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工程结构加固技术及工程应用

发布时间:2017/8/4 10:55:29    浏览量:408次

前言

  随着我国改革开放和经济建设的飞速发展,城市建设面貌日新月异,各种新型美观的建筑物不断展现在世人面前.人们在满足建筑物数量的同时,对建筑物的造型、安全性、适用性和耐久性也提出了越来越高的要求,这使得建筑行业必须面临2 个方面的问题:一方面通过不断发展和采用新型结构、新材料及新的施工工艺达到新建筑的要求;另一方面对已有建筑进行鉴定评估和加固改造的问题.特别是后述问题越来越受到人们重视,建筑结构加固已成为建筑行业的一个重要分支。

  其实上世纪 80 年代初,在发达国家,建筑结构的新建与加固改造就已呈现出前消后涨的趋势.例如:在瑞典和丹麦,建筑业投资用与新建工程与建筑物维修加固的比例分别达 1 116 ;在英国,用于建筑物维修和加固的投资是60 年代的近 4 [1].我国是一个自然灾害较多的国家,地震、水灾、火灾等都对建筑物造成损害,使混凝土结构面临更严酷的环境;建国以来我国完成建筑项目超过 万个,各类公用建筑建设项目超过万个,城镇住宅面积超过 亿 ,累计竣工的工业与民用建筑面积超过亿,现有城镇房屋面积超过亿 ,其中很多建筑已进入老龄化阶段,必须进行维修和加固对已修建好的各类房屋建筑桥梁进行维修保护和加固,保持其 正常使用功能,延长其使用寿命。

  同时前些时期的新建工程又由于设计规范偏低、施工和管理等问题,造成工程质量不尽理想,存在着诸多安全隐患,等等.这些因素致使我国对建筑结构进行评估和加固更加迫切和突出.据统计,我国现有的60 多亿m2的房屋建筑面积中,40%以上需要分期分批进行检测评估和加固[2].类似的问题在桥梁界也存在。

  一、地基加固:① 地基置换 ②外部支撑等。

  二、混凝土结构加固的基本方法

  混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类,设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。

  1、直接加固的一般方法:

  11加大截面加固法

  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,混凝土弯变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。

  12置换混凝土加固法

  该法的优点与加大截面法相近,且加固后不影响建筑物的净空,但同样存在施工的湿作业时间长的缺点i适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。

  13有粘结外包型钢加固法

  外包钢加固是把型钢或钢板包在被加固构件的外边,外包钢加固钢筋混凝土梁一般应 采用湿式外包法,即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固构佣粘结成一整体,加固后的构件,由于受拉和受压钢截面面积大幅度提高,因此正截面承载力和截面刚度大幅度提高。

  该法也称湿式外包钢加固法,受力可靠、施工简便、现场工作量较小,但用钢量较大,且不宜在无防护的情况下用于600C以上高温场所:适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。

  14粘钢加固法

  钢筋混凝土受弯构件外部粘钢加固是在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)表面粘贴钢板,这样可提高被加固构件的承载力,且施工方便。

  该法施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业,对生产和生活影响小,且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响,但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平i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。

  15粘贴纤维增强塑料加固法

  外贴纤维加固是用胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域,使它与被加固截面共同工作,达到提高构件承载能力的目的。除具有粘贴钢板相似的优点外,还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点,但需要专门的防火处理,适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。

  16碳纤维加固混凝土结构

  碳纤维加固混凝土是指用特制的建筑结构胶将碳纤维与混凝土牢固的粘结在一起并共同工作,达到结构加固,提高结构承载力和抗震性能、修补构件缺陷的目的,由于碳纤维具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性好、施工简捷、没有湿作业、不需大型施工机具、适用面广,可广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补,且不改变结构形状及不影响结构外观,又具有很好的防腐蚀性能及耐久性能。

  2、间接加固的一般方法:

  21预应力水平拉杆固法

  预应力水平拉杆加固的混凝土受弯构件,由于预应力和新增外部荷载的共同作用,拉杆内产生轴向拉力,该力通过杆端锚固偏心地传递到构件上(当拉杆与梁板底面紧密贴合时,拉杆会与构件共同找曲,此时尚有一部分压力直接传递给构件底面),在构件中产生偏心受压作用,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。

  22预应力下撑拉杆加固法

钢筋混凝土构件采用预应力下撑式拉杆加固定后,形成一个由被加固构件和下撑式拉杆组成的复合超静定结构体系,在外荷载和预应力共同作用下,拉杆中产生轴向力并通过与构件的结合点(下撑点和杆端锚固点)传递给被加固构件,抵消了部分外荷载,改变了原构件截面内力特征,从而提高了构件的承载能力。

与混凝土结构加固改造配套使用的技术一般有:①托换技术;②植筋技术;③裂缝修补技术;④碳化混凝土修复技术;⑤混凝土表面处理技术;⑥混凝土表层密封等。

  三、砌体结构的加固方法

  砌体结构的加固方法分为直接加固与间接加固两类。

  1、砌体结构的直接加固方法:

  ①钢筋混凝土外加层加固法;②钢筋水泥砂浆外加层加固法;③增设扶壁柱加固法等。

  2、砌体结构的间接加固方法:

  ①无粘结外包型钢加固法;②预应力撑杆加固法。

  3、砌体结构构造性加固与修补:

  ①增设圈梁加固;②增设梁垫加固;③砌体局部拆砌;④砌体裂缝修补等。

  四、钢结构加固的主要方法:

  减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。

  结构加固的方法多种多样,需要根据当地的气候、地质等情况的综合分析,对材料的力学性能要进行检测分析,对不同部位的结构构件受力或力传递进行分析,得出最佳的方案。同时要及时了解建筑市场新技术材料的运用,像目前的碳纤维杜拉纤维以及结构胶粘剂使用等。

  五、结构加固的基本原则

  混凝土加固方法有许多种,如前所述,但各自都适用于不同的情况。各种加固方法的选择又根据可靠性签定结果、结构功能降低及加固原因,结合结构的特点,新的功能要求,当地具体条件等因素,按照加固效果安全可靠、经济合理、施工简便原则来综合分析确定。这其中静力加固应考虑二次受力特点,加固重点侧重于结构承载力的提高上。

  而抗震加固的重点则侧重考虑结构的整体性和延性上。在加固设计中,同样要遵循强柱弱粱、强剪弱弯、强节点、强锚固的原则,以保证加固后的结构有较好的延性,在地震作用下具有较大的内力重分布和耗散地震能量的能力。还需考虑局部加固后,结构的薄弱环节可能发生转移,应采用二次验算的方法进行加固后的验算。同时,为了达到抗震加固的效果,又达到节省材料、降低造价目的,只要条件许可,实际加固工程中应采取多种措施尽量卸荷。

  六、工程结构加固实例分析

  1、某轻钢加层结构加固实例

  摘要:通过某轻钢加层改造结构的加固实例,总结了造成工程质量问题的原因,并针对所发现的质量问题,提出具体的加固方案。

关键词:轻钢结构;改造设计;结构加固

  引

  轻钢结构是主要采用H型钢、薄壁矩管、圆管和冷弯C型、z型钢组合构建而成房屋骨架,采用压型钢板或夹芯钢板作为屋面和墙体的围护材料而建造的房屋结构类型。它具有轻型美观、成本低、施工周期短、安全可靠等优点。近年来,轻钢结构不仅广泛应用于工业厂房、仓库、商业建筑、民宅等新建工程,而且在既有建筑的加层改造中扮演着愈来愈重要的角色。但是,随着市场份额的剧增,随之涌现出来的问题也层出不穷,尤其在小规模的结构加层改造工程中的问题更多。下面结合工程实例,具体分析某轻钢结构加层改造工程所出现的问题,并提出具体解决方案。

  1 工程实例概况

  某砌体结构房屋位于成都市,处于7度抗震设防区,设计基本地震加速度为O10 g,设计地震分组为第一组。该房屋原结构为5层砖混结构(5层局部挑出),建于20世纪90年代初。为拓展业务,该房屋产权单位于2005年采用单层钢结构对该房屋进行了加层改造,当钢结构加层施工完成后,由于种种原因,该加层工程被迫停工,搁置了2年多时间,都未进行内部装修及使用。期间,该房屋产权单位曾委托相关单位对该房屋的结构安全性能进行了检测、鉴定。检测过程中,发现一些严重不符合设计要求并存在较大安全隐患的工程质量问题,鉴定结论建议将该钢结构加层部分拆除或对其结构进行全面加固处理。在权衡得失之后,该房屋产权单位决定对该房屋进行结构加固处理。

  2 复核检查、检测内容及结果

  为作好该房屋加固设计工作,在进行加固设计前,对其加层部分进行了全面的复核检查、检测。

  21 轴线尺寸、构件布置复核检查、检测

现场对该钢结构加层工程的柱网、轴线尺寸进行复核检测,发现该加层钢结构柱网、轴线尺寸均符合设计要求,该房屋原结构顶层平面示意及原加层钢结构钢架示意分别如图l2所示。

  经与原结构设计图纸比较后发现:

  (1)该加层钢结构@轴钢柱支承于原结构悬挑梁的端部;

  (2)靠⑥轴线部分中柱支承于截面尺寸为250mm×300mm,梁底跨中仅配置212钢筋的混凝土小梁上。

  (3)部分边柱支承在原结构女儿墙构造柱上,经现场检查,女儿墙构造柱混凝土外观质量存在缺陷,局部孔洞、露筋,且个别钢筋已锈蚀;个别钢柱支承在原结构女儿墙上,且柱脚未做任何处理。

  22构件连接检查及截面尺寸复核检测

  现场随机抽取部分该加层钢结构工程的钢柱、屋架弦杆、腹杆和檩条,对其截面尺寸进行复核检测,发现该工程钢柱和屋架弦杆所采用的薄壁矩型钢管的壁厚均小于原设计要求,原设计矩管壁厚均为40mm,现场抽测为25mm。腹杆原设计为40mm×4 mm的薄壁矩型钢管,现场改为∅32mm×25mm圆钢管。檩条原设计为C140×50×25,现场改为C135×52×2O,且设计采用连续檩条,而施工过程中未按照规范要求,在檩条支座节点处未进行搭接处理,且该加层结构的检测、鉴定报告中提出檩条承载能力不满足规范要求。

  23支撑布置复核检查

  现场对该加层钢结构工程的支撑体系进行检查,发现柱间支撑、屋架上弦水平支撑、屋架下弦系杆和部分墙檩等构件,均未按照原设计要求设置。

  24焊接质量复核检查

  现场对该加层钢结构工程构件的连接焊缝进行检查,发现部分腹杆与弦杆的连接处仅为点焊,个别柱与弦杆的连接焊缝亦仅为点焊,部分现场焊接位置未涂防锈漆,个别位置已出现锈蚀。

  3结构加固方案初选及复核验算

  依据现场复核检查、检测结果,并结合该房屋原结构和加层钢结构的设计图纸,以及由委托方提供的该房屋加层钢结构的检测、鉴定报告,对该房屋加层钢结构提出加固方案如下。

  (1)将支承于屋顶女儿墙或女儿墙构造柱上的钢柱延至原结构屋面圈梁或屋面大梁等混凝土构件上,并保证柱脚与原结构可靠连接。

  (2)在④轴增设一排钢柱,以分担悬挑梁端部荷载。

  (3)对屋盖檩条采取附加一根同截面c型钢形成复合截面构件的措施,进行加固。

  (4)对未按照原设计图纸施工的支撑及墙檩迸行补加。结合该加层钢结构的现状及加固方案,对该房屋加层钢结构和新增钢柱柱脚处混凝土梁的承载能力进行复核验算,结果表明:

  (1)⑩轴~⑥轴跨支承中柱的钢筋混凝土梁的抗弯承载能力不符合现行规范要求。委托方不同意对下部混凝土梁进行加固,故采用改变传力途径的方法进行处理,将中柱分别移至⑩轴和◎轴。

  (2)矩管钢柱承载能力不符合规范要求,考虑矩形钢管壁厚较薄,杆件加固施工难度较大,采用H型钢替换原矩形钢管柱。

  (3)钢柱位置挪动之后,屋架腹杆与弦杆的节点随之做相应改动,对需改动或承载能力不满足要求的腹杆,采用加大截面法进行处理。

  (4)屋面檩条按复合截面验算,其承载能力满足规范要求。

  4工程质量原因分析总结

  通过现场复核检查,并查阅该房屋原结构、加层钢结构图纸及加层钢结构的安全性鉴定报告,综合分析认为,造成该起工程质量问题的原因主要有以下3点:

  (1)由于该工程规模较小,甲方未严格执行基本建设程序,该加层轻钢结构工程未报建,所选用施工单位技术力量偏弱,施工过程中也未请监理单位进行现场监督;

  (2)设计单位未仔细核查现场情况,也未仔细考虑新增钢结构对原结构产生的影响;

  (3)施工单位未完全理解设计意图,施工过程中随意更改设计,且部分材料规格不满足设计要求。通过该工程,让我们足以认识到,要确保工程质量,就必须认真做好工程建设中的每一个环节,哪怕它只是一个小工程。

  5 结语

  该加层钢结构工程出现严重质量问题的原因涉及建设、设计和施工等各个单位,其质量问题的多样性及形成原因的复杂性,在类似的工程质量事故中亦属少见。通过现场检查、检测,工程资料的检查及该工程检测报告和其他资料的查阅,综合分析以上资料并进行结构验算,最终确定该工程的加固方案。

  以上工作对造成该工程质量缺陷的原因做了较全面的分析,并最终提出加固方案,希望对类似的轻钢加层工程起到借鉴作用。同时,希望建设单位、设计单位和施工单位对该类改造工程的复杂性及结构安全性予以重视,并且应充分考虑经加层改造后原结构的安全性及使用性。

  

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