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建筑結(jié)構(gòu)加固的發(fā)展與前景 |
一、前言
世界城市的發(fā)展已有5千多年，在今天的發(fā)達(dá)國(guó)家中，城市化的程度大多在70%-80%以上。據(jù)聯(lián)合國(guó)人居中心預(yù)測(cè)， 到2050年，世界城市化水平將達(dá)到61%，21世紀(jì)將成為真正的城市化世紀(jì)。我國(guó)目前的城市化進(jìn)程也已步入快速發(fā)展期，預(yù)計(jì)到2010年，我國(guó)的城市化水平將由現(xiàn)在的38.9%達(dá)到45%. 城市的蓬勃發(fā)展代表著人類文明取得的輝煌成就。然而隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，人口的急劇增長(zhǎng)，環(huán)境的破壞變得日益嚴(yán) 重，自然恩賜給人類的資源日益匱乏，人們的生活條件和質(zhì)量不斷惡化。與此同時(shí)，建筑的過(guò)度集中和無(wú)序建設(shè)，使建筑與環(huán)境的矛盾日益突出�？刂平ㄖ锏慕ㄔO(shè)數(shù)量與合理規(guī)劃成為現(xiàn)代建設(shè)者必須重視的問(wèn)題，同時(shí)，提高現(xiàn)存建筑物的使用壽命及功能則成為當(dāng)務(wù)之急的使命，完成這一使命的方法，便是對(duì)現(xiàn)存建筑物進(jìn)行的修復(fù)與加固。
二、結(jié)構(gòu)加固的現(xiàn)狀
在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中，目前用于建筑加固改造的投資已占國(guó)家建筑業(yè)總投資的1/2以上，美國(guó)勞工部門在20 世紀(jì)末的一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)預(yù)測(cè)報(bào)告中曾經(jīng)預(yù)言：建筑維修加固業(yè)將是21 世紀(jì)最為熱門的行業(yè)之一。
我國(guó)自建國(guó)以來(lái)，特別是自上世紀(jì)70 年代末實(shí)行改革開放以后，各種房屋建筑以及城市設(shè)施數(shù)量急劇增加。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)現(xiàn)存的各種建（構(gòu)）筑物的總面積至少在100 億m2以上，其中絕大多數(shù)是混凝土及砌體結(jié)構(gòu)建國(guó)初期建造的大量的工業(yè)與民用建筑，服役期大都超過(guò)50年，存在各種安全隱患。一些新建成的工程項(xiàng)目中，由于勘察、設(shè)計(jì)和施工中的技術(shù)和管理問(wèn)題，導(dǎo)致工程在建成初期就出現(xiàn)各種質(zhì)量安全隱患。對(duì)于這些建筑物，如果不及時(shí)采取加固措施，就有可能導(dǎo)致重大的安全事故。為此，國(guó)家每年要投入大量資金用于建筑的加固修復(fù)，促進(jìn)了建筑加固修復(fù)業(yè)的發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)空間。
同時(shí)，一些現(xiàn)有建筑中，舊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在功能上不能滿足當(dāng)前使用的需求，這也刺激了建筑加固修復(fù)專業(yè)的迅速發(fā)展。特別是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，近年來(lái)舊城改造幾乎成了各大、中城市的共同課題。這為建筑加固修復(fù)業(yè)帶來(lái)了空前的發(fā)展機(jī)遇。
三、結(jié)構(gòu)加固的傳統(tǒng)方法及特點(diǎn)
目前土建結(jié)構(gòu)常用的幾種傳統(tǒng)加固方法主要是以下幾種：
1．預(yù)應(yīng)力加固法
預(yù)應(yīng)力加固法，即指在原結(jié)構(gòu)上增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件來(lái)承擔(dān)原結(jié)構(gòu)上所受的部分荷載，從而提高原結(jié)構(gòu)的承載能力的方法。目前 使用較多的主要是體外預(yù)應(yīng)力加固法。
預(yù)應(yīng)力法加固效果好，能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力。但加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響；比較適用于大跨度或重型結(jié) 構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力﹑高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固。但不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)，另外加固后需要注意預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐問(wèn)題。
2．增大截面加固法
增大截面加固法，通常用于受彎構(gòu)件，是指在原構(gòu)件的上部或下部澆一層新的混凝土和補(bǔ)加相應(yīng)的鋼筋，從而達(dá)到提高原構(gòu)件承載能力的目的。 增大截面加固法是最為傳統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)加固方法，具有成熟的設(shè)計(jì)和豐富的施工經(jīng)驗(yàn)；工程成本相對(duì)較低，可用于梁﹑板柱﹑墻和一般構(gòu)造物等多種混凝土結(jié)構(gòu)的加固。其主要缺陷是現(xiàn)場(chǎng)施工的濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，而且會(huì)帶來(lái)建筑凈空的明顯減少。
3．改變受力體系加固法
改變受力體系加固法，通常包括在梁的中間部位增設(shè)支點(diǎn)（剛性支點(diǎn)或彈性支點(diǎn)），將多跨簡(jiǎn)支梁變?yōu)檫B續(xù)梁等方法。改變結(jié)構(gòu)的受力體系能大幅度降低計(jì)算彎矩，提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力，達(dá)到加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的目的。
該法比較簡(jiǎn)單，而且效果可靠。但加固工作量較大，易損害建筑物的原貌和使用功能，通常還會(huì)減小建筑的使用空間。由所增加的支撐構(gòu)件一般需要將荷載傳遞到基礎(chǔ)上，這種方法比較適用于整個(gè)建筑的加固。
4．粘鋼加固法
該加固法是通過(guò)在構(gòu)件外側(cè)粘貼鋼板，鋼板通過(guò)膠粘劑與原構(gòu)件共同作用，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力，提高結(jié)構(gòu)安全度。一般適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎構(gòu)件的加固，是近年來(lái)發(fā)展最快的一種加固方法。 該加固法的特點(diǎn)是施工便捷，只需卸荷和按要求除銹后即可施工。現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量少，加固后24ｈ即可投入使用，且加固后對(duì) 原結(jié)構(gòu)自重、外觀尺寸和原有凈空無(wú)明顯影響，能顯著提高構(gòu)件的剛度和承載能力，并且價(jià)格低廉；但加固質(zhì)量很大程度上取決于膠粘劑質(zhì)量和施工的水平，特別是粘鋼后一旦發(fā)現(xiàn)空鼓，進(jìn)行補(bǔ)救比較困難。
5．外包鋼加固法
外包鋼加固法，即以角鋼外包于原構(gòu)件四角，角鋼間用扁鋼焊接形成整體鋼構(gòu)套的加固方法，以提高構(gòu)件的承載能力和延性.一般是在要求不顯著增大構(gòu)件截面，同時(shí)又可以大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力的情況下采用，特別是結(jié)構(gòu)柱周圍裹鋼，結(jié)構(gòu)受力比 較可靠，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的工作量也較小，結(jié)構(gòu)截面增加也不大。主要缺點(diǎn)是鋼材用量較大，相應(yīng)加大了工程成本；在節(jié)點(diǎn)處理上也有一定的難度。
四、結(jié)構(gòu)加固的新方法及發(fā)展
上述常規(guī)方法在工程實(shí)踐中被大量采用，但某些情況下，這些方法自身所存在的某些局限性，使得它們不能滿足一些耐久性和美觀方面的需求，或是受到施工條件的制約而無(wú)法實(shí)施。近年來(lái)出現(xiàn)的一些新加固技術(shù)，如粘貼纖維復(fù)合材料加固法、鋼網(wǎng)水泥砂漿加固法、纖維材料的嵌入式加固法等，這些技術(shù)從一開始引進(jìn)和出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)，就以它們優(yōu)異的性能、特點(diǎn)和加固效果得到了工程界的關(guān)注和青睞．下面著重介紹粘貼纖維復(fù)合材料加固法：
纖維材料（FRP）加固修補(bǔ)土建結(jié)構(gòu)技術(shù)是為了突破傳統(tǒng)方法的局限性而產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)。它興起于八十年代末到九十年代初的發(fā)達(dá)國(guó)家，由于其優(yōu)點(diǎn)多，效果明顯，在日美韓歐洲等國(guó)家和地區(qū)得到了大量的推廣，目前在加固修補(bǔ)技術(shù)領(lǐng)域已成最廣泛使用的一項(xiàng)技術(shù)，并已完全產(chǎn)業(yè)化。
按纖維材料的不同，可分為玻璃纖維材料﹑碳纖維材料和阿拉米德材料。其中又以碳纖維材料CFRP最具代表性，其性能特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
（1）具有良好的物理力學(xué)性能：其抗拉強(qiáng)度為普通鋼材的10 倍以上，彈性模量相當(dāng)于普通鋼材的1.1～2.4 倍；而且纖維片 材重量輕，比重僅為鋼材的1/ 4 ；厚度小，一般片材增強(qiáng)層厚度在0.1mm～0.2mm 之間，因此基本上不增加結(jié)構(gòu)截面尺寸和自重。
（2）現(xiàn)場(chǎng)施工方便：沒有濕作業(yè)和明火施工，占用場(chǎng)地小，也不需要大型施工機(jī)具，因此施工方便、工效高、施工質(zhì)量容易得到保障。
（3）使用范圍廣：可用于梁、板、柱及橋梁、隧道、煙囪等多種結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)。特別是在曲面殼體和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的加固中，具有其它加固方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，與混凝土的有效接觸面積可達(dá)100 %。
（4）具有良好的耐久性和耐腐蝕、抗磁性等性能特點(diǎn)。
該材料技術(shù)用于土建結(jié)構(gòu)加固始于上世紀(jì)80 年代中期。1991年歐洲首先用CFRP完成了國(guó)際上第一座橋梁加固后，該項(xiàng)技術(shù) 便在世界上迅速推廣，特別是在上世紀(jì)90 年代中期日本阪神大地震后的重建過(guò)程中，該項(xiàng)技術(shù)得到了大量的應(yīng)用。
我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)工作從1997 年開始起步， 98年才開始實(shí)際的工程應(yīng)用。至目前為止，國(guó)內(nèi)已有近十個(gè)科研院所、十余所高校對(duì)其技術(shù)性能進(jìn)行研究，取得了大量的科研成果。由國(guó)家冶金建筑研究總院、清華大學(xué)等單位所承擔(dān)的國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目《碳纖維材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用》的系列科技成果已于2001 年通過(guò)國(guó)家鑒定，并編制了中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。
五、結(jié)語(yǔ)
我國(guó)建筑市場(chǎng)巨大，當(dāng)前土建結(jié)構(gòu)的加固改造是我們面臨的一項(xiàng)意義重大的任務(wù)。隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑物的加固、維修、改造的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也將越來(lái)越廣，各種新的加固技術(shù)必將不斷地涌現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)也必將取得更長(zhǎng)足的發(fā)展。 |
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