钢筋混凝土结构加固改造技术及其在工程中的应用

刘 洋（潍坊瀚诺置业有限公司，山东 潍坊 262500）

混凝土材料具有高强度、耐久性好、防火抗震性能好、可塑性强等优点，在大量建筑物兴建时得到广泛应用[1]。钢筋混凝土建筑在服役过程中，由于外荷载和环境等各种因素的影响，加之建筑使用年限的增加和建筑功能的变化，不可避免地会引起结构性能降低，甚至出现安全隐患[2-3]。因此，对钢筋混凝土结构进行加固改造是保证其安全性和耐久性的重要措施[4]。随着建筑工程领域的不断发展，钢筋混凝土结构加固改造技术也在不断进步和完善，确定科学合理的加固方案成为现有建筑物加固改造中的重要研究热点[5-6]。

本文以山东省某市框架剪力墙多层科研楼为研究对象，在综合分析现有钢筋混凝土结构加固改造技术的基础上，确定结构受力体系的加固方案，并运用力学方法验算结构的受力，运用SAP2000 有限元软件对结构进行模态分析，以验证加固效果。

1 工程概况

山东省某市多层科研楼为全现浇框架剪力墙结构，设10 层地上建筑、1 层地下室结构，大楼平面形状大致呈矩形，建筑物横向长度为40m，轴网间距为8m，建筑物纵向宽度为35m，轴网间距为7m，建筑首层高度为6.5m，其余楼层高度为3.2m，地下室结构高度为4.5m，结构基础形式为钢筋混凝土筏板基础，筏板厚度为400mm，持力层为③层中砂，地基承载力特征值为240kPa，建筑抗震设防烈度为7度（0.15g），本地基本风压为0.3kN/m2，不考虑基本雪压。建筑修建于2010年，由于建筑结构使用功能调整以及科研任务的扩展，需要对结构进行加层并采用轻钢结构玻璃幕采光屋面进行封闭，增加层数为1 层，楼面活荷载保持2.5kN/m2。建筑物既有梁、板、柱结构均为现浇，混凝土强度等级均为C35，钢筋混凝土柱截面尺寸为600mm×600mm，主纵梁尺寸为400mm×650mm，次纵梁尺寸为250mm×450mm，横梁尺寸为200mm×300mm，剪力墙厚度为300mm。

2 既有钢筋混凝土结构加固技术对比

目前，既有钢筋混凝土结构加固技术众多，包括增大截面加固法、植筋技术、外粘贴钢板、外包型钢、粘贴纤维材料加固等，这些方法的加固原理和适用范围各不相同，并与其加固施工相匹配，具有各自独特的优点和缺点[7]。不同加固方法对比如表1所示。

表1 钢筋混凝土结构不同加固改造技术对比

3 钢筋混凝土结构加固改造方案的确定

综合分析建筑物加层改造后的上部荷载，验算基础整体承载力，结果表明，地基和基础的受力和变形均满足要求，只需对加层后各楼层的梁体和柱子进行重新验算，确定合理的加固改造方案。从表1 中可知，对于柱子的加固方法可选择范围较多，可以采用增大截面加固法、外粘贴钢板、外包型钢和粘贴纤维材料加固，考虑到建筑物用途为科研设施，加固时间段仍需保持正常的运营工作，每层楼预留给加固改造的空间有限，尽管增大截面加固法具有成本优势，但其浇筑混凝土施工需要耗费较长的时间，对工程的影响较大[10]；外粘贴钢板则会产生粉尘和噪声污染，给正常的科研工作造成不便；外包型钢则不具有成本优势。综合考虑加固成本、加固时间和施工便捷性，钢筋混凝土柱采用粘贴纤维材料的加固方法，钢筋混凝土梁采用粘贴纤维材料+梁顶压力注胶粘钢的加固方法。

以首层框架柱为例，柱尺寸为600mm×600mm，原设计采用的钢筋强度等级为HRB400，极限抗拉强度为360MPa，混凝土强度等级为C35，混凝土轴心抗压强度fc为16.7MPa，抗拉强度ft为1.57MPa，结构重要性系数γ0为1.0，按照公式（1）计算纤维复合增强材料的用量，得到其加固方案如图1 所示。加固方案采用的粘贴纤维材料为碳纤维布，碳纤维布的弹性模量≥250GPa，抗拉强度≥3.4GPa，按“隔一加一”的方式进行加固，加固宽度为200mm，间隔宽度也为200mm，粘贴沿着柱体四周进行环向包裹，共包裹3 层，每层叠加长度不少于200mm，其余楼层的加固方式与首层一致。

图1 首层柱子粘贴纤维材料加固方案

式中N为钢筋混凝土柱的轴向压力，kPa；e为偏心距，为纵向受拉钢筋的抗拉强度，为纵向受拉钢筋的面积，mm2；ff为纤维复合增强材料抗拉强度的设计值，kPa；Af为维复合增强材料抗拉强度的面积，mm2；h0为钢筋混凝土柱的有效受压高度，mm；h为梁高，mm；b为梁宽度，mm；a1为受压钢筋合力点到截面近边的距离，mm；a′为受拉钢筋合力点到截面近边的距离，mm。

以JG-KL110梁为例，梁尺寸为250mm×600mm，原设计采用的钢筋等级为HRB400，极限抗拉强度为360MPa，混凝土强度等级为C35，混凝土轴心抗压强度fc为16.7MPa，抗拉强度ft为1.57MPa，结构重要性系数γ0为1.0，最小配筋率为ρmin=max(0.2,45×ft/fy)%=max(0.2,0.179)%=0.2%，配筋面积为As=1100mm2，钢筋混凝土梁的加固方案设计时，验算梁截面的最小配筋率如公式（2）所示，满足最小配筋率要求，确定相对界限受压区高度如公式（3）所示，计算相对受压区高度如公式（4）所示，计算钢筋混凝土梁弯矩设计值如公式（5）所示。

钢筋混凝土梁加固方案中的碳纤维片材类型为高强I级碳纤维布，材料弹性模量设计值为230MPa，碳纤维片材厚度为0.167mm，片材设计强度为2300MPa。加固时，沿钢筋混凝土梁纵向按“隔一加一”的方式进行加固，加固宽度为200mm，间隔宽度为200mm，外露碳纤维表面喷涂防火涂料，在连体顶部设置8mm钢板，并采用拉力注胶，运用M12化学螺栓对钢板进行锚固，螺栓按梅花形布置，螺栓中心间距为300mm，钢筋混凝土梁的加固方案如图2所示。

图2 钢筋混凝土梁的加固方案

4 加固前后建筑结构模态对比分析

为了研究建筑结构加固改造效果，运用SAP2000有限元分析软件对加固前后的建筑物结构进行模态分析，得到结构前3阶基本振型参数，如表2所示。

表2 加固前后建筑结构前3阶基本振型参数对比

从图2 中可以看出，在加固前，随着振动阶数的增加，结构的振动周期逐渐减小，频率和圆频率逐步增加，在第一阶振型和第二阶振型中，结构主要以平动为主，而在第三阶振型中，结构主要发生扭转运动，表明更高阶的振动阶数结构的形态变得更加复杂；建筑结构改造加固后，随着振动阶数的增加，结构的振动周期、频率和圆频率与改造加固前具有相似的变化规律，但在同一阶振型中，相比于加固前，加固后建筑结构的周期变大，频率和圆频率变小，表明建筑物结构的阻尼增加，振动能量在结构中损失更快，结构对风荷载和地震荷载等外部干扰的响应速度变慢，具有更大的刚度和稳定性，加固前周期比为0.87，加固后周期比为0.35，加固后周期比远小于规范中周期比为0.9的限值要求，取得了良好的加固效果。

5 结语

以山东省某市框架剪力墙多层科研楼为研究对象，在综合分析现有钢筋混凝土结构加固改造技术的基础上，验算结构强度，确定结构受力体系的加固方案，得到以下结论：

（1）综合考虑加固成本、加固时间和施工便捷性，钢筋混凝土柱采用粘贴纤维材料的加固方法，钢筋混凝土梁采用粘贴纤维材料+梁顶压力注胶粘钢的加固方法。

（2）随着振动阶数的增加，结构的振动周期逐渐减小，频率和圆频率逐步增加，在第一阶振型和第二阶振型中，结构主要以平动为主，而在第三阶振型中，结构主要发生扭转运动。

（3）在同一阶振型中，相比于加固前，加固后建筑结构的周期变大，频率和圆频率变小，加固前周期比为0.87，加固后周期比为0.35，加固后周期比远小于规范中周期比为0.9的限值要求，表明建筑物具有更大的刚度和稳定性，取得了良好的加固效果。