浅析混凝土结构设计及加固措施

　　摘要：本文从混凝土结构设计的角度分析了， 在设计过程中需要注意的一些常见问题，同时对混凝土结构设计存在的其他问题，如抗震、层间位移限值、防火以及施工等常见问题也做出了分析。并提出了加固中的注意一些事项, 以指导实践，增强混凝土结构的稳定性和耐久性。

　　关键词: 混凝土结构,结构设计,加固技术

　　1. 混凝土结构设计质量控制

　　1.1 混凝土结构设计中裂纹控制

　　1.1.1混凝土结构设计中的裂纹问题分析。裂纹是固体材料中的某种不连续现象。多年来，有关混凝土的现代试验完全证实了在尚未受荷的混凝土和钢筋混凝土结构中存在微裂纹，主要有骨料与水泥石的粘结面上的粘结裂纹、水泥浆中的裂纹以及骨料裂纹。而根据断裂损伤力学的观点，所谓断裂损伤是在广义的外载作用下，使材料的细观结构发生变化，引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇通，导致结构宏观性能的劣化，最终形成结构宏观开裂和破坏。因而混凝土结构的破坏过程实际上是微裂纹的扩展、贯通而形成的。近代的混凝土的微观研究也表明：微裂纹的扩展是材料破损程度的标志，同时，微裂纹的存在也是一种材料本身固有的物理性质。因而，裂纹在钢筋混凝土结构中的存在有其必然性。

　　1.1.2混凝土结构设计中的裂纹控制方法。预应力混凝土结构的裂纹控制方法主要是基于 “抗”的思想，下面分别应用传统力学和断裂力学来分析传统裂纹控制方法。

　　a. 从传统力学观点来看，由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁在外部荷载作用下梁体下缘产生的拉应力全部被抵消(或部分被抵消)，因而可避免混凝土出现裂纹(或推迟出现裂纹)，混凝土梁可以全截面参加工作(或增加参加工作的混凝土截面)，这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强材料的目的。

　　b. 从断裂力学观点来看，混凝土材料内部存在许多微缺陷和微裂纹，这些微缺陷和微裂纹在外部荷载作用下会不断演化、发展，最终形成宏观裂纹。预先在混凝土梁两端施加一对轴向压力，相当于在梁内微裂纹面上作用了一对非均布压应力，这时可以认为裂纹端部的应力强度因子为负值。当外载在裂纹端部产生的应力强度因子与非均布压应力产生的应力强度因子大小相等时，裂纹端部的应力强度因子为零。这时裂纹并不会失稳扩展，只有随着外载

　　的增加，使裂纹端部的应力强度因子达到混凝土材料的断裂韧性时，裂纹才会失稳扩展。 因此，从断裂力学角度来说，由于预先对混凝土梁施加预压应力，从而减小了外载作用下裂纹端部的应力强度因子，避免或是推迟了混凝土出现裂纹。

　　1.2 梁支座的结构形式分析及其设计可靠性的实现策略

　　1.2.1对于梁支座形式的选择来说，如果剪力墙与框架梁垂直正面相交，同时剪力墙对梁的约束能力不强时，梁支座形式宜为铰接。

　　1.2.2结构计算是结构设计的基础，计算结果是结构设计的依据，设计中选择合适的计算假定、计算简图是得到正确计算结果的关键。当前结构设计程序中往往把与剪力墙相交的框架梁支座看作固定支座，这种假定不是在任何情况下都是正确的。当框架梁与剪力墙正面垂直相交，且剪力墙对梁的约束能力较弱时，很难实现固定支座的假定，此时宜将梁支座形式人为调成铰接支座，否则计算结果将与实际不符。结构设计中，对与剪力墙相交的框架梁，支座形式要慎重对待，具体工程应视框架梁与剪力墙的相对刚度及相交位置、方向正确判断剪力墙对梁的约束能力，近而较为准确地确定框架梁支座形式。

　　1.2.3对于提高混凝土结构的设计可靠度，在材料强度等级不变的情况下会增加材料用量， 增加造价，用高强材料替代低强材料，可有效地降低成本。

　　1.2.4混凝土结构中，水平受力构件如梁、板，主要以钢筋的抗力为主，提高钢筋级别效益较好，设计中应优先采用新规范提倡的主导钢筋HRB400(III)级钢筋;竖向受力构件如墙、 柱，主要以混凝土的抗力为主，提高混凝土等级效益较好。

　　1.3混凝土结构设计中抗震问题分析

　　地震力在两类构件之间分配，应考虑不同时段两类构件抗推刚度相对比值的变化。钢一混凝土混合结构中现在采用的主要结构体系为钢框架一混凝土剪力墙(内筒)体系，其中钢筋混凝土内筒为主要抗侧力结构，钢框架主要承担重力荷载，承担较小的水平剪力。在水平地震作用下，有工程经验表明，由于钢框架的抗推刚度远小于混凝上内筒，钢框架承担的水平剪力除顶部几层可为楼层剪力的15%～20%，中部及下部约为相应楼层剪力的10%～15%， 有的工程甚至仅有5%左右。在往复地震动的持续作用下，结构进入弹塑性阶段时，墙体产

　　生裂缝后，内筒的抗推刚度大幅度降低，刚度退化将加大钢框架的剪力。钢框架由于弹性极限变形角为1/400以上，远大于约为1/3000的钢筋混凝土墙体弹性极限变形角。虽然此时的水平地震作用要小于塑性阶段，但钢框架仍有可能要承担比弹性阶段大得多的水平地震剪力和倾覆力矩。因此，为符合结构裂而不倒的要求，需要调整钢框架部分的承担的水平剪力， 规程抗震要求钢框架一混凝土结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值，以提高钢框架的承载力，并采取措施提高混凝土内筒的延性。

　　1.4结构设计过程要确定适宜的层间位移限值

　　1.4.1我国有关混合结构的规程正在修编，高层建筑钢结构规程没有列出对钢一混凝土结构的设计规定，但对以钢筋混凝土结构为主要抗侧力构件的结构，高层建筑混凝土规程，则提出其侧移限值的要求，规定为等同于相当高度的钢筋混凝土高层建筑结构体系的要求。确定适宜的层间侧移和顶点侧移限值是该结构体系规程的重要内容之一。

　　1.4.2“高钢规程”没有列出对钢一混凝土结构的设计规定，但对有混凝土剪力墙的钢结构， 规定应符合《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》JGJ3-91的要求。现行的“混凝土高规” 规定的层间位移限值，对于钢一混凝土结构常不易符合要求。修编中的“混凝土高规”(第二稿)，将包含对钢一混凝土结构设计规定的内容;关于钢一混凝土结构的层间位移限值，将规定为等同于相当的钢筋混凝土高层建筑结构体系的要求。此外，修编中的“混凝土高规”， 关于层间位移限值将对现行“混凝土高规”JGJ3-91有所放松，并以此确定适宜的限值。

　　2. 混凝土加固

　　2.1加固方法

　　2.1.1加大截面法,。加大截面法是较方便且多用的一种加固方法。加大截面法是一种应用较广的传统加固方法, 该方法是在原有混凝土构件表面重新做钢筋混凝土或钢筋网砂浆层,来增大原混凝土结构的截面面积,达到提高结构承载能力的目的。

　　2.1.2裂缝处理。裂缝修补方法主要有表面处理法、灌浆法及填充法等。裂缝修补材料主要为树脂和水泥,修补方法与修补材料的类型密不可分。

　　a. 表面处理法，适用于处理微细裂缝 (裂缝宽度小于0.2 mm ) ，它采用弹性涂膜防水材料、 聚合物水泥膏及渗透性防水剂等, 涂刷于裂缝表面, 达到恢复其防水性和耐久性的目的。

　　b. 灌浆法，又称注入法, 是将树脂浆液、水泥浆液或聚合物水泥浆液等灌入裂缝内部, 达到恢复结构整体性、 耐久性和防水性的目的, 适用于修补宽度较大 ( > 0 . 3 m )、 深度较深的裂缝, 尤其是受力裂缝。

　　c. 预应力加固法，是采用高强度钢筋或型钢等, 在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆的加固方法。加固时, 通过施加预应力, 使体外的拉杆或压杆与被加固构件共同受力, 克服被加固构件的应力超前现象, 改变原有截面的受力特征, 提高加固后体系的承载能力和刚度。

　　2.2加固技术

　　2.2.1托换技术是托梁拆柱、托梁接柱和托梁换柱等技术的总称，是一种综合技术, 由相关结构加固、上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成;适用于已有建筑物的加固改造; 与传统加固方法比较, 具有施工时间短、费用低、对生活和生产影响小等优点, 但是对技术要求较高。

　　2.2.2锚栓技术。本技术适用于普通混凝土承重结构;不适用于轻质混凝土结构及严重风化的结构。

　　2.2.3植筋技术。一种对混凝土结构较简便、有效的连接与锚固技术, 可植入普通钢筋,也可植入螺栓式锚筋;已广泛应用于建筑物的加固改造中。

　　2.2.4裂缝修补技术。本技术适用于承重结构混凝土裂缝的修补;对承载力不足引起的裂缝, 还需要采用适当的加固方法进行加固。

　　2.2.5其他加固技术：碳化混凝土修复技术、:混凝土表面处理技术、混凝土表层密封技术、结构构件移位技术以及调整结构自振频率技术等。

　　3.结 语

　　我国的混凝土结构设计规范已经基本形成体系，但限于条件和具体工作环境状况，存在一些设计方面的空缺和问题是难免的，设计人员在混凝土结构设计中要更好地贯彻执行相关设计规范等，做到安全适用、经济合理、技术先进和确保质量。

《浅析混凝土结构设计及加固措施》

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