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大跨度混凝土结构抗震加固发展概况

随着时间的推移,我国改革开放后90年代大量兴建的一些建筑结构已经亟需修缮加固以满足现阶段使用要求,还有些建筑已经到达或者即将到达设计使用期限,更由于我国是一个地震高发国家,破坏性地震发生后往往对结构造成较严重的破坏,由此建筑结构的加固工作越来越受到重视,并且随着时间的推移将会备受关注。

2、抗震加固发展历史及现状

1.1我国建筑抗震加固技术的发展基本可以分为以下几个阶段:

在总结了1966年邢台地震、1967年河间地震、1975年海城地震、1976年唐山大地震等大量震害经验的基础上,提出了诸如夹板墙、组合柱、外加构造柱圈梁、外加圈梁和钢拉杆、砖墙裂缝修复和墙体压力灌浆等应急性质的加固技术,也可称为“捆绑式” 的加固技术。此项技术固然实用有效,但破坏建筑外形美观。

1985年以后,建筑的功能和外观愈来愈受到人们重视,“捆绑式” 的加固方法已经落伍,不再受欢迎。扩大建筑面积、改善使用功能、更新建筑造型或对文物建筑要求保留原建筑风貌等特殊要求促进了加固技术的发展。这个阶段对建筑的加固更注重结构整体的加固和改、扩建,更多地采用外包钢、粘钢、扩大梁、柱构件截面、后加钢筋商品混凝土剪力墙、壁式钢筋商品混凝土框架(加固砖墙)、树根桩加固地基、扩大基础等以钢和钢筋商品混凝土材料为主的所谓“硬”加固技术。

1994年美国洛杉矶北岭地震和1995年日本阪神地震的震害经验为世人展现了建筑抗震技术的新出路。隔震和消能减震技术得到迅速的发展,并在建筑加固改造工程中开始得到应用。对加固工程中的新材料、新工艺、新技术展开了广泛的研究,如:碳纤维布、玻璃纤维布、高性能结构胶、高强钢绞线和渗透性聚合物砂浆等新型材料,以及后加预应力工艺等,可以称之为“软”加固技术。

3、结构加固方法及发展

建筑物的加固发展由来已久,特别是经过近几十年的发展,伴随着新材料新工艺的应用产生了增大截面法、外包钢法,预应力加固法、外粘钢板法、外粘纤维法、增设抗震墙法、置换法、绕丝法等多种加固方法。近年来出现了一些新加固技术,如粘贴纤维复合材料加固法、钢丝网水泥砂浆加固法、纤维材料的嵌入式加固法等。这些技术从一开始出现在国内,就以它们优异的性能、特点和加固效果得到了工程界的关注和青睐。纤维材料(FRP)加固修补土建结构技术是为了突破传统方法的局限性而产生的一项新技术。它兴起于八十年代末到九十年代初的发达国家,由于其优点多,效果明显,在日美韩欧洲等国家和地区得到了大量的推广,目前在加固修补技术领域已成为最广泛使用的一项技术,并已完全产业化。

在粘贴纤维复合材料加固法中,以粘贴碳纤维布加固法研究较多,较为成熟。其中赵彤、谢剑等著有《碳纤维布补强加固商品混凝土结构新技术》一书,中国工程建设标准化协会也编写了《碳纤维片材加固商品混凝土结构技术规程》。粘贴其他纤维复合材料加固法虽也有研究但比较少。在纤维加固商品混凝土抗弯、剪构件研究领域中,主要以模型试验为立足点,在理论上进行解析分析的同时,结合试验数据的规律分析,进而提出纤维布加固商品混凝土梁、板结构承载能力简化计算公式,并讨论了待加固结构的配筋率、配箍率、剪跨比、商品混凝土强度、截面刚度及加固材料强度、刚度对加固效果的影响;不同纤维数量对破坏形态的影响;通过对各级荷载下裂缝宽度及开展高度的调查、统计,分析粘贴纤维布对裂缝开展的影响等。在纤维对柱(或墩)加固的研究中,主要进行了纤维加固商品混凝土柱的受压力学性能研究;纤维加固商品混凝土柱的正截面承载力性能研究;纤维加固商品混凝土柱的抗震性能研究;构件的截面形状(圆柱和方柱)对纤维加固商品混凝土柱增强效果的影响等,其中加固材料以碳纤维材料为最多,近年来也逐步开始对芳纶纤维加固商品混凝土柱展开研究。在建筑结构表面直接粘贴纤维材料的加固方法虽然对结构的极限荷载有明显提高,但对其开裂荷载和屈服荷载提高均不大,主要原因在于构件在正常使用阶段纤维材料的应力远远滞后于钢筋的应力,限制了纤维材料的发挥。为了解决此问题,充分发挥纤维材料的性能,研究人员采用了对纤维材料预先施加预应力,再粘贴到建筑结构的表面,即预应力纤维加固方法。试验研究表明:预应力纤维加固方法在提高构件的抗弯承载能力、整体刚度、疲劳寿命、降低构件挠度等方面都有明显的作用。在国外,研究的主要内容包括对预应力的施加方法、锚固方式、预应力施加最大值、预应力损失等。当前预应力的施加方法主要有反拱法、外部张拉法及利用纤维布与商品混凝土梁之间的相互作用施加预应力的方法等。近些年,一些国内学者对预应力碳纤维布加固商品混凝土受弯构件进行了试验研究。湖南大学尚守平教授进行了9根简支梁试验,研究了碳纤维布预应力水平对试件的抗弯刚度、开裂荷载、极限承载力及延性方面的影响。清华大学的叶列平教授和湖南大学尚守平教授还对预应力碳纤维布加固商品混凝土梁的施工工艺进行了研究。

嵌入式加固法是一种通过粘结材料将加固材料嵌入加固构件表面预先凿好的槽中,使之与加固构件形成整体,从而改善结构性能的加固方法。与传统的加固方法相比,嵌入式加固法除具有粘贴FRP材料加固法具有的优点外,还具有FRP材料与原结构粘结性能较好、可以防止火灾对FRP材料的破坏、可以有效地进行负弯矩加固、可以充分利用FRP材料得到强度、能有效提高结构构件的极限承载力等优点。可见纤维嵌入式加固法是一种非常好的加固方法,此加固法在国外已成为纤维材料加固技术研究的热点,已经运用于桥梁、商品混凝土结构、砌体结构、木结构的加固中,且加固效果良好,但在国内较少运用于实际工程,且研究也较少。从已有国外研究成果来看,嵌入式加固法对提高结构的极限承载力效果显著,但对开裂荷载及屈服荷载影响不大。近几年,美国和日本等国提出并应用了许多高效率、多功能的新技术、新工艺,如碳纤维CFRP补强加固技术、喷射商品混凝土加固技术、环氧补强加固技术等,能明显提高构件的承载力,改善它们的各项性能,广泛应用于建筑物的补强加固工程中,新技术的使用即加快了加固施工速度,又提高了加固效果。

4、发展不足及问题

大跨度工业厂房抗震鉴定加固研究较少,大多数进行相关方面的研究主要参照我国或者其他国家相应安全性鉴定标准、抗震设计规范和抗震鉴定规范,或者进行大量简化后进行受损构件的简化计算分析,缺少以整个结构体系为研究对象的相关研究分析。

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