混凝土结构补强加固方案的优选.docx

混 凝 土 结 构 补 强 加 固 方 案 的 优 选周长东黄承逵(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室116023)摘 要 : 比较了现有的各种混凝土结构加固方法的优缺点 ,介绍了它们各自的适用范围。在此基础上 ,对实际工程应用中加固方案的优化选择作了系统的分析 ,提出只有通过方案优选 ,才能使加固工程的投资实现最小化 ,效益实现最大化。关键词 : 混凝土结构 ;补强加固 ;优选中图分类号 : tu37文献标识码 :a文章编号 : 1000 - 4637( 2003) 01 - 45 - 03引言国内外传统的混凝土结构补强加固方法有加大 截面法、外包钢套法、预应力加固法、增设支点法等 。 随着材料科学的发展和在土木工程中的推广应用 , 又 出现了外粘钢板 、外粘纤维聚合物 ( fiber rei nforced polymer ,以下简称 frp) 等新型加固方法。上述加固方法都已经在实际工程中有了较广泛 的应用 , 各有其优缺点以及合适的应用环境和适用范 围。对各种加固方法的计算理论、施工方法本文不再 过多介绍 , 在许多的规范和文献中都可以查到。本文着重介绍上述加固方法各自的优缺点及适用范围 , 在 此基础上对实际工程中加固方案的优化选择作系统 的分析。较大幅度地提高其承载力 ,增大延性和刚度。特别适用于大型结构和大跨结构 , 以及使用上不允许增大原构 件截面尺寸 , 却又要求大幅度地提高截面承载能力 , 增 大延性和刚度的结构的加固 。 本方法优点是施工简 便 , 现场工作量较少 , 受力较为可靠 ; 缺点是用钢量较 大 , 加固维修费用较高 , 不宜用在有腐蚀介质的环境 下。113预应力加固法 预应力加固法可在几乎不改变使用空间的条件下 , 改变原结构的内力分布并降低原结构的应力水平 , 使结构构件的承载能力得到提高。预先施加的应力能 够消除或减缓后加杆件的应力滞后现象 , 因此 , 后加部 分与原结构能较好地共同工作。预应力产生的负弯矩 可以抵消部分荷载弯矩 , 减小原有构件的挠度 , 缩小原 有构件的裂缝宽度 ,甚至可以使其完全闭合。本方法具有卸荷、加固及改变结构受力三种功能 ,特别适用于大跨结构加固。缺点是加固施工时增加了 施加预应力的工序和设备 , 对施工队伍的素质要求比 较高 ,并且要求原有混凝土强度等级不低于 c20 。114增设支点法 增设支点可以减少结构构件的计算跨度 , 大幅度提高结构构件的承载能力 , 减小挠度 , 缩小裂缝宽度。 当对增设的支点施加预应力时效果更佳。增设支点法的优点是简单可靠 , 适用于梁、板、桁 架、网架等水平结构的加固 , 缺点是影响原结构的建筑布局 , 使用空间减少 , 使用功能受到一定限制 , 并对生 产和生活的影响较大。115 粘钢加固法这种方法的优点是所用钢板很薄 , 粘钢加固构件 的二次受力特征不明显 , 外粘钢板与原混凝土构件的 共同工作性能良好 , 加固后几乎不改变构件的外形却0加固方法1111加大截面法加大截面法不仅可以提高原构件的承载力 , 还可 加大其截面刚度 , 改变其自振频率 , 增强结构的稳定 性和抗震能力 , 使使用性能在某种程度上亦得到改 善 ,已被广泛用于结构的强度、刚度和稳定性加固。加大截面法取材方便 , 施工技术简单 , 加固效果 稳定可靠。但这种方法现场湿作业多 ,施工周期长 ,对 原结构影响较大 , 如因截面增大而影响原有建筑效 果 , 减小使用空间 , 增加结构自重 , 有时甚至会因结构 自重的增加而须对原结构的基础进行附加加固 , 从而 大大增加加固成本 , 延长施工时间。采用这种施工方法时 , 往往造成原结构的使用中断 ,损失。112外包钢套法带来相应的间接外包钢套法可在基本不增大构件尺寸的情况下基金项目 : 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 20010141017) 。45 2003 年第 1 期混凝土与水泥制品总第 129 期能提高结构构件的承载力和正常使用阶段的性能 , 不仅具有良好的物理力学性能 , 还具有基本不减少建筑 空间 ,保持建筑物原貌的使用功能及加固取材容易 ,施 工简单快捷 ,对生产和生活影响较小 ;其缺点为要求基 体混凝土强度等级一般不低于 c15 , 环境温度不超过60 , 相对湿度不宜大于 70 % , 后期维护费用较高 , 不 宜用于腐蚀环境中。本方法对施工工艺要求较高 , 一 般应由专业队伍施工。116外粘纤维聚合物加固法 混凝土加固工程中常用的纤维种类主要有碳纤维和玻璃纤维 , 它们的共同特点是强度高 , 自重轻 , 耐腐 蚀性好 ,施工工艺简便快捷 ,用于补强加固时对原结构 几乎没有影响 ,加固修补效果及耐久性好 ,可以显著提 高被加固构件的抗弯、抗剪、抗扭、抗拉承载力和抗震 性能 , 增强构件的延性和刚度 , 改善构件的受力性能 , 适用于混凝土结构抗弯、抗剪、抗扭承载力加固 , 抗震 加固 ,耐腐蚀加固( 适用于腐蚀环境下的工业与民用建 筑) , 耐久性加固 ( 如结构抗裂等) , 但不适用于柱轴压 比不够的承载力加固。碳纤维加固混凝土构件 ,极限承载力提高较大 ,但 塑性提高不明显 ;玻璃纤维加固混凝土构件 ,极限承载 力提高不明显 , 但塑性提高较大 ; 碳/ 玻璃纤维复合加 固混凝土构件 , 其极限承载力和塑性均有明显提高。 经比较表明 ,碳/ 玻璃纤维复合加固混凝土构件的极限 承载力和塑性明显高于碳纤维加固的混凝土构件 , 但 加固成本却明显低于碳纤维加固的混凝土构件。地计算出来 ,它的取值随着加固方案的不同而变化。因为加固方案的不同 , 施工时的干扰程度也不同 , c 3 的取值也相应地变化 ,c 3 ( 0 , + ) 。当加固施工 对原结构的正常使用影响很小时 ,c 3 可近似地取为 0 ; 当结构在使用过程中 ,不允许有外界干扰时 ,c3 近似地 取为 + , 即结构不应加固 , 只能择地重建。其它情形 下 ,c 3 的值在 0 + 之间变化。c 4 也可根据外防护层的定期更换要求来精确计 算。混凝土加固工程使用期内的总费用 c 即为上述费 用的总和 , 即 c = c 1 + c 2 + c 3 + c 4 ; 加固后结构的预 期使用寿命表示为 t。在 t 时间内 ,加固后的结构能够 满足相应的规范要求以及正常的使用要求。加固方案优选我们所期望的最优加固方案是加固后单位使用时 间内的平均投资额 f 最小 ,即 f = c/ t 最小。可见 ,加固工程的单位成本与 c 成正比 ,与 t 成反 比。其中 c 容易算出 , t 的确定与混凝土保护层的碳化 腐蚀、钢材的锈蚀以及粘结胶与纤维基体的老化失效 密切相关。对钢筋混凝土结构 ,在保证可靠性基础上的使用寿命的长短取决于钢筋的锈蚀与否 。当混凝土碳 化或氯离子侵蚀到钢筋时 ,钢筋就有锈蚀的危险。这时 如不及时检修 ,将严重影响混凝土结构的使用寿命。所 以 , 评估旧的混凝土结构的剩余使用寿命时 , 应以混凝土的碳化深度以及氯离子的侵蚀深度为依据。 混凝土的碳化深度 d ( mm) 与碳化速度系数 k及碳化时间 t ( 年) 的平方根的乘积成正比 ,即 :3加固工程费用分析混凝土加固工程从发现问题到加固后使用年限 末 ,可能包含的费用有 :( 1) 前期准备费用。主要有鉴定检测费用 ,加固方 案的咨询及设计费用等 ,表示为 c 1 。( 2) 加固直接费用 , 即加固方案的实施费用 , 主要有原材料费用、人工费、施工机具的费用等 , 表示为c 2 。( 3) 间接费用 , 即加固施工对原结构的干扰造成 的间接损失 , 比如商场饭店等的营业额的减少 、加固 施工对环境 、交通以及相邻结构的影响所承担的费 用 ,表示为 c 3 。( 4) 长期费用 ,加固后结构在预期使用年限内的养 护费用 ,如钢材的防腐等 ,表示为 c 4 。c 1 越大 , 即检测鉴定的费用越高 , 对原结构的了 解越详细 , 加固方案的选择越合理 ; 加固设计费用越 高 , 设计人员所考虑的因素越多 , 加固方案更趋于合理。但总体来说 ,c 1 的差别不太大。c 2 的计算比较简单 , 根据加固方案可以比较精确2( 1)d = kt根据加固前的检测报告中的混凝土实际碳化深度 ,加固部分混凝土的碳化时间可以算出 :k= d 0 ( 2)t 022d 1d 1( 3)t 1 = t 022kd 0式中 , t 1 为加固部分混凝土碳化时间 , 即从加固施工完成时算起的碳化达到钢筋表面所需的时间 ,年 ;t 0 为 加固前构件已使用的时间 , 年 ; d 0 为加固前构件的实 测碳化深度 , mm ; d 1 为加固部分的钢筋保护层厚度 , mm。氯离子的侵入深度 d = kcl, 其中 k cl 为氯离t子腐蚀系数。由此可以算出加固部分可以经受的氯离子侵蚀时间( 年) :d cr( 4)kcl =t 022 d 1 d 1( 5)t 2 = t 02k 2d crcl46周长东黄承逵混凝土结构补强加固方案的优选式中 , t 2 为加固部分耐氯离子侵蚀的时间 , 即从加固施工完毕时算起的氯离子临界含量的侵入深度达到 钢筋表面所需的时间 ( 年) ; d cr 为加固前构件中氯离子 临界含量的侵入深度 , mm ; d 1 为加固部分的钢筋保护 层厚度 , mm。取 t 为 t 1 、t 2 中的较小值 , 即为加固后结构的预 期使用寿命。由于外粘钢板以及外粘纤维聚合物加固法 , 加固后结构的预期使用寿命取决于所选粘结胶体的耐久 能力 ,其耐久年限由生产厂商给出。在混凝土结构加固中的应用 , 混凝土结构基本理论及组合理论研究的不断深入和完善而迅速发展 , 单位使 用时间内的投资额 f 也将相应地减小。参考文献1 王永维 , 梁坦 1 建筑结构鉴定与加固 1 四川建筑科学研究 , 1997年第 2 期2 王孔藩 1 力学在建筑结构诊断 、加固中的广义延拓 展望 21 世纪学科的发展 1 建筑物鉴定与加固改造第五届全国学术讨论会论 文集( 上册) ,2000 年汕头3 战高峰等 1 公路水泥混凝土路面结构可靠性优化设计的方法 1吉林工业大学学报 ,1997 年第 4 期456混凝土结构加固技术规范( cecs 25 : 90) 1 中国计划出版社碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程( 送审稿) ,2001张有才等 1 建筑物的检测 、鉴定 、加固与改造 1 冶金工业出版加固工程的实施程序发现具体工程问题 ,如明显裂缝、倾斜等 现场调 查研究 , 提取相应设计施工资料 , 询问相关人员 , 获取 第一手资料 分析问题原因 , 如有必要 , 进行相应的 现场检测鉴定 采取必要的维修措施 , 如有必要 , 进 行加固补强处理 加固方案的选择及优化 加固方4社 ,19977 姜浩 , 熊光晶 , 纪梓斌等 1 碳纤维/ 玻璃纤维复合加固混凝土桩 的抗压性能研究 1 汕头大学学报( 自然科学版) ,2001 年第 1 期8 卫龙武 , 吕志涛 , 朱万福 1 建筑物评估加固与改造 1 江苏科学技 术出版社 ,19939 邸小坛 ,周燕 1 旧建筑物的检测加固与维护 1 地震出版社 ,199110 张富春等 1 建筑物的鉴定加固与改造 1 中国建筑工业出版社 ,199211 王广军 1 震损建筑修复加固的设计与施工 1 地震出版社 ,199412 赵彤 , 谢剑 1 碳纤维布补强加固混凝土结构新技术 1 天津大学 出版社 ,2001案设计 ( 包括施工方案)加固后的定期养护加固工程施工及其验收 结论( 1) 混凝土结构加固方案的选择不应只局限于直 接投资的多少 ,即本文中所示的 c 2 部分。只有通过系 统的分析 ,使单位使用时间内的投资额 f 最小 ,才能达 到效益的最大化。( 2) 混凝土结构补强加固技术涉及钢筋混凝土结 构基本理论、加固材料性能及组合结构的力学特性这 三个学科领域的交叉 , 必将随着新材料的不断出现及5收稿日期 : 2002 - 06 - 29作者简介 :周长东 ,男 ,1971 年生 ,大连理工大学博士研究生 通讯地址 :大连市凌工路 2 号大连理工大学土木系结构研究室 联系电话 : 0411 - 4708510 - 80747彩 色 水 泥 瓦 成 套 设 备本设备采用国外先进技术。瓦规格 420 330mm。瓦型为大 s 型 , 立体感强 , 色彩鲜艳多 样。抗折荷载大于 150kg ,吸水率低于 8 % ,各项指标均达到国内先进水平。生产能力分别为班产1000 片、2000 片、4000 片。所需厂房 150m2 ,功率 10kw ,人员 6 人。不需土 ,不需烧结。生产成本按每平方米计仅为 8 元 , 售价可达 20 元 , 利