经加固设计后，采用的喷射混凝土补强、碳纤维布粘贴、粘钢、增大截面等加固方法施工时，为保证加固施工安全，需采取安全保证措施。（4）基层处理时，施工人员提前佩戴好个人防护用品，预防混凝土剔凿、钻孔时碎屑飞溅。（5）高空作业时，保证脚手架按照相关规范要求搭设牢固，施工人员上岗作业时同样佩戴好安全帽、护目镜、安全绳、防滑鞋等个人防护用品，有恐高症、高血压等疾病不得进行高空作业。

8 结束语

经过加固后的受损结构安全性得到了大大提高，各项指标均符合现行国家有关标准规定。钢筋混凝土加固技术的推广应用，可推动相关材料、工具和检测设备的研发和应用，改造项目因节材节地所产生的社会和经济效益显著。大幅度减少了新建成本，提高了原有建筑物的使用寿命。伴随科技实力的不断发展、强化，新形式的建筑使用材料逐渐出现在大众视野中，更加优秀的加固施工手段，将会在未来具备广阔的进步空间。