工程结构加固方法的归纳总结要点.doc

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1、工程结构加固方法分析与探讨【摘要】：本文介绍了工程实际中运用比较广泛的几种结构加固的方法，并分析部分加固方法的特点、适用范围以及相关的设计计算原理。通过此文希望为土木工程师进行结构加固计算提供借鉴意见和方法。【关键字】：结构加固，加固设计，增大截面加固法，FRP1、结构加固常用方法1.1增大截面加固法增大截面加固法，也称外包混凝土加固法，他通过增大构件的截面和配筋，来提高结构的承载力、强度、刚度、稳定性及抗裂性。该方法施工工艺简单，适用面广，可广泛用于梁、板、柱、墙、基础、屋架等混凝土构件的加固。根据构件受力特点和加固的目的、构件几何尺寸、便于施工等要求可设计为单侧、双侧或三侧和四面包套的加固

2、。混凝土受弯构件中受拉钢筋不足且净空不受限制时，可采用梁板底加大截面对原结构进行加固。根据加固目的和要求的不同，可以是以增大截面为主的加固，可以是增配钢筋为主的加固，也可以两种方法同时采用。以增大截面为主时，为了保证补加混凝土正常工作，亦需适当配置构造钢筋。以增配钢筋为主时，为保证配筋的正常工作，亦需按钢筋的间距和保护层厚度等构造要求决定适当增大截面尺寸。增大截面法的技术难点是，在设计构造方面必须注意解决好新加部分与原有部分的整体工作共同受力问题。1.2粘贴钢板加固法粘贴钢板加固法是用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉区或薄弱部位，使之与原结构物形成共同受力的整体，以提高其抗

3、弯、抗剪能力及刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，进而提高结构的承载能力与耐久性的加固方法。由于粘贴钢板厚度有限，因而它对刚度的提高效果并不显著。1.3粘贴纤维增强复合材料（FRP）加固法粘贴纤维增强复合材料加固法是利用粘结剂将纤维增强复合材料（FRP）粘贴在被加固混凝土构件薄弱部位，使两者共同工作，提高结构构件的承载能力，从而起到加固补强的一种加固方法。此法的加固功效类似于粘贴钢板加固法。由于纤维增强复合材料非常薄，此法对于结构刚度的提高更加有限，对拉应力的降低效果及对混凝土裂缝的抑制作用都不明显。因而该加固方法适用于混凝土结构的抗弯和抗剪加固。纤维增强复合材料（

4、FRP）由连续纤维和树脂基体复合而成。常用纤维种类包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。常用树脂有环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。根据纤维种类的不同可将用于混凝土结构加固的纤维复合材料分为三类：玻璃纤维复合材料（GFRP）、碳纤维复合材料（CFRP）和芳纶纤维复合材料（AFRP）。相比而言碳纤维复合材料具有更好的性能，在工程中也用的最广，碳纤维复合材料的优点主要有：高拉伸强度（约为普通钢材强度的10倍），高弹性模量，自重轻，耐高温，耐酸碱腐蚀，施工简便，施工工期短。1.4外加预应力加固法外加预应力加固法是指采用预应力筋对建筑物的梁、板、柱或桁架进行加固的方法。这种方法不仅具有施工简便的特点，而且可在

5、基本不增加梁、板截面高度和不影响结构使用空间的条件，提高梁、板的受弯、受剪承载力，改善其在使用阶段的性能。这主要是因为预应力所产生的负弯矩抵消了一部分荷载弯矩，致使梁、板弯矩减小。之前几种加固方法都是被动的加固方法，这主要表现在他们都不能减小，更不能消除结构自重所产生的应力和变形。而外加预应力加固法是一种主动的加固方法，也就是说，在自重增加很小的情况下可大幅度调整并改善原结构的受力状态，提高结构刚度和抗裂性能。1.5外粘型钢加固法外粘型钢加固法是钢筋混凝土梁、柱四周包以型钢的一种加固方法。例如，在构件截面的四角沿构件通常或沿某一段设置角钢，横向用箍板或螺栓套箍将角钢连接成整体，成为外包于构件的

6、钢构架。外包钢构架可以完全替代或部分替代原构件工作，达到加固的目的。外粘型钢加固法优点是构件截面尺寸增加不大，而构件承载力可大幅度提高，并且经过加固后原构件混凝土受到外包钢的约束，原构件承载力和延性得到改善。1.6增设支点加固法增设支点加固法就是通过增加支撑点以减小受弯构件的计算跨径，使得结构受力体系和受力状况发生改变，从而提高结构的承载能力及刚度，减小结构效应，改善结构受力性能。1.7植筋加固植筋技术是一种新型的钢筋混凝土结构加固改造技术，它是在需连接的旧混凝土构件上根据结构受力特点，确定钢筋的数量、规格、位置，在旧构件上进行钻孔、清孔、注入植筋胶结剂，再插入所需的钢筋，使钢筋与混凝土通过结

7、构胶粘结在一起，然后浇注新混凝土，从而完成新旧钢筋混凝土的有效连接，达到共同作用、整体受力的目的。作为一种新型的加固技术，他不仅具有施工方便、工作面小、工作效率高的特点，而且还具有适应性强、适用范围广、锚固结构的整体性能良好、价格低廉等优点。因而被广泛应用于建筑结构加固及混凝土的补强工程中。2、增大截面加固法2.1特点及适用范围2.1.1 特点增大截面加固法广泛用于梁、板、柱、墙、基础、屋架等混凝土构件的加固。该加固方法有以下特点：（1）结构受力明确，计算简单方便，加固后结构的承载力、刚度、稳定性得到明显提高，加固效果好。（2）加大构件截面，会使上部结构恒载增加，对原下部结构有一定影响。（3）

8、现场湿作业工作量大，养护时间长，对生产和生活有一定影响。（4）若对梁底增大尺寸，会使梁下净空有所减小。2.1.2 适用范围增大截面加固法加固构件时，对受弯构件来说增加抗弯刚度效果好，但增加尺寸有限。对偏心受压构件来说，增加强度、刚度、稳定性方面效果都较好，但有一共同缺点是新增混凝土会增加原构件的负担，养护时间长，浇注不便、工期相对长些。增大截面加固法主要适用于以下情况：（1）原受弯构件的抗弯或抗剪承载力不足，或构件刚度不足，采用增大截面加固效果较好。（2）受压构件承载力、刚度、稳定性不满足要求。（3）对于梁下净空没有特殊要求的结构。2.2受弯构件加固计算采用增大截面加固法可分为在截面受压区或受

9、拉区增设现浇混凝土加厚层的两种方法。 2.2.1 受压区加加现浇混凝土层加固法 2.2.1.1正截面抗弯承载力计算 受压区加现浇混凝土层加固后，梁板受弯构件正截面抗弯承载力可按下列公式计算： (2-1) (2-2)上两式中：为加固后构件计算截面承担的弯矩设计值；为原构件纵向受拉钢筋截面面积；为受压区新加纵向受压钢筋截面面积；为原构件纵向受拉钢筋抗拉强度设计值；为受压区新加纵向受压钢筋抗压强度设计值；为混凝土弯曲抗压强度设计值，当时，按新加混凝土取用；当时，可近似按新旧混凝土的小者取用。为计算截面宽度；、分别为加固前后计算截面的有效高度；为计算截面受压区高度。 2.2.1.2斜截面抗剪承载力计算

10、加固时，若能在构造上保证叠合层部分门形箍筋与原构件可靠连接，且其数量不低于原构件，则受压区加现浇混凝土层加固后，梁板受弯构件斜截面承载力可按下式计算： (2-3)式中：为加固后构件计算截面承担的剪力设计值，；为原构件配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；为原构件箍筋抗拉强度设计值；为原构件箍筋间距；为混凝土抗压强度设计值，近似按原构件混凝土取用。否则，可近似不考虑新加箍筋的有利影响，按下式计算： (2-4) 2.2.1.3设计计算方法（1）确定受压区现浇混凝土层厚度。当板也需要加固时，梁受压区新增混凝土层厚度一般应与板相同，在不影响正常使用的条件下，梁板受压区新增混凝土层厚度可近似按下式初步

11、确定： （2-5）式中：为原构件正截面抗弯承载力设计值；为受压区新增混凝土层厚度，。（2）验算正截面抗弯承载力并确定受压钢筋的数量。按照实际选定的截面尺寸，确定计算截面弯矩设计值，然后令代入式（2-1）和式（2-2）对加固截面正截面抗弯承载力进行验算，当满足要求是，仅需按构造配制受压钢筋，否则需要按照式（2-1）和式（2-2）计算确定受压钢筋数量。（3）判断计算结果和加固方案是否合理，不合理则须修改截面尺寸或采用其他加固方法。（4）验算斜截面抗剪承载力。2.2.2 受拉区加加现浇混凝土围套加固法 2.2.2.1正截面抗弯承载力计算受拉区加现浇混凝土围套加固后的钢筋混凝土受弯构件正截面抗弯承载力

12、可按下列公式计算： （2-6） （2-7）上二式中：为达到极限状态时原受拉钢筋的应力；为受拉区新加纵向钢筋抗拉强度折减系数，可近似取；为加固后构件截面计算受压区高度，为保证新加受拉钢筋屈服应满足应满足；为受拉区加现浇混凝土围套加固梁正截面界线破坏受压区高度系数。达到极限状态时原受拉钢筋的应力可根据平截面假设确定，即： （2-8）上式中：为混凝土极限压应变；为钢筋的弹性模量。应根据加固时原构件已承担的荷载值，根据平截面假定，按下述方法确定：加固时，在荷载值作用下，原受拉钢筋的应变可按下式确定： （2-9） 根据平截面假定，此时相应新加钢筋位置处的初始应变为 （2-10） 加固后，在新增荷载作用下

13、，新增钢筋是以初始应变为起点，则 （2-11）2.2.2.2斜截面抗剪承载力计算单面混凝土围套加固时，若能在构造满足新加U形箍与原构件的可靠连接，并保证其数量不低于原钢筋，则其斜截面抗剪承载力可按下式计算： （2-12）否则，应按下式计算： （2-13）2.2.2.3设计计算方法（1） 初步确定加固梁截面尺寸。从式（2-6）到式（2-8）可以看出，三个方程求解四个未知数（、和），有无穷组解。一般可根据工程经验和构造及斜截面承载力要求，初步假定截面尺寸。（2） 根据初步确定的截面尺寸，求解式（2-6）到式（2-8），确定新增纵向钢筋的面积。当正截面承载力需要的增量很大，截面新增加高度较大时，可近

14、似地不计原受拉钢筋的作用，令，按式（2-6）到式（2-8）确定。（3） 按式（2-12）到式（2-13）验算斜截面承载力。（4） 根据计算结果判别加固方案是否满足要求，不满足则修改截面尺寸或采用其他加固方法。2.3受压构件加固计算2.3.1 轴心受压柱的加固计算采用加大截面法加固的钢筋混凝土轴心受压柱正截面受压承载力由两部分组成，即被加固柱对承载力的贡献和新加部分对承载力的贡献。根据截面平衡条件，加固后轴心受压柱正截面承载能力可以表示为 （2-14）式中：为被加固柱截面轴心受压承载力，；为被加固部分混凝土轴心抗压强度设计值；为被加固部分混凝土截面面积；为被加固部分纵向钢筋抗压强度设计值；为被加

15、固部分纵向钢筋截面面积；为被加固部分材料破坏时，新加固部分截面所能承担的压力，；为新加部分混凝土截面面积；为新加部分纵向钢筋的截面面积；为被加固部分混凝土应变为新加部分混凝土的应力；为被加固部分混凝土应变为新加部分钢筋的应力；为轴心受压构件稳定系数。2.3.1 偏心受压柱的加固计算采用加大截面法加固钢筋混凝土偏心受压柱时，可近似按照混凝土结构偏心受压构件正截面受压承载力的计算方法计算，但应考虑新加钢筋和混凝土可能得不到充分利用，对其强度进行折减。规范规定：对受压区新增混凝土和纵向钢筋的抗压强度设计值以及受拉区新增钢筋的抗拉强度设计值均应乘以0.9的折减系数。3、粘贴钢板加固法3.1特点及适用范

16、围3.1.1 特点采用粘贴钢板加固法在国内应用已是相当广泛。该加固法有以下特点：（1） 不会破坏被加固结构的外形。（2） 施工工艺简单，施工质量易于控制，施工工期短，经济性较好。（3） 钢板所占空间小，不影响桥梁净空，桥梁自重增加不大。（4） 黏结剂的质量及耐久性是影响加固效果的主要因素。（5） 加固钢板容易锈蚀，必须进行严格的防锈处理。3.1.2 适用范围 粘贴钢板加固法适用于钢筋混凝土受弯、受拉和受压构件的加固。（1）为了提高结构的抗弯能力，一般在构件的受拉边缘表面粘贴钢板使其与原结构形成整体受力。（2）如果结构的主拉应力区斜筋不足，为了增加结构的抗剪切强度，可将钢板粘贴在结构的侧面，并垂

17、直于剪切裂缝的方向斜向粘贴（斜度一般为-），以承受主拉应力。也可以竖向粘贴成条状或用U形和L形箍板。两种方式都需要钢板压条。（3）有时为提高结构整体刚度也可通过粘贴钢板来实现。（4）当局部受力比较集中部位出现裂缝时，通过粘贴钢板可增强构件抗剪强度。3.2计算原理（受弯构件）3.2.1 正截面抗弯承载力计算 有采用外部粘贴钢板加固的钢筋混凝土梁，其正截面承载力可按钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的方法计算，即 （3-1） （3-2）上二式中：、为被加固构件受拉、受压区纵向钢筋的面积；、为被加固构件纵向受力钢筋的抗拉、抗压强度设计值；、为受压区、受压区粘贴钢板的截面面积；、为粘贴钢板的抗拉、抗压强度

18、设计值；、为被加固构件受拉、受压区纵向钢筋合力作用点至混凝土截面边缘的距离；为受压区粘贴钢板合力作用点至混凝土截面边缘的距离；为受拉区粘贴钢板的厚度；为被加固构件截面宽度；为截面受压区计算高度，应满足和；为混凝土受弯构件正截面相对界限受压区高度系数；为粘贴钢板加固正截面相对界限受压区高度系数。考虑到粘贴钢板受力前被加固构件中钢筋已受力变形，应按下式确定： （3-3）为粘贴钢板位置处，假想的由于加固前原构件受力变形引起的变形值，按照平截面假设，并假设原构件内力臂系数为0.87，则 （3-4）为加固时原截面受拉钢筋的初始应变，可以近似按下式计算： （3-5）式中：为加固前被加固构件承受的弯矩标准值

19、。3.2.2 斜截面抗剪承载力计算有采当构件斜截面抗剪承载力不足时，可以采用粘贴U形钢箍板或斜方向钢板条进行加固，加固后构件斜截面承载力可按下列公式计算：当采用U形钢箍板加固时 （3-6）当采用侧向斜钢板条加固时 （3-7）上两式中：为斜截面最大剪力设计值；为原构件斜截面受剪承载力设计值；为单肢箍板或板条的截面面积；为箍板或板条轴线间的距离，应满足；为箍板或板条在梁侧的高度；为斜板条的倾角。4、 粘贴纤维复合材料加固法4.1特点及适用范围4.1.1 特点 粘贴纤维复合材料加固时有以下特点：（1） 粘贴厚度小，不增加断面尺寸，不增加桥梁恒载。（2） 可以随结构外形变化施工，从而降低施工难度，缩短

20、施工工期。（3） 施工简便，无需大型设备，可在不影响或少影响交通的情况下施工。（4） 能有效的封闭混凝土的裂缝。（5） 具有良好的耐腐蚀性，寿命较长，便于养护。4.1.2 适用范围粘贴纤维复合材料加固法适用于梁、板的加固，可提高梁、板的承载力，对刚度的提高效果相对较差；亦可用于加固钢筋混凝土受压柱，以提高其承载力、延性、耐久性等。粘贴纤维复合材料加固构件，主要适用于以下情况：（1） 原构件受拉主筋或腹筋配筋不足的梁和板，抗弯、抗剪加固效果较为显著。（2） 原构件受拉钢筋严重腐蚀或受损，以致承载力无法满足安全及使用要求。（3） 提高构件的抗裂性，可制约裂缝的发展。（4） 以延长结构使用年限为主要

21、目的的耐久性加固。（5） 混凝土墩柱的抗剪、抗压补强以及抗震延性补强。4.2计算原理（受弯构件）4.2.1 假定及相关规定采用纤维复合材对梁、板等受弯构件进行加固时，除应遵守现行国家标准混凝土结构设计规范GB 50010正截面承载力计算的基本假定外，尚应遵守下列规定：(1) 纤维复合材的应力与应变关系取直线式，其拉应力取等于拉应变与弹性模量的乘积；(2) 当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定纤维复合材的滞后应变；(3) 在达到受弯承载能力极限状态前，加固材料与混凝土之间不致出现粘结剥离破坏。 受弯构件加固后的相对界限受压区高度应按下列规定确定： （1）对重要构件，采用构件加

22、固前控制值的0.75倍，即 （4-1） （2）对一般构件，采用构件加固前控制值的0.85倍，即 （4-2）式中 构件加固前的相对界限受压区高度，按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的规定计算。4.2.2 理论计算在矩形截面受弯构件的受拉边混凝土表面上粘贴纤维复合材进行加固时，其正截面承载力应按下列公式确定: (4-3) (4-4) (4-5) (4-6)式中 构件加固后弯矩设计值； 等效矩形应力图形的混凝土受压区高度，简称混凝土受压区高度； 、矩形截面宽度和高度； 、原截面受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值； 、原截面受拉钢筋和受压钢筋的截面面积； 纵向受压钢筋合力点至截面近边

23、的距离； 构件加固前的截面有效高度； 纤维复合材的抗拉强度设计值； 纤维复合材的有效截面面积； 虑纤维复合材实际抗拉应变达不到设计值而引入的强度利用系数，当时，取 混凝土极限压应变，取 纤维复合材拉应变设计值； 考虑二次受力影响时，纤维复合材的滞后应变，若不考虑二次受力影响，取。 加固设计时，可根据公式（4-3）计算出混凝土受压区高度，并按公式（4-5）计算出强度利用系数，并代入公式（4-4），即可求出受拉面应粘贴的纤维复合材的有效截面面积；然后按下述规定换算为实际应粘贴的纤维复合材截面面积。 图4-1矩形截面构件正截面受弯承载力计算规定：实际应粘贴的纤维复合材截面面积，应按下列公式计算： （

24、4-7）纤维复合材厚度折减系数是，应按下列规定确定：（1) 当采用预成型板时，；（2) 当采用多层粘贴的纤维织物时，值按下式计算： （4-8）式中纤维复合材弹性模量设计值（）； 和分别为纤维复合材（单向织物）层数和单层厚度。 对受弯构件正弯矩区的正截面加固，其粘贴纤维复合材的截断位置应从其充分利用的截面算起，取不小于按下式确定的粘贴延伸长度（图4-2）： （4-9） 图4-2纤维复合材的粘贴延伸长度式中 纤维复合材粘贴延伸长度（mm）； 对梁为受拉面粘贴的纤维复合材的总宽度（mm），对板为1000mm板宽范围内粘贴的纤维复合材总宽度； 纤维复合材抗拉强度设计值， 纤维与混凝土之间的粘结强度设计

25、值（），取；为混凝土抗拉强度设计值，按现行国家标准混凝土结构设计规范GB 50010规定值采用；当计算值低于0.4时，取；当计算值高于0.70时，取； 修正系数；对重要构件，取；对一般构件，取。4.3 FRP的施工碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforce Plastic）加固修复混凝土结构技术是将碳纤维这种高性能纤维材料应用于土木工程，利用与其相配套的树脂类粘结剂（建筑结构胶）将碳纤维粘贴到结构或构件需要加固的部位表面，形成复合材料体（CFRP），通过其与结构或构件的协同工作，来提高结构或构件的承载力和延性的一种新型加固工法。该工法与传统的结构加固技术相比，以其轻质高强、耐

26、腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结结构影响较小等优点，广泛应用于国内外结构加固改造工程中。 4.3.1 加固方案设计依据碳纤维材料加固混凝土构件，通常有以下几种方式：沿构件主轴方向粘贴碳纤维，以提高构件正截面的抗弯能力；沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与原有箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力；沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在国内工程中应用最多的是第一种方式，即加固修复提高梁板正截面承载能力，使之满足使用功能要求。 4.3.2碳纤维复合材料的选择加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维与配套树脂粘贴剂。碳纤维是高强度高弹性模量材料，强度

27、是钢材的十几倍。建筑粘结剂种类繁多，选择与某种碳纤维布相容性好的粘结剂是关键。与碳纤维相配套的树脂粘结剂一般由4部分组成。即底层粘结剂、找平材料、浸渍树脂和防护材料。底层粘结剂必须能渗透进混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；找平材料用来修补结构表面的平整度，以便使用片材；浸渍树脂用以浸渍碳纤维片材在混凝土表面形成原位层板；防护材料用以保护碳纤维片材免受外界条件的影响，延长其使用寿命。树脂粘结剂的粘结强度应大于混凝土的拉伸剪切强度，且具有适宜的工作粘度，以便于施工操作。 4.3.3施工工艺4.3.3.1碳纤维复合材料加固混凝土结构施工工艺流程混凝土结构表面处理配制并涂刷底层粘结剂面层找

28、平处理粘贴树脂的配制并侵润碳纤维布粘贴碳纤维布表面防护。4.3.3.2施工要点混凝土表面的处理程度直接影响加固效果。表面要打磨平整直至露出新面，涂底层粘结剂前，再用丙酮清洗一遍。碳纤维布一定要用粘贴树脂浸润透，尽可能让粘结剂充分渗入碳纤维单丝之间的空隙中，提高各单丝之间的共同工作性能。浸润后的碳纤维布用手轻压贴于需要的位置，用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证碳纤维布与结构之间密实无空洞，或者有效粘贴面积不小于95%。碳纤维片材沿其纤维方向折直角会导致应力集中，影响其强度发挥。施工时将角部磨成圆角，可减缓应力集中，碳纤维布的强度基本不受影响。5 结语 工程结构加固的方法还有

29、许多如：置换混凝土加固法、喷射混凝土加固法、高性能水泥复合砂浆钢筋网加固法等，随着工程加固理论的日益成熟，规范的日益优化，必将有更多的适用的，简便的，高效的结构加固方法。参考文献1曹双寅，邱洪兴，王恒华. 结构可靠性鉴定与加固技术M . 北京：中国水利水电出版社，2001. 2卜良桃，周锡全. 工程结构可靠性鉴定与加固M 北京：中国建筑工业出版社，2009. 3邬晓光,白青侠，雷自学公路桥梁加固设计规范应用计算示例M北京：人民交通出版社，2011. 4中华人民共和国行业推荐性标准.公路桥梁加固设计规范（JTG/T J22-2008）.北京：人民交通出版社，2008. 5谌润水，胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例M北京：人民交通出版社，2001.6混凝土结构加固设计规范（GB 50367-2006）