混凝土结构加固常见问题的剖析

1、中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 混凝土结构加固设计规范GB 503672013混凝土结构加固常见问题的剖析,2013年版,2,目 次,I 结构加固方法概述 II 重点修订的内容 III 必须严格执行的强制性条文 IV 应重点学习的若干条文规定 V 结构加固设计中常遇问题的处理,3,I， 结构加固方法概述 1）粘钢加固 粘贴钢板法是在混凝土构件表面用结构胶粘贴钢板，以提高构件承载力的一种加固方法。该方法适用于对钢筋混凝土构件受弯、斜截面受剪、受压和受拉构件的加固，但不适用于素混凝土构件，包括纵向受力钢筋配筋率低于现行国家标准混凝土结构设计规范GB 50010规定的最小配筋率的构件加固

2、。,4,图II.3（1） 粘钢法加固形式示意图,5,2）粘贴纤维复合材加固 这种加固法是以结构胶为粘料，将纤维织物或纤维板材外贴于被加固构件表面，利用纤维复合材的高抗拉强度和受拉弹性模量达到提高结构承载力和延性的目的。目前常用的有三种纤维材料：碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芳纶纤维（AFRP）。它们的施工方法基本一致。,6,图II.3（2）-a 碳纤维织物（布）加固混凝土梁,7,图II.3（2）-b 板底贴碳纤维布加固,8,图II.3（2）-c 梁高（T形截面腹板高）450mm时应加贴腰压带,9,3）外贴型钢加固 这是在混凝土柱的四角包以型钢，并用结构胶粘结成整体的一种加固方法。最

3、常用的是在方形或矩形柱的四角粘以角钢，并在横向以钢缀板施加约束的做法。这种加固方法可以大幅度提高原构件的承载能力，且无上限的控制，又不影响建筑空间，因而为大跨、重型结构加固所首选，但须由熟练的钢结构专业人员施工。,10,图II.3（3） 外粘型钢加固,11,II.4 混凝土构件绕丝加固法 这是通过缠绕退火钢丝使被加固的受压构件混凝土受到约束作用，从而提高其极限承载力和延性的一种加固法。 在GB 50367中，主要用于位移延性不足的混凝土柱的抗震加固。施工单位喜欢在新浇柱的砼强度达不到要求时使用。因为它可提高原混凝土强度12级。,12,图II.4 绕丝构造示意图,13,II.5 钢丝绳网-聚合物

4、改性水泥砂浆面层加固法 这是将小直径钢丝绳网片（钢铰线网片）敷设并固定于被加固构件部位，再在其表面喷涂约30mm厚聚合物改性水泥砂浆面层，固化后形成整体受力的加固方法。一般用以替代碳纤维复合材加固砼或砌体构件。其优点是原构件表面处理简单，缺点与碳纤维相近。90年代开始从韩国引进，但应用不多。,14,II.6 外加预应力加固法 这是通过施加体外预应力，使原结构、构件的受力得到改善或调整的一种间接加固法。近几年来在江浙一带经常用来提高混凝土构件的承载力，减小结构变形或增大结构跨度等目的。,15,III 重点修订的内容,1 关于结构加固后设计使用年限的修订 原规范从既有建筑结构的使用情况出发，参照欧

5、美有关标准的规定，作出了以30年为宜的规定，而现实的国情是：有不少新建工程也存在着必须立即加固的问题，并且要求加固后的结构仍能保持50年的设计使用年限。这对使用普通结构胶加固的工程而言，有较大难度。因为这类胶通常是按30年的使用期设计的，,16,按国际上的共识，凡能通过2000h耐湿热老化检验者，便可认为能满足30年使用期的要求。如果要求结构胶能安全工作50年，按国际惯例，就必须以著名的Findley理论为依据，进行不少于5000h的耐长期应力作用的检验。经鉴定通过后，才允许用于结构加固工程。据此，为了及时处理这一急待解决的实际问题，本规范此次修订作出了相应规定（见第3.1.7条第2款）。,1

6、7,2 增加对增大截面法旧砼界面处理的规定 原规范未对原构件砼的界面处理作出规定，而建筑结构加固施工规范GB 50550也仅提出不全面的要求。为了应对当前增大截面加固工程的迫切需求，本规范此次修订在第5.5.2条中作出了：“采用增大截面加固法时，原构件混凝土表面应经处理；设计文件应对所采用的界面处理方法和处理质量提出要求。一般情况下，除混凝土表面应予打毛外，尚应采取涂布结构界面胶、种植剪切销钉或增设剪力键等措施，以保证新旧混凝土共同工作”的规定。,18,3 为避免加固量过大，并满足构件工作的延性要求，统一了受弯构件加固后的混凝土界限相对受压区高度的确定方法 原规范对粘钢加固和纤维复合材粘贴加固

7、，均分别按重要构件与一般构件给出了其加固后的混凝土界限相对受压区高度如下表所示：,19,执行情况表明没有必要作这样区分，而且取值也不甚合理。为此，经分析研究后，决定不分重要构件与一般构件，,20,统一取加固后的混凝土相对受压区高度为0.85 b。此时，对采用HRB 335级钢筋的构件，达到界限时，其钢筋应变约为1.5倍的屈服应变，可以满足构件的延性要求。这一规定对无粘结钢绞线预应力加固的构件同样适用。,21,4 完善了轴压构件采用外粘型钢法加固的计算公式 原规范由于验证性试验未完成，略去了混凝土在三向压应力作用下强度的提高。为此，在这次修订中依据试验结果，引入系数 来提高混凝土的强度。,22,

8、5 为确保抗震设防区使用锚栓连接具有可靠的抗震能力，对其计算与构造的规定进行了修订 原规范的锚栓一章基本上是参照欧洲相应标准编制的，其所采用的锚栓品种及其设计，虽经欧洲有关机构认证为“地震区适用”，但欧洲毕竟缺乏地震灾害的考验。,23,因而在经历了5.12强震后，编制组组织专家重新对原规定进行了评估。其结果表明：宜按美国ACI 318标准进行必要的充实。据此，在这次修订中，作出了如下新规定： （1）仅允许使用4种较为安全可靠的锚栓（见第17.1.3条）；,24,（a）自扩底锚栓,25,（b）模扩底锚栓,26,（c）胶粘-模扩底锚栓,27,（d）特殊倒锥形胶粘型锚栓,28,（2）参照ACI 31

9、8的规定，在锚栓承载力计算中增加了“承载力抗震调整系数”（即ACI 318的地震影响系数）： 对锚栓受拉：6度区及以下， 1.0；7度区， 0.85；8度区， 0.75。 对锚栓受剪：6度区及以下， 1.0；7度区， 0.80；8度区， 0.70。,29,（3）对抗震设防区承重结构用的锚栓连接，其有效锚固的最小深度作出规定： 后扩底锚栓的埋深规定,胶粘型锚栓的埋深规定,30,6 适当提高植筋连接粘结强度设计值 原规范对植筋连接的粘结强度设计值作了编于保守的取值规定。其理由是我国施工质量不如欧洲，而植筋技术在当时又是新引进的。现经十多年的应用已积累了不少数据和经验。在这种情况下，不少单位建议将其

10、粘结强度设计值提高到相当于欧美的水平。,31,7 考虑到后锚固工程在不少场合需要采用快固结构胶，但现行标准规范中尚未包括这类胶。为了解决这个现实问题，本规范给出了锚固型快固胶的安全性能鉴定标准（第4.4.5条）。,32,4.4.5 当结构锚固工程需采用快固结构胶时，其安全性能必须符合表4.4.5的规定。 表4.4.5 锚固型快固结构胶安全性能鉴定标准,33,续表4.4.5,34,注：1 快固结构胶系指在1625环境中，其固化时间不超过45min 的胶粘剂，且应按A级的要求采用； 2 检验及计算抗剪强度标准值时，取强度保证率为95%；置信水平 为0.90，试件数量应不少于15个； 3 当快固结构

11、胶用于锚栓连接时，不需做钢片单剪法的抗剪强度检 验。,续表4.4.5,35, 必须严格执行的强制性条文,第一条(3.1.8) 未经技术鉴定或设计许可，不得改变加固后结构的用途和使用环境。 制定本条文的依据： 结构的加固设计，系以委托方提供的结构用途和使用环境为依据进行的。倘若加固后任意改变其用途或使用环境，将显著影响结构加固部分的安全性及耐久性。因此，改变前必须经技术鉴定或设计许可，否则其后果将很严重。,36,第二条(4.3.1) 纤维复合材用的纤维必须为连续纤维，其品种和质量应符合下列要求： 1 承重结构加固用的碳纤维，应选用聚丙烯腈基不大于15k的小丝束纤维。 2 承重结构加固用的芳纶纤维

12、，应选用饱和吸水率不大于4.5%的对位芳香族聚酰胺长丝纤维。其5000h、1000MPa应力作用下的蠕变值不应大于0.15mm。,37,3 承重结构加固用的玻璃纤维，应选用高强度玻璃纤维、耐碱玻璃纤维或碱金属氧化物含量低于0.8%的无碱玻璃纤维，严禁使用高碱的玻璃纤维（A纤维）和中碱的玻璃纤维（C纤维）。 4 承重结构加固工程，严禁采用预浸法生产的纤维织物。,38,第三条(4.4.3) 纤维复合材抗拉强度标准值，应根据置信水平为0.99、保证率为95%的要求确定。不同品种纤维复合材的抗拉强度标准值应按表4.3.3的规定采用。,39,表4.3.3 纤维复合材抗拉强度标准值,40,续表4.3.3,

13、41,第四条(4.3.6) 对符合安全性要求的纤维织物复合材或纤维复合板材，当与其他非配套供应的结构胶粘剂配合使用时，必须按下列项目重新做适配性检验，且检验结果必须符合现行国家标准工程结构加固材料安全性鉴定技术规范GB 50728-2011第8.2.4条的规定。 1 抗拉强度标准值； 2 纤维复合材与混凝土正拉粘结强度； 3 层间剪切强度。,42,第五条(4.4.2) 承重结构用的胶粘剂，必须进行粘结抗剪强度检验。检验时，其粘结抗剪强度标准值，应根据置信水平为0.90、保证率为95%的要求确定。,43,第六条(4.4.3) 承重结构加固用的胶粘剂，包括粘贴钢板和纤维复合材，以及种植钢筋和锚栓的

14、用胶，其性能均应符合现行国家标准工程结构加固材料安全性鉴定技术规范GB50728-2011第4.2.2条的要求。,44,第七条(4.4.4) 承重结构加固工程中严禁使用不饱和聚酯树脂和醇酸树脂作为胶粘剂。 制定依据： 国内外所有的试验和试用均证明：不饱和聚酯树脂和醇酸树脂的耐潮湿、耐水和耐老化性能极差，对承重结构的胶粘加固危害极大。因此，为确保工程安全，作出了严禁使用这两种胶的规定。,45,第八条(15.2.4) 植筋用结构胶粘剂的粘结抗剪强度设计值fbd应按表15.2.4的规定值采用。当基材混凝土强度等级大于C30，且使用的是快固型胶粘剂时，表中的fbd值应乘以强度降低系数0.8。,46,第

15、九条(16.2.3)碳钢、合金钢及不锈钢锚栓的钢材强度设计指标必须符合表16.2.41和表16.2.42的规定。 表16.2.41 碳钢及合金钢锚栓钢材强度设计指标,注：锚栓受拉弹性模量Es取2.0105MPa； 表16.2.42 不锈钢锚栓钢材强度设计指标,47, 应重点学习的若干条文规定 .1 结构加固设计使用年限 3.1.7 混凝土结构的加固设计使用年限，应按下列原则确定： 1 结构加固后的使用年限，应由业主和设计单位共同商定；,48,2 当结构的加固材料中含有合成树脂（如常用的结构胶）或其他聚合物成分时，其结构加固后的使用年限宜按30a考虑；若业主要求结构加固后的使用年限为50a时，其

16、所使用的胶和聚合物的粘结性能，应通过耐长期应力作用能力的检验；,49,3 使用年限到期后，若重新进行的可靠性鉴定认为该结构工作正常，仍可继续延长其使用年限； 4 对使用胶粘方法或掺有聚合物材料加固的结构、构件，尚应定期检查其工作状态。,50,检查的时间间隔可由设计单位确定，但第一次检查时间不应迟于10年。 5 当为局部加固时，应考虑原建筑物剩余设计使用年限对结构加固后设计使用年限的影响。,51,从本条规定可以看出，与原规范相比，有以下不同： 1 扩大了业主和设计单位的权限； 2 对30年的使用年限的规定，仅限于使用结构胶和聚合物的加固。 3 对局部加固，其设计使用年限不应独立确定。,52,对于

17、第1款的规定，应注意的是：尽管专家们认定，世界上没有不能加固的结构，但应考虑的是：世界上也没有都值得加固的结构。因此，在设计单位与业主商定时，切勿误导业主。,53,关于第2款的30年规定，是由英国公路局首先提出的。其依据是基于粘钢的经验，并认为对纤维复合材等的粘结加固，也是合理和适宜的。这一规定随后被美国和欧洲其他国家所接受。,54,当以50年为设计使用年限时，国外有关标准、指南要求结构胶的粘结性能，应通过耐长期应力作用能力检验的规定，是由欧洲首先提出的。其所依据的是著名的Findley的理论，并通过5000h的验证性试验得到证实的。,55,.2 防止结构加固部分意外失效的应急规定,为防止结构

18、加固部分意外失效而导致的坍塌，在使用胶粘剂或掺有聚合物的加固方法时，其加固设计除应按本规范的规定进行外，尚应对原结构进行验算。验算时，应要求原结构、构件能承担n倍恒载标准值的作用。当可变荷载（不含地震作用）标准值与永久荷载标准值之比值不大于1时，取n1.2；当该比值等于或大于2时，取n1.5；其间按线性内插法确定。,56,.3 受弯构件增大截面加固后的相对界限受压区高度b的计算问题 由于加固后的受弯构件正截面承载力可以近似地按照一次受力构件计算，且试验也验证了新增主筋一般能够屈服。因而可写出其相对界限受压区高度值如（5.2.41）式所示。,57,b （5.2.4-1） s1 （5.2.4-2）

19、,58,.4 受弯构件粘贴加固破坏模式的 控制问题 以纤维复合材加固梁、板为例的破坏模式： （1）原纵向受拉钢筋首先屈服，随后受压混凝土压碎； （2）原纵向受拉钢筋尚未屈服，受压区混凝土已先压碎； （3）原纵向受拉钢筋首先屈服，随后纤维复合材拉断； （4）纤维复合材分离破坏。,59,纤维复合材分离破坏（FRP Separation Failure）剥离破坏（Peeling off）粘结失效（Bond failure）,剥离破坏示意图：,粘结失效示意图：,60,第（2）、（3）、（4）种破坏模式均属脆性破坏，必须采取有效措施予以避免： 对第（2）种破坏，应通过控制受弯构件加固后的相对界限受压区高

20、度来避免 ，即取b,f0.85b，以限制最大加固量； 对第（3）种破坏，应通过限制纤维复合材强度利用系数 来避免，,61,1.0时，取 为1.0，以保证最小加固量符合规范要求； 对第（4）种破坏，因影响因素十分复杂，只能通过采用合格的材料、正确的施工工艺和有效的锚固措施来防止其发生。 因此，本规范仅允许按第（1）种破坏模式确定计算方法。,62,.5 统一砼相对界限受压区高度确定方法的补充说明 本规范此次修订，对粘钢、粘贴纤维复合材加固后的砼相对界限受压区高度，统一按加固前控制值b的0.85倍采用，亦即 对粘钢取： b,sp=0.85b （9.2.2） 对纤维复合材取：b,f =0.85b （1

21、0.2.2）,63,统一取值方法具有下列优点： （1）对HRB 335级钢筋，达到界限时的应变约为1.5倍屈服应变，能满足构件的延性要求；同时，也消除了原规范对一般构件要求偏低的缺陷。 （2）避免了加固过量。因为加固过量不仅不能提高结构构件的承载力，而且在浪费材料的同时，还可能导致脆性破坏。这是设计者所不愿看到的。,64,（3）有了本规定，也就意味着给予设计者一个明确的信息，即：并非所有受弯承载力不足的钢筋混凝土构件都可以任意采用粘贴纤维复合材进行加固。当原受弯构件的纵向受拉钢筋配筋率已很高，或者当原构件本身的相对界限受压区高度已超出上述规定，就不能采用粘贴纤维复合材的加固方法。,65,例如，

22、某单筋矩形截面钢筋混凝土梁(一般构件)，其纵向受拉钢筋配筋率为1.5%（HRB335级钢筋，C20混凝土），相应的相对界限受压区高度为0.015 300/9.60.4687（已超出0.85b 0.4675）。因此，如果此受弯构件承载力不足，就不能采用粘贴纤维复合材的方法加固，而应改用其他加固方法。,66,.6 框架结构负弯矩区加固构造及计算问题,1 框架顶层梁柱端节点 （1）过去国内外做法,67,问题： 1 加固后增加的负弯矩承载力不大，且仍然存在着L形板端部易剥离问题； 2 需要进行负弯矩调幅，使梁跨中受拉区底面也要做无谓的加固； 3 造价高。,68,图9.9.32 柱顶加贴L形钢板及U形钢

23、箍板的锚固构造示例,（2）本规范做法,69,计算简图之1（mm）,70,算例：某C40砼框架顶层梁柱端节点，梁截面350700mm；柱截面500 500mm，加固计算表明，梁顶面需粘贴4层300g/m2碳纤维布。布总宽350mm，裁成两条粘贴，选用I级碳纤维布。 Km0.661；AfeKm Af 0.6613500.1674154.6mm； 碳纤维布总拉力TAfeff 154.61600247300N。 该拉力T由L形钢板上的2个锚栓及U形箍上的6个锚栓以抗剪方式共同承担。,71,（1）计算L形钢板上锚栓受剪承载力（砼基材控制） 选用2个6.8级M22锚栓，其承载力： Vc0.182.8 17

24、01.5220.31700.2 49880N （2）计算其所承担的剪力 F149880299760N,72,（3）计算U形箍上每个锚栓承受的剪力设计值 由U形箍上各锚栓共同承担的剪力F2，可按下式计算： F2T-F1247300-99760147500N 从计算简图知，由于F2的偏心作用，各锚栓受力不等，故应按受力最大的锚栓B1确定剪力设计值： VB1F2/6+M/2L=147500/6+147540240/(3002) 24580+5900083600N,73,（4）计算U形箍上锚栓受剪承载力 选用6.8级M22锚栓，其承载力因c1值很大，故应由锚栓钢材强度决定，即： Va220d 2/48

25、3630N； VB1Va，故满足设计要求。,74,2 框架中间层梁柱节点 （1）过去国内外做法,75,问题： 1 加固后增加的负弯矩承载力较小； 2 需要进行负弯矩调幅； 3 施工困难，容易与原钢筋抵触。,76,（2）本规范做法,图9.9.33 柱中部加贴L形钢板及U形钢箍板的锚固构造示例,77,图9.9.33 计算简图,78,算例：C40框架中间层梁柱节点负弯矩区的加固计算，需贴4层碳纤维布，其Afe154.6mm2，由之算得： 总拉力TAfeff 154.61600247300N 此总拉力T传给L形钢板后，由U形钢板上间距为170的6个锚栓承担。由于锚栓作用有拉力T及其偏心连接引起的MTe

26、247300 75。因此，应按计算简图所示的合力进行验算。,79,受力最大锚栓的剪力设计值 V 49400N； 锚栓受剪承载力 Vc0.18v 49880N V Vc，满足设计要求。,80,.7 植筋技术应用的若干问题 1 植筋破坏模式的控制,81,在以上5种破坏模式中，本规范与其他国家一样仅允许按第5种破坏模式进行植筋设计(见第15.2.1条)。同时，为了确保这一设计原则的实现，还须采取措施防止发生砼劈裂破坏。为此，又在第15.2.3条及第15.3.3条中作出了控制规定。,82,2 植筋的用胶 植筋用的胶粘剂必须采用改性环氧类结构胶粘剂或改性乙烯基酯类结构胶粘剂。当植筋的直径大于22mm时，

27、应采用A级胶。锚固用胶粘剂的质量和性能应符合GB 50728及本规范第4章的规定。,83,执行时，应注意的是，改性乙烯基酯类结构胶主要用于配制快固胶。其性能和质量的检验与鉴定必须执行本规范第4.4.5条的规定。因为GB 50728尚无快固胶鉴定标准。,84,特别应注意的是对承重结构的植筋，不得使用不饱和聚酯胶，也不得使用所谓的无机锚固剂或水泥卷。,85,3 在植筋承载力计算中必须考虑原构件混凝土劈裂的影响 对植筋之所以规定只能用于钢筋混凝土结构、构件，而不能用于素混凝土构件，主要是因为钢筋砼中配有箍筋。当箍筋间距100mm，且箍植直径和砼保护层厚度能满足GB 50010的规定时，它就能起到防止

28、砼劈裂的约束作用。为此引入了防止砼劈裂的计算系数spt。,86,该系数是参照ACI 318-02的规定制定的；但考虑到按ACI公式计算较为复杂，且有必要按我国的工程经验进行调整，故采取了按查表的方法取值（表15.2.3）。 使用表15.2.3时，应注意的是该表给出的植筋直径虽可达32mm，但还是尽可能用小一些直径的植筋。例如，以不大于28mm为宜。,87,4 关于悬挑构件的植筋埋深需加深1.5倍的规定（15.2.5） 本规定是在总结工程事故基础上，组织有关院校和科研机构进行悬臂梁植筋承载力试验后，根据所取的试验结果确定的。因此不容置疑，必须严格执行。至于所需的加长钻头，现已有厂商供应。,88,

29、5 关于植筋构造规定中的0.3ls和0.6ls是否正确的问题 本规范第12.3.1条的规定应当说是正确的。受拉钢筋的最小锚固长度lmin之所以仅需0.3ls，而受压钢筋的lmin之所以仅需0.6ls，是因为两者的传力机理不同。,89,试验表明：受压钢筋只有在达到一定埋深后才能持力，其原因在于靠近砼表面的浅层区为受压劈裂区。钢筋对砼产生类似尖锥的劈力作用，致使该区砼对植筋受压承载力没有贡献，亦即：其有效埋深小于锚固深度；而受拉钢筋则没有这个问题。据此，通过试验分别确定了两者的最小埋深。,90,6 关于植筋用的快固胶为什么要做两种粘结剪切强度试验的问题 防止所谓无机胶钻规范空子； 可为安全使用建立两道防线； 钢片粘结抗剪试验结果所取的合格指标，虽较低，但研究表明足以起到防拔出破坏，并为应急处理提供必要时间。,91,.1 混凝土结构、构件施工质量不符合设计要求，但满足现行设计规范要求时如何处理的问题 解决方法：引用现行施工规范GB 50204第10.0.3条的规定处理。因为该条第3款指出：只要经原设计单位核算并确认能够满足安全和使用功能者,仍可予以验收。, 结构加固设计中常遇问题的处理,92,.2 砼斜截面受剪承载力的确定问题 因施工质量不良，导致砼抗剪能力下降所引起的斜裂缝，在加固时，往往要提出其原构件砼斜截面受剪承载力应如何确