钢筋混凝土结构抗震加固设计与施工的探讨

　　摘要:本文阐述了对加固设计过程中应将构件的承载能力、结构的抗灾害能力、防火等级、耐久性及建筑物的使用性能和经济性等统筹兼顾起来，不应过多偏重某些性能而使其它性能受到过多的影响。本文通过钢筋混凝土结构加固设计的优化，旨在克服传统设计方法的缺点与不足，使结构加固的综合效应最佳并且提高设计的效率。针对梁、板、柱的加大截面加固法，依据规范建立了加固方案参数优化设计的数学模型，并采用内点罚数法进行优化计算。结果表明采用该优化设计方法不仅能节省加固造价，而且可以避免手算时的繁琐和可能出现的不合理的地方，提高了设计效率。
　　关键词:钢筋混凝土结构；加大截面加固法；加固设计
　　现今，我国的建设正处于新区开发与旧城改造相结合的阶段，在这过程中，建筑物的可靠性鉴定与加固的任务十分繁重;而各类结构材料中，钢筋混凝土结构是我国土木工程中应用最为广泛的结构类型。针对混凝土结构的特点，我国颁布的《混凝土结构加固技术规范》《CESC25:90》中对加固的基本原则、加固的材料和常用的加固方法及要求、施工安全及工程验收均作了相应规定，该规范的实施对目前正大力开展的加固事业的发展起了积极的指导和极大的推动作用。一般地，混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类，前者主要包括：加大截面加固法、置换混凝土加固法、有粘结外包型钢加固法、粘贴网板加固法、粘贴纤维增强塑料加固法、绕丝法以及锚栓锚固法:后者主要包括：预应力加固法;增加支承加固法。与之相应，其加固改造配套使用的技术一般有：托换技术、植筋技术、裂缝修补技术、混凝土表层密封技术及其它。如结构、构件移位技术、调整结构自振频率技术等，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。
　　目前，在钢筋混凝土结构加固设计中，对于加固方案的选择，主要是依靠专业人员的经验进行决策，因而不免带有一定主观性;而且由于加固设计涉及到新、旧两类材料，受到多种因索、条件的影响，要使加固后结构的综合效应达到最佳是非常困难的。对于加固设计中的计算分析，仍主要靠人工手算完成或按照满足定的构造要求来凭经验估算，这种人工手算过程需要较多时间，加上设计参数调整可能带来反复计算，使得加固设计工作十分复杂、繁琐;而凭经验估算的加固结构设计则会带来一定的盲目性，有可能造成不必要的浪费或设计承载力的不足。本文总结了根据具体的加固问题来选择与之相应的可行方案，使其在实践工程条件下能够确定结构加固的初始方案;并在现行规范的约束范围内建立起结构加固方案参数优化设计的数学模型，以加大截面加固法为实例依据进行研究，根据最优化原理，选用内点罚函数法为优选方法，以寻求最合理的工程加固设计方案。
　　1、结构构件初始加固方案的选择
　　结构加固的工作一般分为可靠性鉴定、加固方案选择、加固设计、施工组织设计以及施工、验收等几个程序。其中加固方案的优劣，将直接影响加固设计所达到的效果:如对于裂缝过大，而承载力己足够的构件，若用增加纵筋的加固方法是不足取的，因为增加纵筋不会减少已有裂缝宽度;有效的办法是采用外加预应力钢筋或外加预应力支撑或改变受力体系;另如当结构构件的承载力足够，但是刚度不足时，应优先选用增设支点或增大梁板结构构件的截面尺寸，以提高其刚度;又如对于承载力不足而实际配筋已达超筋的结构构件，如果仍采用在受拉区增配钢筋的加固方案，则起不到加固作用。因此，进行加固方案的选择，需要针对加固的主要目的或导致结构失效的主要原因，做到有的放矢;同时还要对各种加固方法的适用范围及优缺点比较熟知，要努力使所选用的加固方案能“物尽其用”，将其潜力尽量发挥出来。根据承载力、刚度、变形以及环境等影响因索的控制，建筑工程中板、梁、柱、屋架等主要承重结构构件均有各自特定或相通的加固补强方法。本文下面以柱的加固为例来说明各种失效、缺陷情形下所采取的相应增强措施。
　　（1）承载能力不足。对于轴心受压柱，可采用增大截面加固法《如四周外包法》、外包钢加固法《如矩形柱可用四周包以等肢角钢，并在横向用缀板连成整体;圆形柱则以扁钢加套箍》、预应力加固法《可以对称双面预应力撑杆加固》;对于不偏心受压柱，有荷载较大时的增大截面加固法《当受压能力严重不足时，可用四面外包法或两面加厚法;当仅受压较大面强度不足时，可用单面加厚加固》、荷载较小时的外包钢加固法《以紧箍不等肢角钢加固，将角钢长肢放在b边》、应力较高或变形较大而外荷载较难卸除或柱损坏较严重时的预应力加固法《当受压较大边强度不足时，采用单面预应力撑杆加固;当两受压面强度均不足时，对非对称双面预应力撑杆加固》、设置卸荷支柱《单面受压强度不足时，以单面设卸荷支柱为宜;两面受压强度不足时，以双面设卸荷支柱为宜》;大偏心受压柱，当受拉面强度不足时，可将受拉面加厚加固或外包钢加固法；当受压面强度不足时，可将受压面加厚加固或外包钢加固法以及对受压面用预应力撑杆加固等方法；受拉、受压面强度均不足时，可采用两面加厚的增大截面法。
　　(2)变形过大。一般采取加大截面法或预应力加固法。
　　(3)长细比过大。加大截面法。
　　(4)延性不足。可采用外包钢加固法和间接配筋的钢筋混凝土围套。
　　(5)局部强度不足。当不允许增大截面时，采用间接力加固法;当允许增大柱截面时，可利用局部补接钢筋混凝土法。
　　(6)腐蚀、高温造成的破坏。置换法。可以看出，在以上常用的加固方法中，只要对使用空间的要求不太苛刻的情形下，具有工艺简单、技术要求不高的加大截面法在工程实践中应用较广。
　　2、钢筋混凝土结构加固优化设计
　　传统的结构设计是设计者根据设计要求，按本人的实践经验，参考类似的工程设计，确定结构初始设计方案，然后再进行承载力、稳定性、刚度等各方而的计算，实际上这种计算往往只是起到一种校核及补允细节的作用，仅仅证明了原方案的可行性，而难以评估和达到综合效益的最佳性。确定了结构的加固方案后，还需对所采方案的各项进行设计。比如，对某板进行加固，经方案优选决策，采用受压区加厚区的加固方案，那么接下来就需确定所加厚度参数，即所加厚度应该为多大才能最好地满足加固要求。显然，传统设计方法需要设计者具有丰富的经验，且要在不断的重新设定参数进行反复的迭代运算，比较费时、费力而所得结果也不定最优。若采用方案参数优化设计方法，即通过建立数学模刑，根据最优化原理，运用最优化方法，在众多可满足要求得设计参数中，用计算机自动选出最优的设计参数，则可以大大地提高设计的效率、保证设计的效果。
　　3、钢筋混凝土结构中非结构构件的施工
　　除按照正常的设计图纸、工艺标准和验收规范，进行钢筋混凝土结构中非结构构件的施工外，以下几点值得注意。
　　3.1细化设计
　　在混凝土结构工程图纸中，很少标出构造柱、圈梁的位置，所以，施工单位和设计单位要对构造柱、圈梁进行二次细化设计，明确位置、标高、断面、配筋、数量，形成书面技术资料，作为施工依据和结算依据。笔者经历的一些工程有框架、排架、剪力墙结构，都做了这项工作。
　　3.2关于接结筋的间距和搭接
　　规范规定的拉结筋间距为500mm，一般规格的砌块高为200mm，应按高400mm布置接结筋。具体布置在06SG614一1《砌体填充墙结构构造》中有详细规定。关于拉结筋的搭接，规范中没有明确规定，建议按04G101平法图集要求的最小搭接长度300mm施工。
　　3.3构造柱、拉梁的施工顺序
　　一般图纸设计要求先砌墙后浇柱，并且禁止位于悬挑部位端部的构造柱混凝土与挑梁混凝土同时浇注，即禁止构造柱、拉梁等非结构构件参与主结构的受力。另外，当构造柱位于端部、角部时，为了保证安全和方便施工，可以先浇柱后砌墙，但应在主结构混凝土浇完后再浇注，严禁与主结构混凝土同时浇注。施工顺序问题应在工程中给予重视并认真执行。笔者曾看到不少的工程为图施工方便，把构造柱与主结构混凝土一起浇注，而且并没有引起监理和业主的足够重视，这是不可取的。
　　3.4构造柱主筋、拉结筋和结构构件的连接
　　(1)钢筋连接。在GB50011-2001《建筑抗震设计规范》中，没有明确规定非结构和钢筋混凝土结构中的连接方式。在06SG614一1《砌体填充墙结构构造》标准设计图集中，指出了用预埋钢筋或预埋铁件的方法。一般工程图纸对采用何种连接方式没有明确规定，近几年采用植筋的方法相当普遍。采用预埋钢筋不但位置不准且对结构破坏大，预埋钢板成本高且位置也不容易保证;后植筋位置准确，质量容易保证，成本适中，对混凝土结构的破坏小。后植筋的依据是JGJ145-2004《混凝土结构后锚固技术规程》，采用的方法为化学植筋，其质量主要取决于混凝土强度、胶的质量、植筋工艺，应做抗拉拔试验，工程中按钢材的屈服强度作为拉拔标准。工程应用表明，化学植筋用于构造柱主筋、拉梁主筋、墙体拉结筋是科学可靠、经济合理的。
　　(2)混凝土连接。GB50011-2001《建筑抗震设计规范》指出:“钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，宜与柱脱开或采用柔性连接。”有的设计在图中明确要求构造柱顶混凝土与上部的梁、板空20mm的间隙，用硬质聚苯板填塞。这一点在施工中执行得并不好，很少有施工企业在浇完混凝土后，能有意识地去填塞聚苯板;另一方面，一般后浇构造柱混凝土与主结构混凝土的连接也不会密实。因此，笔者建议，这一间隙可使用低强度砂浆(强度等级<M5)补起，既可以起到柔性连接的作用，又能起到柱顶收口的作用。在03G329一1《建筑物抗震构造详图》中，提供了框架柱与非结构砌体填充墙的连接方法，其目的是避免形成短柱。笔者建议，该做法中的嵌缝膏可以用低强度砂浆来代替，工程实践中也很少见到用嵌缝膏处理主结构与填充墙之间的间隙。
　　4、结束语
　　综上所述，建筑物的抗震性能首先取决于建筑地基基础、结构的设计与施工。在混凝土结构中，虽然非结构构件不是抵抗震害的主要因素，但在主结构安全的情况下，它却是最容易遭到破坏、变形最明显的构件，而且非结构构件量大、面广，涉及到地震时对生命财产的保护、安全疏散、震后修复等方面。

《钢筋混凝土结构抗震加固设计与施工的探讨》

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