建筑结构加固设计

1、 第三章第三章 混凝土结构的加固设计混凝土结构的加固设计 混凝土结构加固技术规范 一般规定一般规定 设计原则设计原则 计算计算3.1 3.1 概述概述一、一般规定一、一般规定1.经可靠性鉴定需要加固时经可靠性鉴定需要加固时，则必须进行加固则必须进行加固； 2.加固内容及范围加固内容及范围 （鉴定结论和委托方的要求）；3.验算验算：计算简图计算简图 计算截面积计算截面积 附加内力附加内力 基础验算基础验算4.设计与施工方法紧密结合设计与施工方法紧密结合 （例图）（例图） 确保新浇混凝土与原结构连接可靠，协同工作；5.对于地基不均匀沉降、振动、高温等造成的结构损坏对于地基不均匀沉降、振动、高温等造

2、成的结构损坏 应在加固设计中提出相应的处理对策后再进行加固应在加固设计中提出相应的处理对策后再进行加固。 例例：确保新浇混凝土与原结构连接可靠的措施确保新浇混凝土与原结构连接可靠的措施 例：结构加固施工总说明结构加固施工总说明 （8）为确保加固工程施工质量，新、老混凝土交 接面处必须按如下步骤施工： 1）老混凝土界面必须凿毛，凹凸不小于6mm。 2）用钢刷将混凝土碎块，浮渣灰清除干净。 3）将原混凝土表面冲洗干净，再用新鲜425号水 泥浆或界面剂涂刷表面。 另外，施工中必须轻敲轻凿，不得损伤原结构。 二、加固设计的特点（与新设计的区别）二、加固设计的特点（与新设计的区别） 设计修改图较多（技术

3、核定单技术核定单）； 非唯一性； 受到一定的制约。 应考虑：安全，经济，结构构件实际受力情况； 构造要求； 施工的可行性，施工方法。三、加固方法三、加固方法（介绍3种） 增大截面增大截面加固法； 外粘型钢外粘型钢加固法； 外加预应力外加预应力加固法；置换混凝土置换混凝土加固法； 粘贴钢板粘贴钢板加固法； 粘贴纤维复合材粘贴纤维复合材加固法等 四四、材料材料 水泥水泥 混凝土混凝土 钢材及钢材及焊接材料焊接材料 胶粘剂胶粘剂 纤维和纤维复合材纤维和纤维复合材 裂缝修补材料裂缝修补材料 阻锈剂阻锈剂例：1.混凝土强度等级混凝土强度等级： 应比原设计提高一级且不得低于提高一级且不得低于C20C20。

4、2. 选用微膨胀、钢纤维、喷射混凝土等微膨胀、钢纤维、喷射混凝土等时， 施工前应试配应试配，检验其性能，符合要求后方可使用。 不得使用铝粉铝粉作为混凝土的膨胀剂。3. 混凝土中所掺的粉煤灰粉煤灰应为级灰， 且烧失量不应大于5。 3.2 3.2 混凝土梁、板、柱的加固混凝土梁、板、柱的加固3.2.1 3.2.1 混凝土梁、板、柱承载力不足的原因及表现混凝土梁、板、柱承载力不足的原因及表现一、承载力不足承载力不足？二、承载力不足的外观表现承载力不足的外观表现： 压区混凝土压碎； 挠度偏大； 钢筋严重锈蚀（照片照片）； 裂缝过长、过宽（受力裂缝的判别）。三、承载力不足的原因承载力不足的原因 施工，设

5、计，使用，其他。 3.2.2 3.2.2 加固方法加固方法（形式形式 计算方法计算方法 构造构造 施工要求施工要求） 一、增大截面一、增大截面加固法 （一）形式形式 a）梁、板梁、板 板加厚 梁加高 拉区加筋浇混凝土 b）柱柱 a. b. c. d.(压区) e.(拉区) f.(双面)增大截面法加固钢筋混凝土柱增大截面法加固钢筋混凝土柱式中 加固后的轴向压力设计值； 、 加固前、加固后新增部分 混凝土截面面积； 、 新增纵向钢筋和原纵向钢筋的 抗压强度设计值； 构件稳定系数构件稳定系数，按加固后的 截面，按现行规范取值； 新增纵向受压钢筋截面面积； 综合考虑新增混凝土和钢筋 强度利用程度的强度

6、利用程度的修正系数修正系数， 取 =0.8。00000.9 ()ccyscsccysNf AfAf Af A N0cAcAyf 0yf sAcscs（二）计算方法计算方法 （考虑新混凝土与原结构协同工作考虑新混凝土与原结构协同工作） 2.1 轴心受压构件轴心受压构件： 2.2 偏心受压构件偏心受压构件 矩形截面正截面承载力计算公式矩形截面正截面承载力计算公式100000.90.9ccssssysysNf bxf AfAAA100()0.9()2ccyssxNef bx hf A ha0000000()()ssssyssfAhaAaa010000.8(1)sscuyhEfx00.8(1)sscu

7、yhEfx式中 新旧混凝土组合截面的混凝土轴心抗压强度设计值, 可按 确定； 、 分别为新旧混凝土轴心抗压强度设计值； 原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应力； 当算得 时，取 ； 受拉边或受压较小边新增纵向钢筋应力； 当算得 时，取 ； 原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋截面面积； 原构件受压较大边纵向钢筋截面面积； 原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点到 加固后截面近边的距离；01(0.9 )2ccccfff00syf00syfccfcf0cf0sssyfsyf0sA0sA0sa 原构件受压较大边纵向钢筋合力点到加固后截面近边的距离； 受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面近边的

8、距离； 受受压较大边新增纵向钢筋合力点至加固后截面近边的距离； 受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至 加固后截面受压较大边缘的距离； 原构件截面有效高度； 偏心距，为轴向压力设计值 N 的作用点至新增受拉钢筋 合力点的距离。 按规范计算时，其增大系数 应乘以下列修正系数 ： 1 1 对围套或其他对称形式的加固： 当 时： ；当 时： 。 2 2 对非对称形式的加固： 当 时： ；当 时： 。esa0sasa0h01h0/0.3eh 0/0.3eh 0/0.3eh 0/0.3eh 1.11.21.21.3 2.3 2.3 受弯构件受弯构件按实际情况，采用受压区受压区、受拉区受拉区两种形式 （1

9、）受压区受压区加固的受弯构件混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范混凝土结构混凝土结构加固加固设计规范设计规范 关于关于叠合构件叠合构件的设计的设计。（2）受拉区受拉区加固的受弯构件混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范混凝土结构混凝土结构加固加固设计规范设计规范 新增钢筋强度利用系数新增钢筋强度利用系数。0001000222axAfxhAfxhAfMsysysys000001sysyssycAfAfAfbxf02hxab 正截面受弯承载力应按下式确定： （5.2.3-1） （5.2.3-2） （5.2.3-3） 构件加固后弯矩设计值； 新增钢筋强度利用系数；取0.9； 新增钢筋的抗拉强度设计值；

10、 新增受拉钢筋的截面面积； 构件加固后和加固前的截面有效高度； 混凝土受压区高度； 原钢筋的抗拉、抗压强度设计值；0001000222axAfxhAfxhAfMsysysys000001sysyssycAfAfAfbxf02hxabsyfxMA001hh、00yyff、 原受拉、受压钢筋的截面面积； 纵向受压钢筋合力点至混凝土受压边缘 的距离； 受压区混凝土矩形应力图的应力值与 混凝土轴心抗压强度设计值的比值； 当混凝土强度等级不超过C50时，取=1.0； 当混凝土强度等级为C80时，取=0.94； 其间按线性内插法确定； 原构件混凝土轴心抗压强度设计值； 矩形截面宽度； 增大截面加固后的相对

11、界限受压区高度。bb0cf1a00ssAA、增大截面后的增大截面后的相对界限受压区高度相对界限受压区高度 计算系数，当混凝土强度等级C50，取0.8； 混凝土极限压应变，取0.0033 ； 新增钢筋位置处，按平截面假设确定的初始应变值； 当新增主筋与原主筋的连接采用短筋焊接时， 可近似取 加固前受弯构件验算截面上原作用的弯矩标准值； 加固前在初始弯矩 作用下原受拉筋的应变值。 1cu1s0kM0s0kM01010,sshh111bsyscuscufE010011.60.6sshh001000.87oksssMh A E （三）构造要求构造要求（各方法均有其构造要求）1.新浇混凝土的最小厚度 板

12、：不应小于40mm 梁、柱：不应小于60mm 用喷射混凝土时不应小于50mm2.石子宜用坚硬耐久的卵石或碎石，最大粒径不宜大于20mm3.梁的纵向加固受力钢筋的两端应可靠锚固。 4. 板的受力钢筋直径宜用68 mm； 梁、柱的纵向受力钢筋宜用变形钢筋； 梁、柱钢筋最小（大）直径： 梁：不宜小于12 mm（不宜大于25mm）； 柱：不宜小于14 mm（不宜大于25mm）； 封闭式箍筋直径不宜小于8 mm； U型箍筋直径宜与原箍筋直径相同5.新、老受力钢筋间的净距 不应小于20 mm（图图），并采用短筋焊接连接；6.应采用封闭或U型箍筋， 并按规范构造要求设置(图图） a b c d e 增大截面

13、配置新增箍筋的连接构造注：d为箍筋直径 （四）施工要求施工要求 （1）符合施工验收规范的要求 （2）新、老受力钢筋应除锈处理，受力钢筋施焊前 应采取卸荷或支撑措施，并分段分层焊接。 （3）新、老混凝土交接面处理： 棱角打掉对原构件混凝土存在的缺陷清理至密实处，表面凿毛（或打成沟槽，沟槽深度6mm），除去浮渣，表面冲洗干净，原混凝土表面应以水泥浆等界面剂进行处理。a a）加大截面加固柱）加大截面加固柱 b）加大截面加固梁加大截面加固梁：（4）模板搭设；钢筋安置； 新混凝土浇注和养护等 应符合混凝土工程施工及验收规范混凝土工程施工及验收规范要求。注:采用外粘型钢加固时， 应采用改性环氧树脂胶粘剂胶

14、粘剂进行灌注。 （以前：湿式、干式两种）二、外粘型钢二、外粘型钢加固法 适用于需要大幅度提高截面承载能力和抗震能力截面承载能力和抗震能力 （一）（一）形式形式 （二）计算方法 1.截面刚度采用外粘型钢加固时，其加固后的承载力和截面刚度可按整截面计算；其截面刚度EI的近似值按下式计算： 和 分别为原原构件混凝土和加固型钢的弹性模量 原原构件截面惯性矩； 加固构件一侧外粘型钢截面面积； 受拉与受压两侧型钢截面形心间的距离。2000.5ccaaaEIE IE A a0cEaE0cIaAaa2.轴心轴心受压构件正截面承载力3.偏心偏心受压构件正截面承载力 新增型钢强度利用系数强度利用系数， 抗震设计时

15、取1.0，其他取0.9。10000000000()()2()()cysssssaaaaaxNef bx hfAhaAaaf A ha01000.81sscuhEx00.81aacuhEx00000.9 ()ccysaaaNf AfAfA100000cysssaaaaaaNf bxfAAf AA a（三） 构造要求1.应优先选用角钢， 角钢的厚度厚度：不应小于5mm， 角钢的边长边长：柱不应小于75mm；梁不应小于50mm2.外粘型钢的两端两端应有可靠的连接和锚固 柱：角钢下端应锚固于基础中；中间应穿过楼板；上端 梁：梁角钢应与柱角钢相互焊接3.排架柱： 应将加固的型钢加固的型钢与原柱头顶部的承

16、压钢板原柱头顶部的承压钢板相互焊接； （二阶柱） 上下柱连接处上下柱连接处及牛腿处的连接牛腿处的连接构造应予加强。 4. 梁、柱原构件截面的棱角棱角打磨成半经大于7mm 的圆角。5.型钢表面型钢表面（混凝土表面混凝土表面）宜抹厚度不小于25mm的高强度等级水泥砂浆作防护层，亦可采用其他防腐材料加以保护。 三、粘贴钢板加固法粘贴钢板加固法 （一）概述 1.1.形式形式 用胶粘剂胶粘剂将钢板钢板贴在构件外部的一种加固方法。 胶粘剂胶粘剂是以环氧树脂为基料，再加入适量的 固化剂固化剂、增韧剂增韧剂、增塑剂增塑剂配制而成的“结构胶结构胶”。 结构胶钢板 2.2.优点优点1）胶粘剂硬化时间快，施工周期短

17、，不（少）停产。2）工艺简单，施工方便， 可不动明火，对防火要求高的房屋特别适用。3）粘结剂的强度高于混凝土本体强度， 可使加固体与原构件形成一个整体，受力较均匀。4）不影响房屋的净空，不改变构件的外形。 （粘贴钢板所占的空间小，几乎不增加被加固构件的 截面尺寸、重量）。（二）结构胶性能（二）结构胶性能1.结构胶的组成（以环氧树脂为主剂）（1 1）环氧树脂优点）环氧树脂优点： a. 具有很高的胶粘性， 对混凝土等材料均有很好的粘结力。 b. 有良好的工艺性， 可配制成很稠的膏状或很稀的灌浆材料， 固化时间可根据需要进行适当调整。 c. 固化的环氧胶有良好的物理、机械性能， 耐腐蚀介质性能好，固

18、化收缩率小。 d. 材料来源广，价格较便宜，基本无毒。 环氧树脂只有在加入固化剂后才会固化， 单独的环氧树脂固化物呈脆性， 因此必须在固化前加入增塑剂、增韧剂增塑剂、增韧剂，以改变其脆性 提高其塑性和韧性，增强抗冲击强度和耐寒性。（2 2）固化剂）固化剂（种类很多） 常用： 乙二胺、二乙醇三胺、三乙醇四胺、多乙醇多胺等（3 3）增塑剂）增塑剂不参与固化反应，常用： 邻苯二甲酸二丁（辛）脂，磷酸三丁脂等。 （4）增韧剂增韧剂（活性增塑剂）参与固化反应，常用： 聚酰胺、丁晴橡胶、聚硫橡胶等 （5）稀释剂稀释剂（为了减小稠度） 常用： 丙酮、苯、甲苯、二甲苯等 目前市场上出售的结构胶结构胶均为双组份

19、。 甲组份甲组份：（A A组份组份） 环氧树脂并添加了增塑剂一类的改性剂和填料 乙组份乙组份：（B B组份组份） 由固化剂和其他助剂组成。 使用时按一定比例配制即可使用时按一定比例配制即可。 2.2.结构胶的物理力学性能试验结构胶的物理力学性能试验 粘钢所用的粘结剂，应符合表3.6的规定。 表 3.6 对承重结构胶粘结剂基本性能的要求 启用每一批胶时， 均应抽取一定数量的胶液， 按规程的方法，进行胶粘强度检验， 合格后方可使用。试验项目常温下的粘结强度(N/mm2)80下粘结强度（N/mm2）耐久性检验基材种类受力性质抗 剪轴心抗拉抗 剪抗 剪钢混凝土(A3) (C40)混凝土破坏混凝土破坏混

20、凝土破坏混凝土破坏钢钢182014（三）粘贴钢板加固梁破坏特征及钢板受力分析（三）粘贴钢板加固梁破坏特征及钢板受力分析 1.加固梁的破坏特征（1）梁底的钢板达到达到屈服强度 在适筋范围内，随着荷载的增加， 加固梁在钢板和梁中原钢筋屈服后， 因混凝土被压碎而破坏。（2）梁底的钢板未达到未达到屈服强度 梁的破坏是由于钢板端部与混凝土撕脱撕脱所致。 钢板被撕脱的原因钢板被撕脱的原因粘结钢板与混凝土中的钢筋相比，受力较为不利受力较为不利。 钢板的拉力仅靠单面的粘结应力来平衡；钢板的合力与粘结应力不在一条线上钢板的合力与粘结应力不在一条线上，它们形成一个 力偶，有使钢板产生与梁的弯曲方向相反的变形， 起

21、着剥离钢板的作用；粘结层粘结层处于不利的剪拉复合应力状态剪拉复合应力状态下工作；钢板端头缺少缺少与混凝土的锚固措施锚固措施；胶粘剂质量和施工工艺胶粘剂质量和施工工艺影响粘结效果。 2.粘贴钢板的应力滞后现象粘贴钢板的应力滞后现象 粘贴钢板在受力过程中存在着应力滞后现象应力滞后现象 因为一般是在不卸载的情况下进行加固的， 原梁中的钢筋中已有一定的应力存在， 而所粘贴的钢板仅在后加荷载作用下才产生应力。 因此，当原钢筋屈服时，钢板往往尚未屈服， 而当钢板屈服时，加固梁的挠度及裂缝会发展得很快。 （四）计算方法计算方法 当使用的胶粘剂经检验确认其粘结强度 满足混凝土结构加固设计规范的要求， 则胶粘剂

22、的粘结强度胶粘剂的粘结强度可采用规范表中的数值。4.1 4.1 受弯构件正截面加固计算受弯构件正截面加固计算 1.在矩形截面受拉、受压面粘贴钢板受拉、受压面粘贴钢板加固时, 其正截面承载力正截面承载力的计算公式。 2.对受弯构件正弯矩区的正截面加固时， 受拉钢板的截断位置距其充分利用截面的距离 不应小于粘贴延伸长度粘贴延伸长度。 3.加固后的相对界限受压区高度相对界限受压区高度的计算公式。 混凝土结构加固设计规范混凝土结构加固设计规范中的有关公式中的有关公式 10.2.310.2.3 在矩形截面受拉、受压面粘贴钢板加固时在矩形截面受拉、受压面粘贴钢板加固时, , 其正截面承载力应符合下列规定其

23、正截面承载力应符合下列规定： （10.2.3-1） （10.2.3-2） （10.2.3-3） （10.2.3-4） spspsoysyspspspcAfAfAfAfbxf00001ax 2spspspcucuspEfxh0,8 . 0)()2(0001ahAfxhbxfsyc)(000hhAfhAfsyspsp 加固后弯矩设计值； 混凝土极限压应变，取0.0033； 混凝土受压区高度； 、 矩形截面宽度和高度； 、 加固钢板的抗拉、抗压强度设计值； 、 受拉钢板和受压钢板的截面面积； 纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离； 加固前的截面有效高度； 考虑二次受力影响时，考虑二次受力影响时， 受拉

24、钢板强度可能达不到设计值而引用的折减系数受拉钢板强度可能达不到设计值而引用的折减系数； 当 时，取 。 考虑考虑二次受力影响时，受拉钢板的滞后应变二次受力影响时，受拉钢板的滞后应变， 按规范计算；若不考虑二次受力影响时，取按规范计算；若不考虑二次受力影响时，取 。 若受压面没有粘贴钢板（ ）， 可根据式10.2.3-1计算出混凝土受压区的高度 ， 按式10.2.3-3计算出强度折减系数 ， 按式10.2.3-2，求出受拉面应粘贴的钢板加固量 。 0 . 1sp0 . 1sp00,sp0spAxspspAxb hspfspf spAspAa0hspcu0,sp10.2.4 10.2.4 对受弯构

25、件正弯矩区的正截面加固，受拉钢板的截断位置距其充分利用截面的距离不应小于按下式确定的粘贴延伸长度粘贴延伸长度： （10.2.4） 受拉钢板粘贴延伸长度（mm）； 粘贴的钢板总厚度（mm）； 钢板与混凝土之间的粘结强度设计值（表10.2.4） 表表10.2.4 10.2.4 钢板与混凝土之间的粘结强度设计值钢板与混凝土之间的粘结强度设计值 （MPa） spbdspspsptftfl170bdf混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C50 C60粘结强度设计值0.61 0.80 0.94 1.05 1.14 1.21 1.31 1.35bdfsplsptbdf 对受弯构件负弯矩区的正截

26、面加固，钢板的截断位置距支座边缘的距离，除应根据负弯矩包络图按上式确定外，尚且按规范的构造规定进行设计。10.2.210.2.2 加固后的相对界限受压区高度 应按下式计算： 1. 对重要构件,采用加固前控制值0.9倍 (10.2.2-1) 2. 对一般构件,采用加固前控制值 (10.2.2-2) 构件加固前的相对界限受压高度。 4.1 4.1 受弯构件受弯构件正正截面加固计算截面加固计算 4.2 4.2 受弯构件斜截面加固计算受弯构件斜截面加固计算 4.3 4.3 大偏心受压构件正截面加固计算大偏心受压构件正截面加固计算 4.4 4.4 受拉构件正截面加固计算受拉构件正截面加固计算spb,bs

27、pb 0.9,bspb,b（五）构造规定（五）构造规定 采用粘钢加固混凝土构件，应满足下列构造要求： 1）粘钢加固基层的混凝土强度等级不应低于C15。 2）钢板厚度: 采用手工涂胶粘贴的钢板厚度不应大于5mm。 采用压力注胶粘结的钢板厚度不应大于10mm。 3）当粘贴的钢板延伸至支座边缘仍不满足规范延伸 长度的要求时，应采取锚固措施。 （六）粘钢施工要求（六）粘钢施工要求 （施工工艺流程）（施工工艺流程） 1 1.混凝土构件表面处理，混凝土构件表面处理， 2.2.钢板粘贴前的处理，钢板粘贴前的处理， 3 3.胶粘剂的配制，胶粘剂的配制， 4.4.钢板粘贴，钢板粘贴， 5.5.粘贴后的工作，粘贴

28、后的工作， 6.6.工程质量及验收。工程质量及验收。 1.混凝土构件表面处理混凝土构件表面处理： 1 1）表面（粘合面）很脏很旧）表面（粘合面）很脏很旧 用硬毛刷（沾洗涤剂）刷除表面油污后用清水冲洗， 对表面打磨，除去23mm 厚表层直至露出新面， 用压缩空气吹除粉粒。 待干燥后用脱脂棉（沾丙酮）擦拭表面。 2 2）表面（粘合面）不是很脏很旧）表面（粘合面）不是很脏很旧 直接对表面打磨，去掉l2mm 厚表层， 其余做法同上。 3 3）新混凝土表面（粘合面）新混凝土表面（粘合面） 用钢丝刷将表面松散浮渣刷去， 用硬毛刷（沾洗涤剂）洗刷表面或用压力水冲洗， 待完全干后即可涂粘结剂。 4 4）龄期在）龄期在3 3个月以内，或湿度较大的混凝土构件个月以内，或湿度较大的混凝土构件 尚须进行人工干燥处理。 2.钢板粘贴前的处理钢板粘贴前的处理 1）钢板粘结面除锈和粗糙处理除锈和粗糙处理 （a）未生锈或轻微锈蚀未生锈或轻微锈蚀 可用喷砂、砂布或平砂轮打磨，直至出现金属光泽 再用脱脂棉（沾丙酮）擦试干净。（打磨粗糙度越大越好，打磨纹路与钢板受力方向垂直） （b）锈蚀严重锈蚀严重 先用适度盐酸浸泡20分钟，使锈层脱落， 再用石灰水冲洗，中和酸离子， 最后用