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钢筋混凝土结构加固新技术应用评述

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-01-13  浏览次数:130

  摘要:对RC结构加固新技术(FRP加固、钢丝网水泥砂浆加固、预应力加固技术以及消能减震加固)加固特点、应用范围以及应用前景进行详细评述,指出加固方案确定应根据不同结构、构件特点并充分考虑结构和构件的性能水平和性能目标,其结论可供类似工程借鉴。
  关键词:RC结构,抗震加固,应用评述,
  1研究背景。当工程结构遭受地震破坏,或由于结构设计与施工失误、建筑物使用功能变更与增层、老旧建筑设防标准过低、抗震规范条款变动等因素都必须对结构进行抗震加固,以提高结构的抗震性能。对于大量既有建筑,特别是GBJ11-89抗震规范实施以前建造的建筑,均需要进行抗震鉴定与加固。因此,为了有效减轻地震灾害,在研究结构抗震设计理论与方法的同时,还应该加强对既有建筑抗震加固方法的研究。
  2RC结构加固新技术研究进展。以往抗震加固是以结构的安全性为重点,而对建筑外观、使用功能甚至施工周期很少顾及。随着我国经济实力的增强,抗震加固新技术的出现,抗震加固手段愈来愈多,给工程师以充分发挥的余地,现将有代表性几种加固方式进行综述,着重论述其适用范围以及应用前景,以便为相关工程提供借鉴。
  2.1FRP抗震加固技术。纤维增强塑料(FRP)近年来利用航天、航空工业取得的成就,在民用建筑领域的开发和应用中受到很大重视,进行了广泛的研究,取得了很大的进展。具有许多优点,作为混凝土结构加固和修补材料,得到广泛应用,开辟了一条高效、方便、经济的加固修补混凝土结构的新途径。
  2.1.1FRP加固特点。FRP具有强度高(2500~3550MPa)、性能好(抗蚀)、重量轻(比重1.8g/cm3)、厚度薄(每层厚0.1~0.21mm)的优点,基本不增加结构尺寸、结构自重以及不影响结构外观,在结构的修补和加固中得到越来越广泛的应用,尤其具有以下技术优势:高强高效,施工简捷,施工周期短,施工机具少,操作简单,具有极佳的耐腐蚀性和耐久性,适用面广,施工质量容易保证,对结构的影响小。
  不足之处:(1)弹性模量低(2)环氧树脂的耐火性与耐高温性能差(3)延性不足(4)环氧树脂层传递的剪力有限。
  2.1.2FRP加固技术研究方向。FRP加固中的缺陷在一定程度上限制了它在加固领域中的应用,尤其是弹性模量与环氧树脂层传递的剪力两方面。因为结构往往不仅要求强度加固,还需要刚度加固,因此应采用预应力的加固方法,即先对FRP施加预应力再外贴到结构上对结构进行加固,能克服FRP材性上的缺点,对结构同时进行有效的强度与刚度加固,并能充分发挥FRP的高强性能,防止发生粘结破坏,从而使得FRP能更广泛地应用于结构加固领域。预应力FRP加固受弯构件的试验及理论研究结果表明,构件开裂荷载与抗弯刚度较非预应力FRP加固的受弯构件有明显提高,屈服荷载下的挠度与极限荷载下的挠度较非预应力碳纤维布构件有明显减小,FRP最大应变较非预应力FRP加固构件有明显增大,且破坏时没有粘结破坏迹象,控制适当的预应力水平,并不会引起构件延性不足。
  2.2钢丝(筋)网水泥砂浆抗震加固技术。钢丝(筋)网水泥砂浆是以钢丝网或钢筋网和加筋为增强材料,水泥砂浆为基材组成的薄层结构,钢丝(筋)网也可以用其他合适的金属材料代替。与混凝土相比,钢丝(筋)网水泥砂浆的主要特点是配筋分散性好和骨料颗粒粒径小,因此,具有更好的抗裂、抗渗和韧性。
  3.2.1钢丝(筋)网水泥砂浆加固优势
  其技术优势主要表现在:
  (1)施工便捷,施工工效高,不需大型施工机具,无需现场固定设施,施工占用场地少。
  (2)具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。试验表明,钢丝(筋)网水泥砂浆加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性及耐久性,可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。
  (3)适用面广。钢丝(筋)网水泥砂浆加固修补混凝土结构可广泛适用于多种结构类型、结构形状及多个结构部位的加固修补。
  (4)施工质量易保证。由于钢丝(筋)网比较柔软,即使加固的结构表面不是非常平整,也基本可以保证有效粘贴率。
  (5)对结构形状和外观影响不大。水泥砂浆是一薄层,一般只有15~25mm左右,基本不增加原结构质量及几何尺寸。
  (6)经济效益好,价格便宜。每m2钢丝网价格是FRP的1/15~1/30。
  (7)具有很好的耐火性与耐高温性能。钢丝(筋)网水泥砂浆是无机材料,解决了FRP加固因使用有机环氧化物而产生的问题。
  2.2.2钢丝(筋)网水泥砂浆加固技术研究方向
  钢丝(筋)网水泥砂浆加固的研究在近年来已取得了一定的进展,但与其他许多成熟领域相比,还有许多问题没有解决。
  (1)钢丝(筋)网水泥砂浆加固研究的一个重大问题是试验数据仍很缺乏,尤其是在国内,这一问题更加突出。现有的研究大多是集中在对混凝土梁加固的静载抗弯性能研究,而对混凝土梁抗剪、混凝土柱的静载试验以及动力性能和疲劳性能研究极少,甚至没有。而且现有的研究都是一次受力研究,没有考虑实际加固的二次受力性能。
  (2)虽然有些学者对钢丝网水泥这种构件本身承载力的计算提出了一些方法,但对于加固后构件的计算没有系统的研究和分析,限制了这种加固方法的实际应用。
  2.3预应力抗震加固技术。在桥梁和建筑物加固领域中,体外预应力加固法已愈来愈受到人们的关注,它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点,保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。工程实践表明采用预应力法加固桥梁和建筑物不仅能提高其承载力,还可以减小挠度和裂缝宽度,提高结构的弹性恢复力,并且具有施工方便,不占用空间等特点。
  体外预应力技术在设计理论还是材料设备、施工工艺上都取得了一定的进展,应用范围从早期PC桥梁拓展到了建筑结构,从新建结构拓展到了结构的加固改造和临时性预应力结构或施工临时性钢索。除此之外,体外预应力的应用范围还不仅仅局限于混凝土结构。评价结构设计的基本原则之一就是看该结构形式是否能够充分发挥材料的力学特性,通过运用体外预应力索,任何具有合理压缩特性的材料都可以被连接起来,在适当的应用环境中是一种合理的结构形式。在工程实践中,体外预应力己从单纯应用于混凝土结构拓展到了钢结构,木结构,砖石结构等等,充分证明了其在结构体系方面的优势。
  2.4消能减震加固技术。由姚冶平提出的该技术目前已被成功地应用于工程中,至今已开始消能减震研究的国家超过25个,工程应用例子已超过300多例。结果表明,消能减震具有较大经济效益和社会效益,必将成为21世纪主要的结构抗震体系之一。
  消能减震是在结构抗侧力构件中设置消能部件,通常由阻尼器等组成,通过其局部变形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量,减少主体结构地震反应,达到预期抗震加固的目的。在消能减震结构体系中,消能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态,充分发挥耗能作用,耗散大量输入结构体系的地震能量,从而有效地保护主体结构使其不再受到损伤或破坏。试验表明,消能减震装置可以有效消耗地震总输入能量,这种设计减震机理明确,效果显著,安全可靠,经济合理,适用范围广和维护方便等特点。消能减震技术既适用于新建建筑结构,又可用于已有建筑物的抗震加固、维修。
  消能器的布置应考虑结构的工作性能、建筑功能和经济等要求,综合比较选择相对较好的方案。对于给定的结构,在消能数量一定的情况下,可根据可控度的概念,采用最优放置的顺序逼进法来确定消能支撑的最优布置方案。将层间变形的均方值定义为最优位置指数。
  2.5隔震加固技术。该方法是隔震技术在抗震加固领域中的应用,通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上,以减小上部结构地震反应,从而保证建筑物内人员、设备的安全。目前已研究出的隔震方法有:橡胶垫隔震、滑移隔震、滚珠或滚轴隔震、摆动隔震、悬吊隔震、弹簧隔震等。目前较多的做法是将隔震层放在原结构基础上,即基础隔震。隔震加固法用于现有建筑抗震加固在美国、日本等国已有成功的工程实例,如美国对盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑就是采用此法进行了加固。日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法进行了加固,效果十分明显。
  3存在问题及展望。对于建筑物维修和加固改造,可能有不同的改造思路和实施方案,在具体进行维修加固时,应结合建筑物结构的特点、当地的具体条件等因素综合判断。此外,本文作者以为现有加固应与结构和构件性能要求相结合,不同结构、构件应采用不同性能水平的加固方法和加固深度,应在充分进行经济性、技术性和可靠性等多方面分析比较后,选择出满足多目标(不同性能目标)、多水准(不同性能水平)要求的合理加固方法和加固程度。
  参考文献:
  [1]柳炳康,吴胜兴,周安.工程结构鉴定与加固[M].北京:中国建筑工业出版社,2000
  [2]万墨林,韩继云.混凝土结构加固技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1995
  [3]叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报200639(3)24-36
  [4]王莉,赵考重,刘清阳.预应力技术在建筑结构加固中的应用[J].建筑技术开发200431(1)47-48
  [5]周福霖.工程结构减震控制[M].地震出版社,1996年
  [6]周锡元,阎维明,杨润林.建筑结构的隔震、减震和振动控制.建筑结构学报200223(2)2-11  摘要:对RC结构加固新技术(FRP加固、钢丝网水泥砂浆加固、预应力加固技术以及消能减震加固)加固特点、应用范围以及应用前景进行详细评述,指出加固方案确定应根据不同结构、构件特点并充分考虑结构和构件的性能水平和性能目标,其结论可供类似工程借鉴。
  关键词:RC结构,抗震加固,应用评述,
  1研究背景。当工程结构遭受地震破坏,或由于结构设计与施工失误、建筑物使用功能变更与增层、老旧建筑设防标准过低、抗震规范条款变动等因素都必须对结构进行抗震加固,以提高结构的抗震性能。对于大量既有建筑,特别是GBJ11-89抗震规范实施以前建造的建筑,均需要进行抗震鉴定与加固。因此,为了有效减轻地震灾害,在研究结构抗震设计理论与方法的同时,还应该加强对既有建筑抗震加固方法的研究。
  2RC结构加固新技术研究进展。以往抗震加固是以结构的安全性为重点,而对建筑外观、使用功能甚至施工周期很少顾及。随着我国经济实力的增强,抗震加固新技术的出现,抗震加固手段愈来愈多,给工程师以充分发挥的余地,现将有代表性几种加固方式进行综述,着重论述其适用范围以及应用前景,以便为相关工程提供借鉴。
  2.1FRP抗震加固技术。纤维增强塑料(FRP)近年来利用航天、航空工业取得的成就,在民用建筑领域的开发和应用中受到很大重视,进行了广泛的研究,取得了很大的进展。具有许多优点,作为混凝土结构加固和修补材料,得到广泛应用,开辟了一条高效、方便、经济的加固修补混凝土结构的新途径。
  2.1.1FRP加固特点。FRP具有强度高(2500~3550MPa)、性能好(抗蚀)、重量轻(比重1.8g/cm3)、厚度薄(每层厚0.1~0.21mm)的优点,基本不增加结构尺寸、结构自重以及不影响结构外观,在结构的修补和加固中得到越来越广泛的应用,尤其具有以下技术优势:高强高效,施工简捷,施工周期短,施工机具少,操作简单,具有极佳的耐腐蚀性和耐久性,适用面广,施工质量容易保证,对结构的影响小。
  不足之处:(1)弹性模量低(2)环氧树脂的耐火性与耐高温性能差(3)延性不足(4)环氧树脂层传递的剪力有限。
  2.1.2FRP加固技术研究方向。FRP加固中的缺陷在一定程度上限制了它在加固领域中的应用,尤其是弹性模量与环氧树脂层传递的剪力两方面。因为结构往往不仅要求强度加固,还需要刚度加固,因此应采用预应力的加固方法,即先对FRP施加预应力再外贴到结构上对结构进行加固,能克服FRP材性上的缺点,对结构同时进行有效的强度与刚度加固,并能充分发挥FRP的高强性能,防止发生粘结破坏,从而使得FRP能更广泛地应用于结构加固领域。预应力FRP加固受弯构件的试验及理论研究结果表明,构件开裂荷载与抗弯刚度较非预应力FRP加固的受弯构件有明显提高,屈服荷载下的挠度与极限荷载下的挠度较非预应力碳纤维布构件有明显减小,FRP最大应变较非预应力FRP加固构件有明显增大,且破坏时没有粘结破坏迹象,控制适当的预应力水平,并不会引起构件延性不足。
  2.2钢丝(筋)网水泥砂浆抗震加固技术。钢丝(筋)网水泥砂浆是以钢丝网或钢筋网和加筋为增强材料,水泥砂浆为基材组成的薄层结构,钢丝(筋)网也可以用其他合适的金属材料代替。与混凝土相比,钢丝(筋)网水泥砂浆的主要特点是配筋分散性好和骨料颗粒粒径小,因此,具有更好的抗裂、抗渗和韧性。
  3.2.1钢丝(筋)网水泥砂浆加固优势
  其技术优势主要表现在:
  (1)施工便捷,施工工效高,不需大型施工机具,无需现场固定设施,施工占用场地少。
  (2)具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。试验表明,钢丝(筋)网水泥砂浆加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性及耐久性,可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。
  (3)适用面广。钢丝(筋)网水泥砂浆加固修补混凝土结构可广泛适用于多种结构类型、结构形状及多个结构部位的加固修补。
  (4)施工质量易保证。由于钢丝(筋)网比较柔软,即使加固的结构表面不是非常平整,也基本可以保证有效粘贴率。
  (5)对结构形状和外观影响不大。水泥砂浆是一薄层,一般只有15~25mm左右,基本不增加原结构质量及几何尺寸。
  (6)经济效益好,价格便宜。每m2钢丝网价格是FRP的1/15~1/30。
  (7)具有很好的耐火性与耐高温性能。钢丝(筋)网水泥砂浆是无机材料,解决了FRP加固因使用有机环氧化物而产生的问题。
  2.2.2钢丝(筋)网水泥砂浆加固技术研究方向
  钢丝(筋)网水泥砂浆加固的研究在近年来已取得了一定的进展,但与其他许多成熟领域相比,还有许多问题没有解决。
  (1)钢丝(筋)网水泥砂浆加固研究的一个重大问题是试验数据仍很缺乏,尤其是在国内,这一问题更加突出。现有的研究大多是集中在对混凝土梁加固的静载抗弯性能研究,而对混凝土梁抗剪、混凝土柱的静载试验以及动力性能和疲劳性能研究极少,甚至没有。而且现有的研究都是一次受力研究,没有考虑实际加固的二次受力性能。
  (2)虽然有些学者对钢丝网水泥这种构件本身承载力的计算提出了一些方法,但对于加固后构件的计算没有系统的研究和分析,限制了这种加固方法的实际应用。
  2.3预应力抗震加固技术。在桥梁和建筑物加固领域中,体外预应力加固法已愈来愈受到人们的关注,它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点,保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。工程实践表明采用预应力法加固桥梁和建筑物不仅能提高其承载力,还可以减小挠度和裂缝宽度,提高结构的弹性恢复力,并且具有施工方便,不占用空间等特点。
  体外预应力技术在设计理论还是材料设备、施工工艺上都取得了一定的进展,应用范围从早期PC桥梁拓展到了建筑结构,从新建结构拓展到了结构的加固改造和临时性预应力结构或施工临时性钢索。除此之外,体外预应力的应用范围还不仅仅局限于混凝土结构。评价结构设计的基本原则之一就是看该结构形式是否能够充分发挥材料的力学特性,通过运用体外预应力索,任何具有合理压缩特性的材料都可以被连接起来,在适当的应用环境中是一种合理的结构形式。在工程实践中,体外预应力己从单纯应用于混凝土结构拓展到了钢结构,木结构,砖石结构等等,充分证明了其在结构体系方面的优势。
  2.4消能减震加固技术。由姚冶平提出的该技术目前已被成功地应用于工程中,至今已开始消能减震研究的国家超过25个,工程应用例子已超过300多例。结果表明,消能减震具有较大经济效益和社会效益,必将成为21世纪主要的结构抗震体系之一。
  消能减震是在结构抗侧力构件中设置消能部件,通常由阻尼器等组成,通过其局部变形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量,减少主体结构地震反应,达到预期抗震加固的目的。在消能减震结构体系中,消能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态,充分发挥耗能作用,耗散大量输入结构体系的地震能量,从而有效地保护主体结构使其不再受到损伤或破坏。试验表明,消能减震装置可以有效消耗地震总输入能量,这种设计减震机理明确,效果显著,安全可靠,经济合理,适用范围广和维护方便等特点。消能减震技术既适用于新建建筑结构,又可用于已有建筑物的抗震加固、维修。
  消能器的布置应考虑结构的工作性能、建筑功能和经济等要求,综合比较选择相对较好的方案。对于给定的结构,在消能数量一定的情况下,可根据可控度的概念,采用最优放置的顺序逼进法来确定消能支撑的最优布置方案。将层间变形的均方值定义为最优位置指数。
  2.5隔震加固技术。该方法是隔震技术在抗震加固领域中的应用,通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上,以减小上部结构地震反应,从而保证建筑物内人员、设备的安全。目前已研究出的隔震方法有:橡胶垫隔震、滑移隔震、滚珠或滚轴隔震、摆动隔震、悬吊隔震、弹簧隔震等。目前较多的做法是将隔震层放在原结构基础上,即基础隔震。隔震加固法用于现有建筑抗震加固在美国、日本等国已有成功的工程实例,如美国对盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑就是采用此法进行了加固。日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法进行了加固,效果十分明显。
  3存在问题及展望。对于建筑物维修和加固改造,可能有不同的改造思路和实施方案,在具体进行维修加固时,应结合建筑物结构的特点、当地的具体条件等因素综合判断。此外,本文作者以为现有加固应与结构和构件性能要求相结合,不同结构、构件应采用不同性能水平的加固方法和加固深度,应在充分进行经济性、技术性和可靠性等多方面分析比较后,选择出满足多目标(不同性能目标)、多水准(不同性能水平)要求的合理加固方法和加固程度。
  参考文献:
  [1]柳炳康,吴胜兴,周安.工程结构鉴定与加固[M].北京:中国建筑工业出版社,2000
  [2]万墨林,韩继云.混凝土结构加固技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1995
  [3]叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报200639(3)24-36
  [4]王莉,赵考重,刘清阳.预应力技术在建筑结构加固中的应用[J].建筑技术开发200431(1)47-48
  [5]周福霖.工程结构减震控制[M].地震出版社,1996年
  [6]周锡元,阎维明,杨润林.建筑结构的隔震、减震和振动控制.建筑结构学报200223(2)2-11

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