钢筋混凝土构件的主要加固方法及其性能比较-论

钢筋混凝土构件的主要加固方法及其性能比较

孙羽， 陈礼刚， 王红亚

（青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266033）

摘要：钢筋混凝土构件在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律,尤其是我国已有的混凝土结构，目前大多数正处于维修、加固、改造的高峰.对于出现问题的建筑结构，实际情况并不允许将其全部推倒重建，而只是采取适当的技术措施，对其进行补强与加固处理，如果能够科学的评估这种损伤的程度和规律，及时采取有效处理措施，可以延缓建筑结构的损伤进程，使其仍能满足安全性、适用性和耐久性的要求，继续为社会服务.不同的加固方法各有其自身的特点和适用范围，应根据不同的具体工况选择合适的加固方法，主要有增强纤维加固法（FRP）和粘钢加固法 。

关键词：增强纤维加固；粘钢加固；钢筋混凝土构件；性能比较

1.加固材料的介绍

1.1组成

粘钢加固结构的加固材料，由高强度钢板（型钢或钢筋）与将钢板（型钢）粘结于加固混凝土构件的结构胶组成。粘高强度纤维复合材加固结构的加固材料，由高强度的增强纤维复合材FRP（碳纤维布、碳纤维板材或芳纶片材和玻璃纤维片材）与将增强纤维片材粘结于加固混凝土构件的浸渍胶或结构胶组成。此外，还有在混凝土结构加固前，将不平整表面及蜂窝孔洞修补平整的底层填料及涂料。涂料是用于渗进水泥表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础.

1.2纤维复合材料

常用的纤维复合材料有碳纤维和玻璃纤维两种。玻璃纤维（GFRP）为常见的玻璃丝布，其价格便宜，但强度较低，耐老化性能较差，用于重要承重结构的加固往往不够理想。而碳纤维材料（CFRP），抗拉强度比一般建筑用钢高数十倍，可作为结构加固的优良材料，原应用于航空航天工业，人们较为陌生。近年来，由于科技的进步，使生产成本大大降低，才开始应用于建筑加固方面。看似极普通的非金属碳元素有数倍于普通低合金钢的抗拉强度及比钢材略高的弹性模量，但又如棉絮一样的柔软，它耐湿热、高温，而且抗老化。

碳纤维的性能：碳纤维具有高拉伸强度、高弹性模量、重量轻、耐高温、耐酸碱腐蚀等优良性能，广泛应用于航空航天、军工、建筑加固等领域。碳纤维具有极高的强度。一般碳纤维布拉伸强度为 ，碳纤维板拉伸强度为 。碳纤维具有比钢材的弹性模量更高的弹性模量，一般的碳纤维布弹性模量Ecf=210——230GPa左右，比钢材的弹性模量略高一点。美国Amoco公司生产的K-1100型高模量碳纤维达到Ecf=1000GPa。碳纤维从受力一直到断裂都处在弹性变形状态，没有像钢材一样的屈服塑性流动，因此碳纤维的破坏呈脆性性质。

其他性能：碳纤维复合材料振动的阻尼性能比钢好，振动衰减快，碳纤维复合材料有助于降低噪声；碳纤维是导电材料，一般电阻率为 - ；普通碳纤维的碳化温度为 C。碳纤维无毒、无味，不易燃、不易爆。

1.3 钢材的材性

钢材的剪切模量G= ，线膨胀系数 ，质量密度为 。热轧钢板有厚钢板（厚度4.5-60mm）、薄钢板（0.35-4mm）还有扁钢（厚度为4-60mm，宽度为30-200mm）。热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管，结构粘刚加固中，多用钢板和角钢；当加固梁、柱构件，要求大幅度提高其承载能力时，可采用粘工字钢、槽钢、角钢等型钢加固。角钢分为等边和不等边两种。

2．外粘钢板补强加固法

外粘钢板加固法，是在混凝土构件受拉区（或受压区）外侧粘贴钢板，使其如同原构件受拉（受压）钢筋一样，参与混凝土结构共同工作。外粘钢加固法，适用于对钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件的加固

2.1混凝土粘钢加固的受力特性

对已建结构进行加固后，其受力性能与一次建成未经加固的普通结构有较大差异，被加固结构在加固前应经承受荷载，当结构因承载力不足进行加固时，截面应力水平一般较高。新加部分在加固后，在原荷载作用下应变为零，因此并不立即分担荷载，只有当继续增加新荷载第二次受力时才开始承担荷载。这样整个结构在第二次受力的过程中，新粘钢板的的应变始终滞后于原结构的累加应变。当原结构中受拉钢筋达到极限状态 时，新粘钢板的应力应变可能还很低，此时，钢板应力可能低于屈服应力 。对于粘钢加固梁，钢板一般采用Q235、Q345或Q390级钢材。比例极限应变值 ，而原构件中受拉钢筋延性良好，其极限应变值 ，比钢板屈服应变高10倍以上。因此在适筋的情况下，虽然加固梁后粘钢板相比于原钢筋有应力滞后的情况，但只要加固钢板不过量，在破坏时，原钢筋应变早已进入塑性流动状态，钢板应力都能滞后达到屈服强度 。

2.2 适用范围

粘钢板加固方法，适用于钢筋混凝土结构受弯构件正截面和斜截面强度加固、受拉及大偏心受压构件的加固。而粘型钢加固方法适用于需大幅度提高截面承载能力和抗震能力的混凝土梁、柱结构的加固。长期使用的环境温度不应超过60 、相对湿度不大于70%且无化学腐蚀和高温高湿及放射性的使用条件为限，处于特殊环境（如高温、高湿、介质侵蚀、放射性环境等）的混凝土结构，采用粘钢加固时，应采取特殊防护措施。原结构混凝土现场实测强度等级不得低于C15，且混凝土表面粘结正拉强度不得低于1.5 .

3．外粘纤维复合材补强加固法

3.1.外粘纤维复合材（FRP）补强加固原理

3.1.1 特性：增强纤维材料加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法。它是利用树脂类粘结材料将高强纤维织物粘结于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固的目的。目前被广泛使用的碳纤维复合材（CFRP）具有比刚材高出10多倍以上的抗拉强度。普通碳纤维布的弹性模量约为 ，普通碳纤维板材的弹性模量为（ ） ，比钢材要高或相近。它可以代替钢筋应用于混凝土抗弯、抗剪加固，直接有效的提高其承载能力；通过用碳纤维布环向裹筋（环箍），可间接提高核心混凝土的强度和延性，而将其应用于框架节点和受压柱的承载能力加固及提高结构抗震的延性和耗能能力。因此，与传统的加固方法相比，碳纤维加固具有明显优点：高强、轻质、施工简便。

3.1.2 补强加固原理：纤维布或片材加固混凝土结构，主要是利用纤维抗拉的高强度、高弹性模量、高应变性能，及通过结构胶能使纤维与混凝土结构产生良好的粘结性，加固补充原结构受拉纵向钢筋和受剪、抗扭箍筋的不足，从而提高结构抗弯、抗剪、抗扭的承载能力，采用封闭式粘贴环箍，约束了核心部位内混凝土的横向变形，使受压构件核心混凝土产生三向压应力，从而间接提高了混凝土的强度和延性，进而提高了框架结构节点及构件的强度、延性、耗能能力及结构整体的抗震性能。设计中一般不考虑纤维复合材料承担抵抗压力的作用。由于纤维布材质轻，将其与混凝土粘贴时无需采取加压固结措施，使得施工方便、快捷，施工效率高，工期短，因而受到工程界的欢迎，广泛应用于房屋建筑、桥梁及水电建筑等工程的加固改造。

3.1.3 适用范围：本技术适用于修复房屋和一般构筑物的混凝土结构因设计失误、施工错误、材料不符合要求及结构使用功能的改变引起荷载的增加，或因遭受火灾、水灾、风灾及地震灾害使结构和构件遭到损坏等各种结构病害情况。对混凝土受弯、剪、扭构件，受拉构件，大偏心受压构件和轴心受压构件等，均可采用纤维片材加固修复新技术来进行加固修复处理。本方法不适用于素混凝土构件，包括配筋率低于《混凝土结构设计规范》规定的最小配筋率的构件加固。

3. 两种主要加固方法的性能比较

优缺点 CFRP补强加固 钢板补强加固

优点 高强度，高弹模，

厚度薄，重量轻；

可任意长度，任意交叉；

耐腐蚀，不生锈；

施工简便，材料表面不许需毛处理，

不需加压，与混凝土表面结合密实；

适应曲面和任意形状结构；

抗疲劳性能好，适应于冲击、振动结构

加固，便于运输（卷材），便于储存；

种类多样，有布、板、棒、网格、角形

、工字形、槽形等型材；

可对CFRP施行预应力加固施工技术

既提高结构强度又提高刚度；

适应既粘又铆，适应节点加固；

可就地取材；

材料便宜；

延性大，适应冲击、振动结构加固；

适应钢结构粘、焊联合加固。

缺点 材料费用高，但综合价比粘钢便宜；

粘结胶需三种，单价较贵；

施工工艺要求较高，材料防潮要求严；

延性差，比较脆；

不耐高温、高湿； 钢板表面处理要求严格，粘结面易生锈而失效；

胶层厚度不易控制，需要专用加压设备；

对复杂结构形状面施工，质量不易保证；

厚钢板端点处应力效应高，钢板与混凝土之间容易剥离；

重量较重，产生附加应力；

加固钢板须采取防锈措施；

参考文献：

【1】 左成平，左明汉。 混凝土结构粘结加固设计与算例。中国建筑工业出版社。2007.3：34-36，96-98.

【2】 王文炜，赵国藩。FRP加固混凝土结构技术及应用。2007.11；1-13.

【3】 陈建伟，胡海涛。玄武岩纤维加固混凝土梁的冻融试验研究。青岛理工大学学报。2008.06；28-30.

【4】 贾强，王明山，肖建刚。几种钢筋混凝土梁的抗剪加固方法及比较。建筑科技。421-422.

【5】 雷开贵，邓子辰，陈顺祥。粘钢加固钢筋混凝土梁的动态有限元建模与分析。四川建筑科学研究。2003.09.74-75.