鋼筋混凝土結構加固改造技術及其在工程中的應用

劉 洋（濰坊瀚諾置業有限公司，山東 濰坊 262500）

混凝土材料具有高強度、耐久性好、防火抗震性能好、可塑性強等優點，在大量建筑物興建時得到廣泛應用[1]。鋼筋混凝土建筑在服役過程中，由于外荷載和環境等各種因素的影響，加之建筑使用年限的增加和建筑功能的變化，不可避免地會引起結構性能降低，甚至出現安全隱患[2-3]。因此，對鋼筋混凝土結構進行加固改造是保證其安全性和耐久性的重要措施[4]。隨著建筑工程領域的不斷發展，鋼筋混凝土結構加固改造技術也在不斷進步和完善，確定科學合理的加固方案成為現有建筑物加固改造中的重要研究熱點[5-6]。

本文以山東省某市框架剪力墻多層科研樓為研究對象，在綜合分析現有鋼筋混凝土結構加固改造技術的基礎上，確定結構受力體系的加固方案，并運用力學方法驗算結構的受力，運用SAP2000 有限元軟件對結構進行模態分析，以驗證加固效果。

1 工程概況

山東省某市多層科研樓為全現澆框架剪力墻結構，設10 層地上建筑、1 層地下室結構，大樓平面形狀大致呈矩形，建筑物橫向長度為40m，軸網間距為8m，建筑物縱向寬度為35m，軸網間距為7m，建筑首層高度為6.5m，其余樓層高度為3.2m，地下室結構高度為4.5m，結構基礎形式為鋼筋混凝土筏板基礎，筏板厚度為400mm，持力層為③層中砂，地基承載力特征值為240kPa，建筑抗震設防烈度為7度（0.15g），本地基本風壓為0.3kN/m2，不考慮基本雪壓。建筑修建于2010年，由于建筑結構使用功能調整以及科研任務的擴展，需要對結構進行加層并采用輕鋼結構玻璃幕采光屋面進行封閉，增加層數為1 層，樓面活荷載保持2.5kN/m2。建筑物既有梁、板、柱結構均為現澆，混凝土強度等級均為C35，鋼筋混凝土柱截面尺寸為600mm×600mm，主縱梁尺寸為400mm×650mm，次縱梁尺寸為250mm×450mm，橫梁尺寸為200mm×300mm，剪力墻厚度為300mm。

2 既有鋼筋混凝土結構加固技術對比

目前，既有鋼筋混凝土結構加固技術眾多，包括增大截面加固法、植筋技術、外粘貼鋼板、外包型鋼、粘貼纖維材料加固等，這些方法的加固原理和適用范圍各不相同，并與其加固施工相匹配，具有各自獨特的優點和缺點[7]。不同加固方法對比如表1所示。

表1 鋼筋混凝土結構不同加固改造技術對比

3 鋼筋混凝土結構加固改造方案的確定

綜合分析建筑物加層改造后的上部荷載，驗算基礎整體承載力，結果表明，地基和基礎的受力和變形均滿足要求，只需對加層后各樓層的梁體和柱子進行重新驗算，確定合理的加固改造方案。從表1 中可知，對于柱子的加固方法可選擇范圍較多，可以采用增大截面加固法、外粘貼鋼板、外包型鋼和粘貼纖維材料加固，考慮到建筑物用途為科研設施，加固時間段仍需保持正常的運營工作，每層樓預留給加固改造的空間有限，盡管增大截面加固法具有成本優勢，但其澆筑混凝土施工需要耗費較長的時間，對工程的影響較大[10]；外粘貼鋼板則會產生粉塵和噪聲污染，給正常的科研工作造成不便；外包型鋼則不具有成本優勢。綜合考慮加固成本、加固時間和施工便捷性，鋼筋混凝土柱采用粘貼纖維材料的加固方法，鋼筋混凝土梁采用粘貼纖維材料+梁頂壓力注膠粘鋼的加固方法。

以首層框架柱為例，柱尺寸為600mm×600mm，原設計采用的鋼筋強度等級為HRB400，極限抗拉強度為360MPa，混凝土強度等級為C35，混凝土軸心抗壓強度fc為16.7MPa，抗拉強度ft為1.57MPa，結構重要性系數γ0為1.0，按照公式（1）計算纖維復合增強材料的用量，得到其加固方案如圖1 所示。加固方案采用的粘貼纖維材料為碳纖維布，碳纖維布的彈性模量≥250GPa，抗拉強度≥3.4GPa，按“隔一加一”的方式進行加固，加固寬度為200mm，間隔寬度也為200mm，粘貼沿著柱體四周進行環向包裹，共包裹3 層，每層疊加長度不少于200mm，其余樓層的加固方式與首層一致。

圖1 首層柱子粘貼纖維材料加固方案

式中N為鋼筋混凝土柱的軸向壓力，kPa；e為偏心距，為縱向受拉鋼筋的抗拉強度，為縱向受拉鋼筋的面積，mm2；ff為纖維復合增強材料抗拉強度的設計值，kPa；Af為維復合增強材料抗拉強度的面積，mm2；h0為鋼筋混凝土柱的有效受壓高度，mm；h為梁高，mm；b為梁寬度，mm；a1為受壓鋼筋合力點到截面近邊的距離，mm；a′為受拉鋼筋合力點到截面近邊的距離，mm。

以JG-KL110梁為例，梁尺寸為250mm×600mm，原設計采用的鋼筋等級為HRB400，極限抗拉強度為360MPa，混凝土強度等級為C35，混凝土軸心抗壓強度fc為16.7MPa，抗拉強度ft為1.57MPa，結構重要性系數γ0為1.0，最小配筋率為ρmin=max(0.2,45×ft/fy)%=max(0.2,0.179)%=0.2%，配筋面積為As=1100mm2，鋼筋混凝土梁的加固方案設計時，驗算梁截面的最小配筋率如公式（2）所示，滿足最小配筋率要求，確定相對界限受壓區高度如公式（3）所示，計算相對受壓區高度如公式（4）所示，計算鋼筋混凝土梁彎矩設計值如公式（5）所示。

鋼筋混凝土梁加固方案中的碳纖維片材類型為高強I級碳纖維布，材料彈性模量設計值為230MPa，碳纖維片材厚度為0.167mm，片材設計強度為2300MPa。加固時，沿鋼筋混凝土梁縱向按“隔一加一”的方式進行加固，加固寬度為200mm，間隔寬度為200mm，外露碳纖維表面噴涂防火涂料，在連體頂部設置8mm鋼板，并采用拉力注膠，運用M12化學螺栓對鋼板進行錨固，螺栓按梅花形布置，螺栓中心間距為300mm，鋼筋混凝土梁的加固方案如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土梁的加固方案

4 加固前后建筑結構模態對比分析

為了研究建筑結構加固改造效果，運用SAP2000有限元分析軟件對加固前后的建筑物結構進行模態分析，得到結構前3階基本振型參數，如表2所示。

表2 加固前后建筑結構前3階基本振型參數對比

從圖2 中可以看出，在加固前，隨著振動階數的增加，結構的振動周期逐漸減小，頻率和圓頻率逐步增加，在第一階振型和第二階振型中，結構主要以平動為主，而在第三階振型中，結構主要發生扭轉運動，表明更高階的振動階數結構的形態變得更加復雜；建筑結構改造加固后，隨著振動階數的增加，結構的振動周期、頻率和圓頻率與改造加固前具有相似的變化規律，但在同一階振型中，相比于加固前，加固后建筑結構的周期變大，頻率和圓頻率變小，表明建筑物結構的阻尼增加，振動能量在結構中損失更快，結構對風荷載和地震荷載等外部干擾的響應速度變慢，具有更大的剛度和穩定性，加固前周期比為0.87，加固后周期比為0.35，加固后周期比遠小于規范中周期比為0.9的限值要求，取得了良好的加固效果。

5 結語

以山東省某市框架剪力墻多層科研樓為研究對象，在綜合分析現有鋼筋混凝土結構加固改造技術的基礎上，驗算結構強度，確定結構受力體系的加固方案，得到以下結論：

（1）綜合考慮加固成本、加固時間和施工便捷性，鋼筋混凝土柱采用粘貼纖維材料的加固方法，鋼筋混凝土梁采用粘貼纖維材料+梁頂壓力注膠粘鋼的加固方法。

（2）隨著振動階數的增加，結構的振動周期逐漸減小，頻率和圓頻率逐步增加，在第一階振型和第二階振型中，結構主要以平動為主，而在第三階振型中，結構主要發生扭轉運動。

（3）在同一階振型中，相比于加固前，加固后建筑結構的周期變大，頻率和圓頻率變小，加固前周期比為0.87，加固后周期比為0.35，加固后周期比遠小于規范中周期比為0.9的限值要求，表明建筑物具有更大的剛度和穩定性，取得了良好的加固效果。