鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)應(yīng)用評述

侯東君 · 2009-01-13 00:00 留言
  摘要:對RC結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)(FRP加固、鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固、預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)以及消能減震加固)加固特點、應(yīng)用范圍以及應(yīng)用前景進行詳細評述,指出加固方案確定應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)件特點并充分考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能水平和性能目標,其結(jié)論可供類似工程借鑒。 

  關(guān)鍵詞:RC結(jié)構(gòu), 抗震加固, 應(yīng)用評述, 
   
  1 研究背景。當工程結(jié)構(gòu)遭受地震破壞,或由于結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工失誤、建筑物使用功能變更與增層、老舊建筑設(shè)防標準過低、抗震規(guī)范條款變動等因素都必須對結(jié)構(gòu)進行抗震加固,以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。對于大量既有建筑,特別是GBJ11-89抗震規(guī)范實施以前建造的建筑,均需要進行抗震鑒定與加固。因此,為了有效減輕地震災(zāi)害,在研究結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與方法的同時,還應(yīng)該加強對既有建筑抗震加固方法的研究。 

  2 RC結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)研究進展。以往抗震加固是以結(jié)構(gòu)的安全性為重點,而對建筑外觀、使用功能甚至施工周期很少顧及。隨著我國經(jīng)濟實力的增強,抗震加固新技術(shù)的出現(xiàn),抗震加固手段愈來愈多,給工程師以充分發(fā)揮的余地,現(xiàn)將有代表性幾種加固方式進行綜述,著重論述其適用范圍以及應(yīng)用前景,以便為相關(guān)工程提供借鑒。 

  2.1FRP抗震加固技術(shù)。纖維增強塑料(FRP)近年來利用航天、航空工業(yè)取得的成就,在民用建筑領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用中受到很大重視,進行了廣泛的研究,取得了很大的進展。具有許多優(yōu)點,作為混凝土結(jié)構(gòu)加固和修補材料,得到廣泛應(yīng)用,開辟了一條高效、方便、經(jīng)濟的加固修補混凝土結(jié)構(gòu)的新途徑。 

  2.1.1 FRP加固特點。FRP具有強度高(2500~3550MPa)、性能好(抗蝕)、重量輕(比重1.8g/cm3)、厚度薄(每層厚0.1~0.21mm)的優(yōu)點,基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)自重以及不影響結(jié)構(gòu)外觀,在結(jié)構(gòu)的修補和加固中得到越來越廣泛的應(yīng)用,尤其具有以下技術(shù)優(yōu)勢:高強高效,施工簡捷,施工周期短,施工機具少,操作簡單,具有極佳的耐腐蝕性和耐久性,適用面廣,施工質(zhì)量容易保證,對結(jié)構(gòu)的影響小。 

  不足之處:(1)彈性模量低 (2)環(huán)氧樹脂的耐火性與耐高溫性能差(3)延性不足(4)環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力有限。 

  2.1.2 FRP加固技術(shù)研究方向。FRP加固中的缺陷在一定程度上限制了它在加固領(lǐng)域中的應(yīng)用,尤其是彈性模量與環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力兩方面。因為結(jié)構(gòu)往往不僅要求強度加固,還需要剛度加固,因此應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力的加固方法,即先對FRP施加預(yù)應(yīng)力再外貼到結(jié)構(gòu)上對結(jié)構(gòu)進行加固,能克服FRP材性上的缺點,對結(jié)構(gòu)同時進行有效的強度與剛度加固,并能充分發(fā)揮FRP的高強性能,防止發(fā)生粘結(jié)破壞,從而使得FRP能更廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。預(yù)應(yīng)力FRP加固受彎構(gòu)件的試驗及理論研究結(jié)果表明,構(gòu)件開裂荷載與抗彎剛度較非預(yù)應(yīng)力FRP加固的受彎構(gòu)件有明顯提高,屈服荷載下的撓度與極限荷載下的撓度較非預(yù)應(yīng)力碳纖維布構(gòu)件有明顯減小,F(xiàn)RP最大應(yīng)變較非預(yù)應(yīng)力FRP加固構(gòu)件有明顯增大,且破壞時沒有粘結(jié)破壞跡象,控制適當?shù)念A(yù)應(yīng)力水平,并不會引起構(gòu)件延性不足。 

  2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿抗震加固技術(shù)。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是以鋼絲網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)和加筋為增強材料,水泥砂漿為基材組成的薄層結(jié)構(gòu),鋼絲(筋)網(wǎng)也可以用其他合適的金屬材料代替。與混凝土相比,鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿的主要特點是配筋分散性好和骨料顆粒粒徑小,因此,具有更好的抗裂、抗?jié)B和韌性。 

  3.2.1 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固優(yōu)勢 

  其技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在: 

  (1)施工便捷,施工工效高,不需大型施工機具,無需現(xiàn)場固定設(shè)施,施工占用場地少。 

  (2)具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能。試驗表明,鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性及耐久性,可以抗拒建筑物經(jīng)常遇到的各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。 

  (3)適用面廣。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛適用于多種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀及多個結(jié)構(gòu)部位的加固修補。 

  (4)施工質(zhì)量易保證。由于鋼絲(筋)網(wǎng)比較柔軟,即使加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整,也基本可以保證有效粘貼率。 

  (5)對結(jié)構(gòu)形狀和外觀影響不大。水泥砂漿是一薄層,一般只有15~25mm左右,基本不增加原結(jié)構(gòu)質(zhì)量及幾何尺寸。 

  (6)經(jīng)濟效益好,價格便宜。每m2鋼絲網(wǎng)價格是FRP的1/15~1/30。 

  (7)具有很好的耐火性與耐高溫性能。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是無機材料,解決了FRP加固因使用有機環(huán)氧化物而產(chǎn)生的問題。 

  2.2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固技術(shù)研究方向 

  鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固的研究在近年來已取得了一定的進展,但與其他許多成熟領(lǐng)域相比,還有許多問題沒有解決。 

  (1)鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固研究的一個重大問題是試驗數(shù)據(jù)仍很缺乏,尤其是在國內(nèi),這一問題更加突出?,F(xiàn)有的研究大多是集中在對混凝土梁加固的靜載抗彎性能研究,而對混凝土梁抗剪、混凝土柱的靜載試驗以及動力性能和疲勞性能研究極少,甚至沒有。而且現(xiàn)有的研究都是一次受力研究,沒有考慮實際加固的二次受力性能。 

  (2)雖然有些學(xué)者對鋼絲網(wǎng)水泥這種構(gòu)件本身承載力的計算提出了一些方法,但對于加固后構(gòu)件的計算沒有系統(tǒng)的研究和分析,限制了這種加固方法的實際應(yīng)用。 

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  2.3 預(yù)應(yīng)力抗震加固技術(shù)。在橋梁和建筑物加固領(lǐng)域中,體外預(yù)應(yīng)力加固法已愈來愈受到人們的關(guān)注,它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的應(yīng)力滯后的弱點,保證了新舊材料和結(jié)構(gòu)的整體性與協(xié)同工作。工程實踐表明采用預(yù)應(yīng)力法加固橋梁和建筑物不僅能提高其承載力,還可以減小撓度和裂縫寬度,提高結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)力,并且具有施工方便,不占用空間等特點。 

  體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在設(shè)計理論還是材料設(shè)備、施工工藝上都取得了一定的進展,應(yīng)用范圍從早期PC橋梁拓展到了建筑結(jié)構(gòu),從新建結(jié)構(gòu)拓展到了結(jié)構(gòu)的加固改造和臨時性預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或施工臨時性鋼索。除此之外,體外預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用范圍還不僅僅局限于混凝土結(jié)構(gòu)。評價結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則之一就是看該結(jié)構(gòu)形式是否能夠充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性,通過運用體外預(yù)應(yīng)力索,任何具有合理壓縮特性的材料都可以被連接起來,在適當?shù)膽?yīng)用環(huán)境中是一種合理的結(jié)構(gòu)形式。在工程實踐中,體外預(yù)應(yīng)力己從單純應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)拓展到了鋼結(jié)構(gòu),木結(jié)構(gòu),磚石結(jié)構(gòu)等等,充分證明了其在結(jié)構(gòu)體系方面的優(yōu)勢。 

  2.4 消能減震加固技術(shù)。由姚冶平提出的該技術(shù)目前已被成功地應(yīng)用于工程中,至今已開始消能減震研究的國家超過25個,工程應(yīng)用例子已超過300多例。結(jié)果表明,消能減震具有較大經(jīng)濟效益和社會效益,必將成為21世紀主要的結(jié)構(gòu)抗震體系之一。 

  消能減震是在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件,通常由阻尼器等組成,通過其局部變形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),達到預(yù)期抗震加固的目的。在消能減震結(jié)構(gòu)體系中,消能(阻尼)裝置或元件在主體結(jié)構(gòu)進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài),充分發(fā)揮耗能作用,耗散大量輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量,從而有效地保護主體結(jié)構(gòu)使其不再受到損傷或破壞。試驗表明,消能減震裝置可以有效消耗地震總輸入能量,這種設(shè)計減震機理明確,效果顯著,安全可靠,經(jīng)濟合理,適用范圍廣和維護方便等特點。消能減震技術(shù)既適用于新建建筑結(jié)構(gòu),又可用于已有建筑物的抗震加固、維修。 

  消能器的布置應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的工作性能、建筑功能和經(jīng)濟等要求,綜合比較選擇相對較好的方案。對于給定的結(jié)構(gòu),在消能數(shù)量一定的情況下,可根據(jù)可控度的概念,采用最優(yōu)放置的順序逼進法來確定消能支撐的最優(yōu)布置方案。將層間變形的均方值定義為最優(yōu)位置指數(shù)。 

  2.5 隔震加固技術(shù)。該方法是隔震技術(shù)在抗震加固領(lǐng)域中的應(yīng)用,通過隔震層的設(shè)置將地震變形集中到隔震層上,以減小上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),從而保證建筑物內(nèi)人員、設(shè)備的安全。目前已研究出的隔震方法有:橡膠墊隔震、滑移隔震、滾珠或滾軸隔震、擺動隔震、懸吊隔震、彈簧隔震等。目前較多的做法是將隔震層放在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,即基礎(chǔ)隔震。隔震加固法用于現(xiàn)有建筑抗震加固在美國、日本等國已有成功的工程實例,如美國對鹽湖城大廈、洛杉磯政府大樓等幾十棟建筑就是采用此法進行了加固。日本對一些辦公樓、機場等大型公共建筑也是采用此方法進行了加固,效果十分明顯。 

  3 存在問題及展望。對于建筑物維修和加固改造,可能有不同的改造思路和實施方案,在具體進行維修加固時,應(yīng)結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)的特點、當?shù)氐木唧w條件等因素綜合判斷。此外,本文作者以為現(xiàn)有加固應(yīng)與結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能要求相結(jié)合,不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)件應(yīng)采用不同性能水平的加固方法和加固深度,應(yīng)在充分進行經(jīng)濟性、技術(shù)性和可靠性等多方面分析比較后,選擇出滿足多目標(不同性能目標)、多水準(不同性能水平)要求的合理加固方法和加固程度。 
   
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