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钢筋混凝土结构加固方法的比较
发布时间:2014-07-15
如下原因导致了建筑物不得不进行加固:1)我国是一个多自然灾害的国家:地震、风灾、水灾、火灾均造成过严重损失,尤其是对建筑物造成过严重损失。2)我国在二十世纪五六十年代修建的大批工业厂房、公用建筑和民用建筑,已有数十亿平方米进入中老年期,其鉴定维修加固提上议事日程。3) 随着经济建设的发展,在新建企业的同时还强调对已有企业的技术改造,在改造中,往往要求对房屋的改造。4) 在设计、施工和管理中存在的问题给建筑物留下了隐患。目前较常用的的加固方法有加大截面加固法、置换混凝土加固法、预应力加固发、粘钢加固法、粘贴纤维加固法等。
1 加大截面加固法
加大截面加固法是在钢筋混凝土构件外部外包混凝土(通常是在钢筋混凝土受弯构件受压区增加混凝土现浇层,受拉区增加配筋量) ,增大构件截面积和配筋量,增加截面有效高度,从而提高构件正截面抗弯、斜截面抗剪能力和截面刚度,起到加固补强的作用。在适筋范围内,由于混凝土受弯构件正截面承载力随着钢筋截面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下,增大主筋截面积或强度,增加现浇钢筋混凝土围套增大构件截面,通过新加部分和原构件共同工作,可有效地提高原构件正截面抗弯、斜截面抗剪承载力和截面刚度,改善正常使用性能。
优点: 加大截面加固法施工工艺简单、适应性强, 柱子钢度增大,耐久性强, 维护费用低,并具有成熟的设计和施工经验; 适用于梁、板、柱、墙等构件和一般构造物的钢筋混凝土加固。
缺点:现场施工的湿作业工作量大,养护时间较长,对生产和生活有一定的影响,而且加固后构件的截面增大,对建筑物的净空和外观有不小影响。更为重要的是增加的外包混凝土与原有构件的混凝土材龄相差较大,要解决好新加部分与原有部分混凝土的整体工作共同受力,是一个很复杂的问题,并且受制的因素较多,现阶段只能增加有利的构造措施。
2 置换混凝土加固法
该法是剔除部分陈旧的混凝土,置换成新的混凝土,新混凝土的强度等级应比原结构、构件提高一级,且不得低于C20级。比较适用于钢筋混凝土构件的局部加强处理,有时也用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等钢筋混凝土结构构件的加固。
优点:与加大截面加固法相近,而且构件加固后不影响结构原先的净空,能恢复结构原先的外观。
缺点:同样存在施工的湿作业时间长、养护时间较长的缺点,而且剔除陈旧混凝土的工作量大,容易伤及原构件的钢筋,所以在施工过程中对原构件可能造成的屈服、疲劳、失稳等破坏状态要进行全面严密的评估。
3 预应力加固法
钢筋混凝土受弯构件,上缘受压,下缘受拉。由于预应力水平拉杆的预应力和新增外部荷载的共同作用,拉杆内产生轴向拉力。该力通过拉杆锚固端偏心地传递到原构件上,在原构件中产生偏心受压作用(此时该作用力在原构件上的基本形态成下缘受压、上缘受拉趋势) 。该作用克服了部分外荷载产生的弯矩,减少了外荷载效应,从而提高了构件的抗弯能力。同时,由于拉杆传给构件的压力作用,构件裂缝发展得以缓解、控制、斜截面抗剪承载力也随之提高。值得重视的是由于水平拉杆的作用,原构件的截面应力特征由受弯变成了偏心受压,所以加固后构件的承载力主要取决于原构件在压弯状态下的承载力。 预应力筋的张拉有三种方法:千斤顶张拉法、横向收紧法和竖向张法。预应力筋的锚固有四种方法:U 型钢板锚固、高强螺栓锚固、扁担或锚固、套箍锚固法。
优点:改变了原结构内力分布,降低原构件的应力水平,消除新加杆件与原来构件的应力应变滞后现象,能较大幅度地提高结构整体承载力。
缺点:加固后对原结构外观有一定影响,对环境温度有一定要求,在生产性热源且原结构表面温度经常大于600℃的环境中使用时,其防护处理较困难,造价较高,另外对于混凝土收缩变大的结构,造成后加部分的预应力损失较大,故不宜采用。
4 粘钢加固法
粘钢法原理与钢筋混凝土结构中的钢筋与混凝土之间的关系一样,是在钢筋混凝土受弯构件承载力不足区段(正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,使其整体工作共同受力,以提高结构构件承载力的一种加固方法。该方法的实质是一种体外配筋,提高原构件的配筋量,从而相应提高构件的刚度、抗拉、抗压、抗弯和抗剪等方面的性能,适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。
粘钢后截面受弯承载力计算, 可根据现行国家标准《混凝土结构加固技术规范》的相关规定进行, 其受压区高度可按下式计算:
f yoAso fayAa - f′yoA′so = fcmoboX
式中: f yo —原构件纵向钢筋抗拉强度设计值;
Aso —原构件纵向受拉钢筋截面面积;
fay —加固钢板抗拉强度设计值;
Aa —加固钢板截面截面积;
f′yo—原构件纵向钢筋抗压强度设计值;
A′so —原构件纵向受压钢筋截面面积;
fcmo —原构件混凝土弯曲抗压强度设计值;
bo —原构件的宽度;
X —混凝土受压区高度。
当构件斜截面受剪承载力不足时,此时斜截面受剪承载力按下式计算:
V≤Vo 2fayAalLu /S
同时,必须满足以下条件:
Lu /S≥1.5
式中:V —斜截面剪力设计值;
Vo —原构件斜截面受剪承载力设计值;
Aal —单肢箍板截面面积;
Lu —单肢箍板的梁侧混凝土的粘结长度;
S —箍板轴线间距。
优点:该方法施工方便快捷,现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业,对结构的外形、净空等影响较小,在施工过程中对生产和生活无显著影响。与其他加固方法比较, 粘钢加固施工干净利落, 比较简便, 现场无湿作业。完成加固后的结构外观不改变, 比较轻巧, 结构自重增加极微, 不会导致建筑物内其他构建的连锁加固。因此在房屋建筑领域和公路桥梁领域中都得到了普遍采用。
缺点:该法加固对结构胶的要求较高,结构胶必须是强度高、粘结力强、耐老化、弹性模量高、线膨胀系数小、具有一定弹性,其加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平,所以在设计施工过程中必须要非常慎重。
5 粘贴纤维加固法
外贴纤维加固是用特制胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的相应区域,使它与被加固构件截面共同工作,达到提高构件承载能力的目的。
工程实践和试验研究表明:采用碳纤维对钢筋混凝土柱进行抗震加固,可以有效约束混凝土的变形,增强耗能能力,从而使其承载能力及延性能力有很大的提高,可取得良好的抗震加固效果。碳纤维片材由于其强度高,弹性模量大,用于横向包裹钢筋混凝土柱时,可以有效提高柱的承载能力和延性性能,其作用机理体现在两个方面:
一方面,碳纤维片材横向包裹,其作用类似受剪钢筋,协同钢筋承受剪力。由于碳
纤维的抗拉强度远远大于钢筋的抗拉强度,相当于配筋率大大提高,使其抗剪承载力得以显著提高,斜裂缝出现以后构件的变形性能也得以明显改善。
另一方面,横向包裹碳纤维,还会对其内部的混凝土起到有效的约束作用,当受压区混凝土达到峰值应力后,具横向膨胀变形急剧增大,碳纤维环向应变显著增大,环向约束力增大,这就使得混凝土应力—应变曲线的下降变得平缓,极限压应变得以提高,因而推迟了受压区混凝土的破坏过程,充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能,显著改善构件的延性。
试验研究资料表明,在反复循环荷载作用下,碳纤维片材包裹加固钢筋混凝土柱比未用碳纤维加固钢筋混凝土柱的滞回特性和延性有显著的提高改善,捏状现象缓滞,滞回环也变得越来越饱满,具抗震耗能能力明显增强。
我国从1997年开始对碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构的技术进行研究,如今被用于房建、桥梁等多种钢筋混凝土结构构件的加固,未来这种粘碳纤维复合材料的加固方法将会被更加普遍的采用。
优点:高强高效,施工方便快捷,施工工期短,不需要大型施工机械,操作简单,具有极佳的耐腐蚀性和耐久性,适用面广,施工质量容易保证,对结构的净空、外观等影响小。
缺点:弹性模量小,对于需要加固刚度的构件来说不太适用,耐火性与耐高温性能差,一般的环氧树脂在100摄氏度时力学性能会受到较大影响,只有特殊的环氧树脂可以在200摄氏度的高温下正常工作,延性不足,构件变形过大时会引起碳纤维的脆性断裂,导致结构的脆性破坏,对于需要较大变形或对抗震要求比较高的结构来说,这一点是十分不利的。
6 结论
对于需要加固的建筑物,其加固方案的制定尤为重要,应根据建筑物的不同情况制定不同的加固方案。方案的确定要遵循安全、经济、快捷、施工方便可行、且施工质量可以得到保证的原则。只有这样加固工程才能收到良好的社会效益和经济效益。每种加固方法都有它自己的优缺点,根据不同工点的需求,确定出最经济实用、安全美观的加固方法。
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