鋼筋混凝土結構加固新技術應用評述
......
摘要：對RC結構加固新技術（FRP加固、鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固、預應力加固技術以及消能減震加固）加固特點、應用范圍以及應用前景進行詳細評述，指出加固方案確定應根據(jù)不同結構、構件特點并充分考慮結構和構件的性能水平和性能目標，其結論可供類似工程借鑒。
關鍵詞：RC結構, 抗震加固, 應用評述,
1 研究背景。當工程結構遭受地震破壞，或由于結構設計與施工失誤、建筑物使用功能變更與增層、老舊建筑設防標準過低、抗震規(guī)范條款變動等因素都必須對結構進行抗震加固，以提高結構的抗震性能。對于大量既有建筑，特別是GBJ11-89抗震規(guī)范實施以前建造的建筑，均需要進行抗震鑒定與加固。因此，為了有效減輕地震災害，在研究結構抗震設計理論與方法的同時，還應該加強對既有建筑抗震加固方法的研究。
2 RC結構加固新技術研究進展。以往抗震加固是以結構的安全性為重點，而對建筑外觀、使用功能甚至施工周期很少顧及。隨著我國經(jīng)濟實力的增強，抗震加固新技術的出現(xiàn)，抗震加固手段愈來愈多，給工程師以充分發(fā)揮的余地，現(xiàn)將有代表性幾種加固方式進行綜述，著重論述其適用范圍以及應用前景，以便為相關工程提供借鑒。
2.1FRP抗震加固技術。纖維增強塑料(FRP)近年來利用航天、航空工業(yè)取得的成就，在民用建筑領域的開發(fā)和應用中受到很大重視，進行了廣泛的研究，取得了很大的進展。具有許多優(yōu)點，作為混凝土結構加固和修補材料，得到廣泛應用，開辟了一條高效、方便、經(jīng)濟的加固修補混凝土結構的新途徑。
2.1.1 FRP加固特點。FRP具有強度高(2500～3550MPa)、性能好(抗蝕)、重量輕(比重1.8g/cm3)、厚度薄(每層厚0.1～0.21mm)的優(yōu)點，基本不增加結構尺寸、結構自重以及不影響結構外觀，在結構的修補和加固中得到越來越廣泛的應用，尤其具有以下技術優(yōu)勢：高強高效，施工簡捷，施工周期短，施工機具少，操作簡單，具有極佳的耐腐蝕性和耐久性，適用面廣，施工質(zhì)量容易保證，對結構的影響小。
不足之處：(1)彈性模量低 (2)環(huán)氧樹脂的耐火性與耐高溫性能差(3)延性不足(4)環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力有限。
2.1.2 FRP加固技術研究方向。FRP加固中的缺陷在一定程度上限制了它在加固領域中的應用，尤其是彈性模量與環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力兩方面。因為結構往往不僅要求強度加固，還需要剛度加固，因此應采用預應力的加固方法，即先對FRP施加預應力再外貼到結構上對結構進行加固，能克服FRP材性上的缺點，對結構同時進行有效的強度與剛度加固，并能充分發(fā)揮FRP的高強性能，防止發(fā)生粘結破壞，從而使得FRP能更廣泛地應用于結構加固領域。預應力FRP加固受彎構件的試驗及理論研究結果表明，構件開裂荷載與抗彎剛度較非預應力FRP加固的受彎構件有明顯提高，屈服荷載下的撓度與極限荷載下的撓度較非預應力碳纖維布構件有明顯減小，F(xiàn)RP最大應變較非預應力FRP加固構件有明顯增大，且破壞時沒有粘結破壞跡象，控制適當?shù)念A應力水平，并不會引起構件延性不足。
2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿抗震加固技術。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是以鋼絲網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)和加筋為增強材料，水泥砂漿為基材組成的薄層結構，鋼絲(筋)網(wǎng)也可以用其他合適的金屬材料代替。與混凝土相比，鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿的主要特點是配筋分散性好和骨料顆粒粒徑小，因此，具有更好的抗裂、抗?jié)B和韌性。
3.2.1 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固優(yōu)勢
其技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
(1)施工便捷，施工工效高，不需大型施工機具，無需現(xiàn)場固定設施，施工占用場地少。
(2)具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能。試驗表明，鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結構有良好的耐腐蝕性及耐久性，可以抗拒建筑物經(jīng)常遇到的各種酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。
(3)適用面廣。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結構可廣泛適用于多種結構類型、結構形狀及多個結構部位的加固修補。
(4)施工質(zhì)量易保證。由于鋼絲(筋)網(wǎng)比較柔軟，即使加固的結構表面不是非常平整，也基本可以保證有效粘貼率。
(5)對結構形狀和外觀影響不大。水泥砂漿是一薄層，一般只有15～25mm左右，基本不增加原結構質(zhì)量及幾何尺寸。
(6)經(jīng)濟效益好，價格便宜。每m2鋼絲網(wǎng)價格是FRP的1/15～1/30。
(7)具有很好的耐火性與耐高溫性能。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是無機材料，解決了FRP加固因使用有機環(huán)氧化物而產(chǎn)生的問題。
2.2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固技術研究方向
鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固的研究在近年來已取得了一定的進展，但與其他許多成熟領域相比，還有許多問題沒有解決。
(1)鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固研究的一個重大問題是試驗數(shù)據(jù)仍很缺乏，尤其是在國內(nèi)，這一問題更加突出?，F(xiàn)有的研究大多是集中在對混凝土梁加固的靜載抗彎性能研究，而對混凝土梁抗剪、混凝土柱的靜載試驗以及動力性能和疲勞性能研究極少，甚至沒有。而且現(xiàn)有的研究都是一次受力研究，沒有考慮實際加固的二次受力性能。
(2)雖然有些學者對鋼絲網(wǎng)水泥這種構件本身承載力的計算提出了一些方法，但對于加固后構件的計算沒有系統(tǒng)的研究和分析，限制了這種加固方法的實際應用。
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2.3 預應力抗震加固技術。在橋梁和建筑物加固領域中，體外預應力加固法已愈來愈受到人們的關注，它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的應力滯后的弱點，保證了新舊材料和結構的整體性與協(xié)同工作。工程實踐表明采用預應力法加固橋梁和建筑物不僅能提高其承載力，還可以減小撓度和裂縫寬度，提高結構的彈性恢復力，并且具有施工方便，不占用空間等特點。
體外預應力技術在設計理論還是材料設備、施工工藝上都取得了一定的進展，應用范圍從早期PC橋梁拓展到了建筑結構，從新建結構拓展到了結構的加固改造和臨時性預應力結構或施工臨時性鋼索。除此之外，體外預應力的應用范圍還不僅僅局限于混凝土結構。評價結構設計的基本原則之一就是看該結構形式是否能夠充分發(fā)揮材料的力學特性，通過運用體外預應力索，任何具有合理壓縮特性的材料都可以被連接起來，在適當?shù)膽铆h(huán)境中是一種合理的結構形式。在工程實踐中，體外預應力己從單純應用于混凝土結構拓展到了鋼結構，木結構，磚石結構等等，充分證明了其在結構體系方面的優(yōu)勢。
2.4 消能減震加固技術。由姚冶平提出的該技術目前已被成功地應用于工程中，至今已開始消能減震研究的國家超過25個，工程應用例子已超過300多例。結果表明，消能減震具有較大經(jīng)濟效益和社會效益，必將成為21世紀主要的結構抗震體系之一。
消能減震是在結構抗側力構件中設置消能部件，通常由阻尼器等組成，通過其局部變形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震輸入結構中的能量，減少主體結構地震反應，達到預期抗震加固的目的。在消能減震結構體系中，消能(阻尼)裝置或元件在主體結構進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結構體系的地震能量，從而有效地保護主體結構使其不再受到損傷或破壞。試驗表明，消能減震裝置可以有效消耗地震總輸入能量，這種設計減震機理明確，效果顯著，安全可靠，經(jīng)濟合理，適用范圍廣和維護方便等特點。消能減震技術既適用于新建建筑結構，又可用于已有建筑物的抗震加固、維修。
消能器的布置應考慮結構的工作性能、建筑功能和經(jīng)濟等要求，綜合比較選擇相對較好的方案。對于給定的結構，在消能數(shù)量一定的情況下，可根據(jù)可控度的概念，采用最優(yōu)放置的順序逼進法來確定消能支撐的最優(yōu)布置方案。將層間變形的均方值定義為最優(yōu)位置指數(shù)。
2.5 隔震加固技術。該方法是隔震技術在抗震加固領域中的應用，通過隔震層的設置將地震變形集中到隔震層上，以減小上部結構地震反應，從而保證建筑物內(nèi)人員、設備的安全。目前已研究出的隔震方法有：橡膠墊隔震、滑移隔震、滾珠或滾軸隔震、擺動隔震、懸吊隔震、彈簧隔震等。目前較多的做法是將隔震層放在原結構基礎上,即基礎隔震。隔震加固法用于現(xiàn)有建筑抗震加固在美國、日本等國已有成功的工程實例，如美國對鹽湖城大廈、洛杉磯政府大樓等幾十棟建筑就是采用此法進行了加固。日本對一些辦公樓、機場等大型公共建筑也是采用此方法進行了加固，效果十分明顯。
3 存在問題及展望。對于建筑物維修和加固改造，可能有不同的改造思路和實施方案，在具體進行維修加固時，應結合建筑物結構的特點、當?shù)氐木唧w條件等因素綜合判斷。此外，本文作者以為現(xiàn)有加固應與結構和構件性能要求相結合，不同結構、構件應采用不同性能水平的加固方法和加固深度，應在充分進行經(jīng)濟性、技術性和可靠性等多方面分析比較后，選擇出滿足多目標（不同性能目標）、多水準（不同性能水平）要求的合理加固方法和加固程度。
參考文獻:
[1] 柳炳康，吳勝興，周安．工程結構鑒定與加固[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000
[2] 萬墨林，韓繼云．混凝土結構加固技術[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995
[3] 葉列平, 馮鵬. FRP在工程結構中的應用與發(fā)展[J]. 土木工程學報200639(3) 24-36
[4] 王莉, 趙考重, 劉清陽. 預應力技術在建筑結構加固中的應用[J]. 建筑技術開發(fā)2004 31(1) 47-48
[5] 周福霖.工程結構減震控制[M].地震出版社,1996年
[6] 周錫元, 閻維明, 楊潤林. 建筑結構的隔震、減震和振動控制. 建筑結構學報2002 23(2) 2-11
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉載請注明出處）
關鍵詞：RC結構, 抗震加固, 應用評述,
1 研究背景。當工程結構遭受地震破壞，或由于結構設計與施工失誤、建筑物使用功能變更與增層、老舊建筑設防標準過低、抗震規(guī)范條款變動等因素都必須對結構進行抗震加固，以提高結構的抗震性能。對于大量既有建筑，特別是GBJ11-89抗震規(guī)范實施以前建造的建筑，均需要進行抗震鑒定與加固。因此，為了有效減輕地震災害，在研究結構抗震設計理論與方法的同時，還應該加強對既有建筑抗震加固方法的研究。
2 RC結構加固新技術研究進展。以往抗震加固是以結構的安全性為重點，而對建筑外觀、使用功能甚至施工周期很少顧及。隨著我國經(jīng)濟實力的增強，抗震加固新技術的出現(xiàn)，抗震加固手段愈來愈多，給工程師以充分發(fā)揮的余地，現(xiàn)將有代表性幾種加固方式進行綜述，著重論述其適用范圍以及應用前景，以便為相關工程提供借鑒。
2.1FRP抗震加固技術。纖維增強塑料(FRP)近年來利用航天、航空工業(yè)取得的成就，在民用建筑領域的開發(fā)和應用中受到很大重視，進行了廣泛的研究，取得了很大的進展。具有許多優(yōu)點，作為混凝土結構加固和修補材料，得到廣泛應用，開辟了一條高效、方便、經(jīng)濟的加固修補混凝土結構的新途徑。
2.1.1 FRP加固特點。FRP具有強度高(2500～3550MPa)、性能好(抗蝕)、重量輕(比重1.8g/cm3)、厚度薄(每層厚0.1～0.21mm)的優(yōu)點，基本不增加結構尺寸、結構自重以及不影響結構外觀，在結構的修補和加固中得到越來越廣泛的應用，尤其具有以下技術優(yōu)勢：高強高效，施工簡捷，施工周期短，施工機具少，操作簡單，具有極佳的耐腐蝕性和耐久性，適用面廣，施工質(zhì)量容易保證，對結構的影響小。
不足之處：(1)彈性模量低 (2)環(huán)氧樹脂的耐火性與耐高溫性能差(3)延性不足(4)環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力有限。
2.1.2 FRP加固技術研究方向。FRP加固中的缺陷在一定程度上限制了它在加固領域中的應用，尤其是彈性模量與環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力兩方面。因為結構往往不僅要求強度加固，還需要剛度加固，因此應采用預應力的加固方法，即先對FRP施加預應力再外貼到結構上對結構進行加固，能克服FRP材性上的缺點，對結構同時進行有效的強度與剛度加固，并能充分發(fā)揮FRP的高強性能，防止發(fā)生粘結破壞，從而使得FRP能更廣泛地應用于結構加固領域。預應力FRP加固受彎構件的試驗及理論研究結果表明，構件開裂荷載與抗彎剛度較非預應力FRP加固的受彎構件有明顯提高，屈服荷載下的撓度與極限荷載下的撓度較非預應力碳纖維布構件有明顯減小，F(xiàn)RP最大應變較非預應力FRP加固構件有明顯增大，且破壞時沒有粘結破壞跡象，控制適當?shù)念A應力水平，并不會引起構件延性不足。
2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿抗震加固技術。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是以鋼絲網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)和加筋為增強材料，水泥砂漿為基材組成的薄層結構，鋼絲(筋)網(wǎng)也可以用其他合適的金屬材料代替。與混凝土相比，鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿的主要特點是配筋分散性好和骨料顆粒粒徑小，因此，具有更好的抗裂、抗?jié)B和韌性。
3.2.1 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固優(yōu)勢
其技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
(1)施工便捷，施工工效高，不需大型施工機具，無需現(xiàn)場固定設施，施工占用場地少。
(2)具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能。試驗表明，鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結構有良好的耐腐蝕性及耐久性，可以抗拒建筑物經(jīng)常遇到的各種酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。
(3)適用面廣。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固修補混凝土結構可廣泛適用于多種結構類型、結構形狀及多個結構部位的加固修補。
(4)施工質(zhì)量易保證。由于鋼絲(筋)網(wǎng)比較柔軟，即使加固的結構表面不是非常平整，也基本可以保證有效粘貼率。
(5)對結構形狀和外觀影響不大。水泥砂漿是一薄層，一般只有15～25mm左右，基本不增加原結構質(zhì)量及幾何尺寸。
(6)經(jīng)濟效益好，價格便宜。每m2鋼絲網(wǎng)價格是FRP的1/15～1/30。
(7)具有很好的耐火性與耐高溫性能。鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿是無機材料，解決了FRP加固因使用有機環(huán)氧化物而產(chǎn)生的問題。
2.2.2 鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固技術研究方向
鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固的研究在近年來已取得了一定的進展，但與其他許多成熟領域相比，還有許多問題沒有解決。
(1)鋼絲(筋)網(wǎng)水泥砂漿加固研究的一個重大問題是試驗數(shù)據(jù)仍很缺乏，尤其是在國內(nèi)，這一問題更加突出?，F(xiàn)有的研究大多是集中在對混凝土梁加固的靜載抗彎性能研究，而對混凝土梁抗剪、混凝土柱的靜載試驗以及動力性能和疲勞性能研究極少，甚至沒有。而且現(xiàn)有的研究都是一次受力研究，沒有考慮實際加固的二次受力性能。
(2)雖然有些學者對鋼絲網(wǎng)水泥這種構件本身承載力的計算提出了一些方法，但對于加固后構件的計算沒有系統(tǒng)的研究和分析，限制了這種加固方法的實際應用。
[Page]
2.3 預應力抗震加固技術。在橋梁和建筑物加固領域中，體外預應力加固法已愈來愈受到人們的關注，它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的應力滯后的弱點，保證了新舊材料和結構的整體性與協(xié)同工作。工程實踐表明采用預應力法加固橋梁和建筑物不僅能提高其承載力，還可以減小撓度和裂縫寬度，提高結構的彈性恢復力，并且具有施工方便，不占用空間等特點。
體外預應力技術在設計理論還是材料設備、施工工藝上都取得了一定的進展，應用范圍從早期PC橋梁拓展到了建筑結構，從新建結構拓展到了結構的加固改造和臨時性預應力結構或施工臨時性鋼索。除此之外，體外預應力的應用范圍還不僅僅局限于混凝土結構。評價結構設計的基本原則之一就是看該結構形式是否能夠充分發(fā)揮材料的力學特性，通過運用體外預應力索，任何具有合理壓縮特性的材料都可以被連接起來，在適當?shù)膽铆h(huán)境中是一種合理的結構形式。在工程實踐中，體外預應力己從單純應用于混凝土結構拓展到了鋼結構，木結構，磚石結構等等，充分證明了其在結構體系方面的優(yōu)勢。
2.4 消能減震加固技術。由姚冶平提出的該技術目前已被成功地應用于工程中，至今已開始消能減震研究的國家超過25個，工程應用例子已超過300多例。結果表明，消能減震具有較大經(jīng)濟效益和社會效益，必將成為21世紀主要的結構抗震體系之一。
消能減震是在結構抗側力構件中設置消能部件，通常由阻尼器等組成，通過其局部變形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震輸入結構中的能量，減少主體結構地震反應，達到預期抗震加固的目的。在消能減震結構體系中，消能(阻尼)裝置或元件在主體結構進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結構體系的地震能量，從而有效地保護主體結構使其不再受到損傷或破壞。試驗表明，消能減震裝置可以有效消耗地震總輸入能量，這種設計減震機理明確，效果顯著，安全可靠，經(jīng)濟合理，適用范圍廣和維護方便等特點。消能減震技術既適用于新建建筑結構，又可用于已有建筑物的抗震加固、維修。
消能器的布置應考慮結構的工作性能、建筑功能和經(jīng)濟等要求，綜合比較選擇相對較好的方案。對于給定的結構，在消能數(shù)量一定的情況下，可根據(jù)可控度的概念，采用最優(yōu)放置的順序逼進法來確定消能支撐的最優(yōu)布置方案。將層間變形的均方值定義為最優(yōu)位置指數(shù)。
2.5 隔震加固技術。該方法是隔震技術在抗震加固領域中的應用，通過隔震層的設置將地震變形集中到隔震層上，以減小上部結構地震反應，從而保證建筑物內(nèi)人員、設備的安全。目前已研究出的隔震方法有：橡膠墊隔震、滑移隔震、滾珠或滾軸隔震、擺動隔震、懸吊隔震、彈簧隔震等。目前較多的做法是將隔震層放在原結構基礎上,即基礎隔震。隔震加固法用于現(xiàn)有建筑抗震加固在美國、日本等國已有成功的工程實例，如美國對鹽湖城大廈、洛杉磯政府大樓等幾十棟建筑就是采用此法進行了加固。日本對一些辦公樓、機場等大型公共建筑也是采用此方法進行了加固，效果十分明顯。
3 存在問題及展望。對于建筑物維修和加固改造，可能有不同的改造思路和實施方案，在具體進行維修加固時，應結合建筑物結構的特點、當?shù)氐木唧w條件等因素綜合判斷。此外，本文作者以為現(xiàn)有加固應與結構和構件性能要求相結合，不同結構、構件應采用不同性能水平的加固方法和加固深度，應在充分進行經(jīng)濟性、技術性和可靠性等多方面分析比較后，選擇出滿足多目標（不同性能目標）、多水準（不同性能水平）要求的合理加固方法和加固程度。
參考文獻:
[1] 柳炳康，吳勝興，周安．工程結構鑒定與加固[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000
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[5] 周福霖.工程結構減震控制[M].地震出版社,1996年
[6] 周錫元, 閻維明, 楊潤林. 建筑結構的隔震、減震和振動控制. 建筑結構學報2002 23(2) 2-11
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉載請注明出處）
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