钢筋混凝土结构受力裂缝控制与加固处理方法的对比分析和应用

来源:用户上传      作者: 曾明祥

　　摘要：本文详细介绍了钢筋混凝土结构受力裂缝加固处理中加大截面法与粘钢法的加固原理，并结合工程实例，对两种处理方法的优缺点进行了对比分析，在此基础上加大截面的处理技术工艺进行了详细论述和总结。
　　关键词：钢筋混凝土；结构裂缝；加固补强；加大截面法；对比分析
　　
　　中图分类号：TU375
　　文献标识码：B
　　文章编号：1008-0422（2008）06-0148-03
　　
　　1前言
　　
　　影响结构强度的裂缝可采取结构补强法进行处理，包括加大截面法、喷射混凝土法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法、增加整体面层、表面缝合法、预应力法、外包型钢法等，其中运用较多的为加大截面法和粘贴钢板法。
　　1.1 加大截面法的加固原理
　　在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层，可增加截面有效高度，扩大截面面积，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，混凝土受弯构件正截面承载力随钢筋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，增大主筋面积可有效地提高原构件正截面抗弯承载力。在截面的受拉区加现浇混凝土围套增加构件截面，通过新加部分和原构件共同工作，可有效地提高构件承载力，改善正常使用性能。
　　1.2粘贴钢板法的原理和特点
　　粘钢加固技术是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力的一种加固方法。优点是简单、快速、不影响结构外形，施工时对生产和生活影响较小。
　　但是，研究表明：粘钢存在着应力滞后现象。施工时原构件的负载越大，应力滞后越多。此外，施工质量和粘结剂质量对加固有较大影响。虽然许多试验表明，粘贴钢板加固梁破坏时，粘贴钢板可以达到屈服强度，但也有部分试验表明，粘贴钢板并未达到屈服强度。这是因为梁的破坏是因钢板端部与混凝土撕脱所致。这种破坏，没有明显的预兆，属脆性破坏。
　　1.2.1设计规定
　　1.2.1.1 被加固的混凝土结构构件，其现场实测混凝土强度等级不得低于C15，且混凝土表面的粘接正拉强度不得低于1.5N/mm2。
　　1.2.1.2粘贴在混凝土构件表面上的钢板，其表面应进行防锈蚀处理。表面防锈蚀材料对钢板及胶粘剂应无害。
　　1.2.1.3 采用胶粘剂粘贴钢板加固混凝土结构时，其长期使用的环境温度不应高于60℃；处于特殊环境（如高温、高湿、介质侵蚀、放射等）的混凝土结构采用本方法加固时，除应按国家现行有关标准的规定采取相应的防护措施外，尚应采用耐环境因素作用的胶粘剂，并按专门的工艺要求进行施工。
　　1.2.1.4当被加固构件的表面有防火要求时，应按现行国家标准《建筑防火设计规范》GB 50016规定的耐火等级及耐火极限要求，对胶粘剂和钢板进行防护。
　　1.2.1.5 粘贴钢板加固钢筋混凝土结构构件时，应将钢板受力方式设计成仅承受轴向应力作用。
　　1.2.1.6 采用粘贴钢板对钢筋混凝土结构进行加固时，应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载。
　　1.2.2构造规定
　　1.2.2.1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，允许达到10mm.
　　1.2.2.2对钢筋混凝土受弯构件进行正截面加固时，其受拉面沿构件轴向连续粘贴的加固钢板宜延长至支座边缘，且应在钢板的端部（包括截断处）及集中荷载作用点的两侧，设置U形箍（对梁）或横向压条（对板）。
　　1.2.2.3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，应采取下列锚固措施：
　　a.对梁，应在延伸长度范围内均匀设置U形箍，且应在延伸长度的端部设置一道。U形箍的粘贴高度宜为梁的截面高度，若梁有翼缘（或有现浇楼板），应伸至其底面。U形箍的宽度，对端箍不应小于80mm；对中间箍不应小于受弯加固钢板宽度的1/2，且不应小于40mm 。U形箍的厚度不应小于受弯加固钢板厚度的1/2，且不应小于4mm 。U形箍的间距应符合构造要求。
　　b.对板，应在延伸长度范围内通长设置垂直于受力钢板方向的钢压条。钢压条应在延伸长度范围内均匀布置，且应在延伸长度的端部设置一道。压条的宽度不应小于受弯加固钢板宽度的3/5，钢压条的厚度不应小于受弯加固钢板厚度的1/2。
　　
　　2工程概况
　　
　　湖南某带吊车厂房工程，跨度24m，长度84m，厂房已使用15年，见图1，原吊车起重量20t，因为近年来生产能力增加，需要提高吊车起重能力，吊车改造为30t，在厂房结构没有加固的情况下该车间就使用30t吊车，一个月后发现柱根部有水平裂缝。原因分析：这是一起承载力不足引起开裂的事故，柱下部受拉边开水平裂缝，裂缝宽度0.15～0.35mm之间，因受拉钢筋不足而开裂。另外，在对排架柱进行回弹检查时，发现排架柱混凝土碳化严重，根据酚酞酒精溶液的测试，柱子平均碳化深度达到20mm，大大超出正常情况下每年0.3～0.5mm的混凝土表面碳化速度。混凝土的碳化使得柱子更易开裂，因此，必须进行结构加固补强处理。
　　
　　3加大截面法及粘钢法应用的分析对比
　　
　　加固部位主要为加固基础，更换吊车梁，加固柱子；方案论证时，两种方案的优劣比较如下：
　　3.1粘钢法
　　优点：
　　a.施工快速：在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务。
　　b.不停产施工：能根据业务要求，在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。
　　c.简洁轻巧：与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，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，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他构件的连锁加固。
　　缺点：
　　a.造价比加大截面法高。
　　b.柱子的刚度无法增大，对受振动的厂房不利。
　　c.耐久性能差，平时维护费用高。
　　3.2加大截面法
　　优点：
　　a.施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，加固可靠；
　　b.造价低，一般比粘钢造价低1/3。
　　c.耐久性能好，平时维护费用低，混凝土结构基本不要维护。
　　d.柱子的刚度增大，对大吨位且受振动的厂房有利。
　　缺点：a.现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响。b.加固后的建筑物净空有一定的减小。
　　通过方案分析，施工方建议柱子采用加大截面法，其主要原因是：第一，建设单位资金有困难，加大截面法较经济。第二，在柱子的加固改造过程中，厂房允许停产。第三，柱子的刚度增大，对大吨位且受振动的厂房有利。
　　
　　4结构补强加固处理结构计算

　　
　　4.1荷载计算
　　4.1.1屋面荷载
　　恒载：
　　二布二油防水层：0.35KN/m2；20厚砂浆找平层：0.4KN/m2；冷底子油一道：0.05KN/m2；大型屋面板：1.3KN/m2；屋面灌缝：0.1KN/m2；合计：2.2KN/m2
　　混凝土屋架自重：65/2+10（支撑）=42.5KN
　　屋盖恒载：P1=42.5+2.2×24/2=69KN
　　e1=200-150=50mm
　　M1=P1×E1=69×0.5=35KN.m
　　4.1.2吊车梁自重：41KN
　　轨道自重：0.8KN/mX6=4.8KN
　　P2=41+4.8=45.8KN
　　e2=750-550=200mm
　　M2=P1×E1=45.8×0.2=9.2KN.m
　　4.1.3屋面活荷载
　　不上人屋面：0.5KN/m2
　　P3=0.5×6×12=36KN
　　e3=200-150=50mm
　　M3=P3×E1=36×0.5=18 KN.m
　　4.1.4吊车荷载
　　最大轮压：Pmax=311KN
　　最小轮压：Pmin=(G+g+Q)/2-Pmax=(410+320)/2-311=54KN
　　由反力影响线，吊车作用于排架柱的最大竖向荷载及最小竖向荷载为:
　　Dmax=Pmax(y1+y2+y3+y4)=311×(1+0.22+0.67+0.17)=641KN
　　Dmin=Dmax×Pmin/Pmax=641×54/311=111.3KN
　　4.1.5吊车横向水平苛载
　　T=a(g+Q)/4=13KN
　　对排架柱产生最大的横向水平苛载Tmax
　　Tmax=Dmax×T/Pmax=641×13/311
　　=27KN
　　经计算每边需增加钢筋5Ф20，见图2。
　　
　　5加大截面施工技术工艺
　　
　　5.1基础加固
　　5.1.1施工时，挖土至基础底面，打C15垫层。
　　5.1.2基础表面凿毛，表面凹凸不平度不小于4mm，清洗干净基础表面的泥土。
　　5.1.3焊接接长基础底筋。
　　5.1.4在混凝土基础上钻孔，孔径20、孔深150，用爱牢达结构胶植入直径Ф14的钢筋，间距400MM，梅花形布置。
　　5.1.5在基础表面抹一层1mm厚爱牢达系列结构胶，并紧跟撒一层中砂，形成粗糙的交界面。
　　5.1.6在基础表面绑扎一层Ф10@200双向钢筋网，浇筑新增混凝土围套。
　　5.2柱子施工工艺
　　5.2.1凿去原柱混凝土保护层，原柱表面应凿毛，柱表面凹凸不平度不小于4mm，并每隔400mm距离，在原柱表面凿出10mm左右深的凹槽，形成剪力键，用清水冲洗干净。
　　5.2.2在混凝土柱上钻孔，孔径20、孔深150，钢筋直径Ф14，布置方法见图3。
　　5.2.3用硬毛刷刷孔壁再用压缩空气吹出灰尘，如此反复进行3次。
　　5.2.4将钢筋表面进行除锈处理并用丙酮擦拭干净。
　　5.2.5向孔内注胶，每孔注胶量应大于其理论需胶量。注意必须从孔底逐步向孔口填胶，以保证孔内空气排出、注胶饱满。
　　5.2.6将钢筋缓缓插入孔内至埋植深度，必须保证孔口溢胶并将溢胶刮净。
　　5.2.7凝胶后于室温固化1～3d，在固化过程中避免扰动。
　　5.2.8在柱混凝土表面抹一层1mm厚爱牢达系列结构胶，并紧跟撒一层中砂，形成粗糙的交界面
　　5.2.9绑扎新增钢筋，新增纵向钢筋与原柱纵向钢筋用直径20mm的短钢筋焊接牢固，形成整体，短筋间距450mm。浇筑混凝土层，为了加强新旧混凝土的粘结和减少后浇混凝土的收缩，在混凝土中加入12%EUA-E型膨胀剂，混凝土水灰比控制在0.5以内，柱模板在中部留浇筑口，采用小振动棒和附着式振动器振捣密实。
　　5.2.10养护混凝土，采用包绑麻袋湿水养护，时间不少于14d。
　　增大截面法最关键的问题是新旧混凝土结合，新老混凝土界面粘结的好坏直接影响了工程质量。要使新老混凝土真正成为一个整体来共同工作，则新老混凝土界面的良好粘结就成为关键所在。本工程经补强加固处理后，其承载力大为增强,使用一段时间后没有发现新的裂缝，并满足了设计和实际使用要求，说明新老截面已经共同作用。
　　
　　6结语
　　
　　综上所述，控制裂缝的原则是“防裂于未然”为主，处理为辅。裂缝的控制也应从设计方面、施工方面、材料性质与配合比方面、使用环境及管理方面采取综合措施。裂缝是否需要处理和怎样处理，主要取决于裂缝的性质和其危害性。对那些危及结构安全、或影响正常使用、或降低耐久性的裂缝都要认真处理。应特别注意对结构的稳定性、受剪承载力、受弯承载力产生严重影响的裂缝，要重点进行加固处理。
　　
　　参考文献：
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　　[2] 李国胜. 建筑结构裂缝及加固疑难问题的处理-附实例. 中国建筑工业出版社，2006.
　　[3] 混凝土结构设计规范(GB 50010-2002).北京， 中国建筑工业出版社，2002.
　　[4] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）.北京，中国建筑工业出版社，2002.
　　[5] 韩素芳，耿维恕. 钢筋混凝土结构裂缝控制指南. 化学工业出版社，2005.
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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