混凝土增大截面加固法在某工程改造中的运用

顼 玫

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司,山西 大同 037000)

1 混凝土结构加固发展趋势

随着中国经济的健康有序发展,节能、节地、节材是建筑行业必须遵守的准则,新建建筑体量趋于饱和,已建建筑结构维修改造和加固是必然趋势。其中混凝土结构因其成型后不可更改的固有特点,所以混凝土结构的维修和加固是整个建筑加固的基础和关键。目前混凝土结构加固的主要方法有以下几种:

1)增大截面法;2)混凝土置换法;3)外包型钢加固法及粘贴钢板法;4)粘贴碳纤维加固法等。

建筑加固作为建筑工程领域的一项关键技术,随着社会发展和城市化进程的加速,正逐渐成为重要的建筑保护手段。随着城市老旧建筑数量的增加,建筑加固技术在维护和更新现有建筑方面的需求逐渐凸显。为了延长建筑寿命、提高抗灾性能,许多城市开始注重对老旧建筑的加固工程。这不仅有助于保护文化遗产,还能提高建筑的整体安全性和可持续性。新型建筑材料和技术的不断涌现为建筑加固提供了更多选择,高性能混凝土、碳纤维增强材料等新型材料的应用,以及先进的监测和评估技术,为建筑加固提供了更为灵活、高效的解决方案。这种技术创新不仅提高了加固效果,还降低了工程成本,推动了加固技术的不断发展。随着人们对建筑结构安全性的不断关注,建筑加固在抗震减灾方面的应用逐渐成为研究的热点。在地震频发地区,通过加固建筑结构,提高其抗震性能,成为维护社会安全和降低灾害损失的紧迫需求。因此,加固技术在地震工程领域的研究和实践日益深入,对于构建更为安全可靠的城市环境具有重要意义。诸多混凝土结构加固方法的优缺点和适应性在实际建筑物实施过程中得到了验证和检验,与其他加固方法相比,增大截面加固法的许多优势逐步凸显,在不同类型的混凝土结构,如桥梁、建筑物和水利工程中都得到了成功的应用,验证了该方法施工方便、成本相对较低、对原有结构影响小,应用范围广的优势,成为今后混凝土结构加固的流行趋势。

2 增大截面加固法原理及设计

2.1 增大截面加固法的工作原理

增大截面加固法是增大原混凝土构件截面面积并增配钢筋,以提高其承载力和刚度或改变其自振频率的一种直接加固法。本方法适用于钢筋混凝土受弯和受压构件的加固。结构加固完成后的受力是构件新增加结构和原有老结构共同作用的受力。如果受力单独作用在新结构或老结构上,将会导致新结构或老结构破坏后,其余结构再次单独受力,其结果是整个结构受到破坏,不能起到加固作用。这就需要结构构件的新、老结构完美结合,才能保证共同作用、共同受力。加固结构的新加部分,因应力应变的滞后而不能充分发挥其效能,尤其是当应力、应变值较高时,对于以混凝土承载力为主的受压和受剪构件,往往会出现原结构与后加固部分先后破坏的各个击破现象,致使加固效果不理想或不起作用,为此,采用增大截面加固法对混凝土结构进行加固时,应采取措施卸除或卸除大部分作用在结构上的活荷载。加固时进行卸荷,由于应力应变滞后现象得以降低或消失,破坏时新旧两部分就可同时进入各自的应力状态,那么结构的总体承载力可显著提高[1]。

建筑结构构件根据不同的受力选用不同的加固方式。受压构件主要承受竖向荷载的作用,当竖向荷载确定后,增加受压构件承载力涉及两个方面:第一,提高构件单位面积上的承载力,首先是提高材料的密度,一般来说钢筋混凝土结构再次增加其密度很难做到;其次就是对构件进行约束,在一定程度上提高其承载力,例如橡皮泥受压后将会四面扩大,如果将橡皮泥放在矿泉水瓶中,那么橡皮泥就能承受更大的压力,这就是约束起的作用。第二,增加结构构件的受力截面面积即增大截面加固。受弯构件主要承受荷载的弯矩,增加受弯构件的承载力,同样可以选择增大截面的受压、受拉面积,并可同时在受拉区增加受拉材料的强度[2-3]。

2.2 增大截面加固法的技术特点

增大截面法在设计构造方面必须注意解决好新增加部分和原有部分的整体工作和共同受力问题。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的应力状态,其中主要的是拉力和剪力,在弹性阶段,结合面的剪应力和法向拉应力主要是靠新旧结合面的黏结强度承担,开裂或极限状态时,将主要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摩擦力来传递。

2.3 增大截面加固法的设计要求

1)混凝土强度要求不能低于相应结构形式的混凝土最低要求,如果原构件混凝土强度等级低,或者密实性差,甚至还有蜂窝或空洞等缺陷时,应先置换不满足要求的混凝土,再进行加固。

2)原构件表面除进行凿毛外,还应采取涂刷结构界面胶、种植剪切销钉等措施,以保证新旧混凝土的共同工作。

3)在截面受拉区增补主筋加固钢筋混凝土构件,试验结果表明,若原构件主筋的极限拉应变均能达到现行设计规范的0.01水平,而新增的主筋又按规范采用了热轧钢筋,则正截面受弯破坏时,一次受力和二次受力两种受力性质的新增主筋均能屈服,均可近似按一次受力计算,只是在计算中应考虑新增主筋在连接构造上和受力状态上不可避免受到各种因素的综合作用,导致其强度不能完全发挥,从安全角度出发,要对新增钢筋的强度进行折减。

3 工程应用

3.1 工程概况

桐城金域办公楼为北方某集团建设的办公楼。东西长49.15 m,南北宽42.9 m,呈正方形布置,结构体系为框架-剪力墙结构。地下2层,层高4.5 m,地上8层,层高3.9 m。因建筑使用功能调整,根据甲方要求,对5层—8层结构进行改造及加固。改造内容为:建筑功能改变造成部分内隔墙的拆除和增设,电梯间的封堵,中庭增设花园等,均造成荷载增加。部分结构构件受力状态发生改变,因此必须对建筑进行加固处理。

3.2 加固方案比较

我们从建筑安全性、经济性、适用性和耐久性出发,综合比较了以下几种加固方案,并与业主进行了方案论证,最终实现了业主所有的要求。

3.2.1 粘钢加固法

考虑到便捷的施工过程和改造期间机械应用不方便的现状,我们首先选用将钢板采用黏接剂黏结于混凝土构件的表面,使钢板与混凝土形成统一的整体,利用钢板良好的抗拉强度达到增强构件承载能力。但计算过程发现部分构件纵向受力钢筋一侧配筋率小于0.2%,根据规范要求,此类构件不适合采用粘钢法。

3.2.2 置换混凝土加固法

选用将承载力不足的钢筋混凝土构件通过对构件原有混凝土进行剔凿,然后浇筑比原有混凝土更高等级的新混凝土,来达到使用目的。但经过造价人员的核算,剔凿混凝土只能使用静力拆除,无法利用机械,以防止对其他构件造成破坏。这种施工方式极大提高了施工成本,超出了甲方改造预算,该方案不予通过。

3.2.3 粘贴纤维复合材加固法

根据相关规范,采用纤维复合材进行方案论证。因为该类材料具有良好的抗拉强度,把它粘贴到钢筋混凝土构件表面,使其与混凝土共同作用,提高构件承载能力,但同样因为此类材料不适合纵向受力钢筋一侧配筋率小于0.2%的构件,因此该方案也不能实施[4]。

3.2.4 增大截面法

钢筋混凝土受弯、受压构件的承载能力与其截面呈正比例关系,增大截面法是通过在原有构件截面外新增受力钢筋以及混凝土,使新旧受力钢筋和混凝土共同作用,增大构件截面尺寸,提高构件承载能力。该方案无论构件受拉、受弯都可以解决,并且受力明确,造价合理,可操作性强,最后确定采用该方案。梁加大截面示意图和1—1剖面图见图1,图2。

4 加固施工控制

1)改造加固工程必须由有资质的施工单位来承担,且这类施工任务必须要有具备相关技术和有相关经验的管理人员及操作工人,而且这些人员要有高度的责任心,否则不但难以保证施工质量,还可能对原有结构产生大量损伤和破坏,造成安全隐患[5-6]。

2)加固改造前必须经检测单位确认结构本身构件是否有安全隐患。有裂缝时,在改造加固时应首先根据裂组的所在部位、形状、宽度,分析其产生的原因及对构件承载力有无影响,然后采用不同的处理方法进行处理。

3)在本次加固工程中,为满足承载力的需要,采用混凝土加大原梁、柱构件截面加固法,按现行规范的做法,为保证新加部分混凝土与原有构件共同工作而设置了大量锚栓或植筋拉结。为了避免该做法较多地损伤原构件的混凝土或截断原有钢筋,本次设计采用新的节点做法。即将原有柱相隔一定距离把保护层剔凿掉与新混凝土形成槽齿连接传递剪力。柱新增截面的纵向受力钢筋配置在角部,以便在楼板处避开梁直通[7]。

4)加固工程中,植筋、锚栓锚固长度对结构的质量有非常大的影响,而且对于常规的梁、墙、柱等构件,其宽度、厚度很难满足锚固长度。采用植筋、锚栓时,必须注意最小边距和最小中距的规定,还应特别注意在原有构件钢筋密集的部位钻孔和定位的可能性,严禁损伤和截断原构件受力钢筋。

5)后期施工过程中,施工单位必须与设计单位进行密切配合。对设计中的构件构造做法和施工要求,除对施工单位进行详细技术交底外,还应进行多轮讨论会。

5 结语

通过增大截面加固法加固的该办公楼已经顺利施工和验收。加固方案具有诸多优势,为结构工程领域提供了一种经济、高效、可行的解决方案。增大截面加固法显著提高了结构的整体承载能力。通过增加构件的截面尺寸,有效增加了结构的抗弯能力和承载能力,使原本受力较弱的部位得到加固,提高了结构的整体稳定性,并且增大截面加固法对结构的抗震性能有显著提升,更重要的是增大截面加固法维护了原有结构形态。这种方法更注重保持原有结构的外观和形态,能够最大限度地减小对结构形态的影响,使得结构在经过加固后依然具有独特的文化和历史价值。此外,增大截面加固法的施工过程相对简便,降低了加固工程的施工难度和成本。不需要拆除原有结构,只需在构件的外部增加附加材料或构件,从而减小了对结构的影响和施工,也降低了施工成本。竣工使用后,受到甲方和施工单位一致好评。