置换混凝土加固施工技术研究

'盲审编号Z11221学校代码10406分类号TU74密级学号1200085213007题目置换混凝土加固施工技术研究作者陈斌学科、专业建筑与土木工程领域指导教师谢洪阳教授申请学位日期2015年6月 学校代码：10406分类号：TU74学号：120085213007南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）置换混凝土加固施工技术研究硕士研究生：陈斌导师：谢洪阳教授申请学位级别：硕士学科、专业：建筑与土木工程领域所在单位：土木建筑学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：南昌航空大学 TheStrengtheningTechniqueofReplacingConcreteADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnGeotechnicalEngineeringbyChenBinUndertheSupervisionofProf.XieHong-yang(CollegeofArchitecture)NanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune,2015 摘要以南昌某棚户区改造工程为例，介绍了置换混凝土加固技术在该工程中的应用。该技术原理为凿除原构件低强度或有缺陷区段的混凝土至一定深度，重新浇筑同品种但强度等级较高的混凝土进行局部增强，以使原构件的承载力得到恢复。它适用于承重构件受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件。实践表明，使用该方法施工方便，直接加固费用不高，不影响建筑物的外观及使用功能，对周边的社会环境无影响。本文对该技术的理论和关键技术进行了研究，主要工作内容如下：（1）本文首先对混凝结构加固的发展做了简单的介绍，然后引出工程背景，运用PKPM结构系列软件对该工程结构进行模型建立，并计算出构件的内力，从而确定构件的承载力状况，以确保置换混凝土加固施工过程中结构构件、预应力锚索以及支撑结构的安全。（2）以南昌某结构加固工程实例为背景，对常用的几种加固方案做了详细的分析和对比，从而提出了本文的研究课题——置换混凝土加固法。（3）对本工程涉及的梁、板、柱、剪力墙等混凝土构件的置换加固原理分别做出了分析，说明该置换混凝土加固方案在理论上的可行性。（4）着重介绍了置换混凝土加固法的施工，包括施工准备工作、施工工序、施工安全要点、施工技术要点以及施工质量检查与验收等。（5）最后对在施工过程中进行的实时监测作了详细介绍，包括应力应变监测、建筑物沉降监测、倾斜监测、结构裂缝监测等，以保证加固施工的安全。并通过监测的数据结果分析，表明该置换混凝土加固施工方案是安全可行的。本文的研究成果可以为今后其他同类工程置换混凝土加固施工提供技术参考。关键词：混凝土；置换；加固；监测I 南昌航空大学硕士学位论文AbstractAbstractThestrengtheningtechniqueofreplacingconcretemethodanditsapplicationinashantytownrenovationprojectinNanchangarepresented.Thismethodmeanstochiselawaydefectiveconcretefromtheoriginalcomponentstoacertaindepth,andthentore-castnewhighstrengthconcrete,thustorebuildthebearingcapacityofthecomponents.Thetechniqueiscapableforbeams,columnsorotherload-bearingcomponentswhichareconstructedbylow-strengthconcreteorflawedseriously.Thepracticeshowsthatthetechniqueiseasytoimplement,costslittle,andhaslittleaffectupontheenvironment.Thethesisdoesresearchonthetheoriesofthetechnologyandthekeytechniques.Themaincontentsareasfollows:1.First,makeabriefintroductiontothedevelopmentofconcretestructurereinforcementandtheprojectbackground.Then,usethesoftwarePKPMtobuildthemodeloftheprojectstructure,calculatetheinternalforcesofthecomponentsandconfirmthebearingcapacity.Thiscanmakesurethesafetyofstructuremembers,pre-stressedanchorcableandthesupportingstructureduringtheconcrete-replacingexecution.2.SetinareinforcementprojectinNanchang,makedetailanalysesandcontrastsamongthecommonreinforcingschemes,andthenputforwardtheresearchtopicofthethesis--concrete-replacingmethod.3.Makeanalysesonthereplacingtheoriesoftheconcretememberswhichareconcernedwiththeprojectsuchasgirder,plank,pillar,shearwallandsoon.4.Focusonintroducingtheexecutionofconcrete-replacingmethod,includingthepreparations,procedures,securityissues,technicalessentials,qualityinspectionandacceptanceandsoon.5.Presentthereal-timemonitoringdataduringtheexecution,likethedataofstress-strain,buildingsettlement,inclination,structuralcrack,whichprovesthattheconcrete-replacingmethodissecureandfeasible.Thethesiscanbeareferenceforthefutureprojectwhichappliestheconcrete-replacingmethod.Keywords:concrete;replacement;reinforcement;monitorII 南昌航空大学硕士学位论文目录目录摘要.....................................................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................................................II目录.................................................................................................................................................III第一章绪论.......................................................................................................................................11.1选题依据及意义..................................................................................................................11.2混凝土结构加固发展概述..................................................................................................21.3常用混凝土结构加固施工方法..........................................................................................41.3.1增大截面加固方法....................................................................................................41.3.2置换混凝土加固法....................................................................................................51.3.3黏贴钢板加固法........................................................................................................61.4本文研究内容......................................................................................................................9第二章结构分析.............................................................................................................................102.1工程概况............................................................................................................................102.2PKPM结构系列软件简介..................................................................................................102.2.1概述........................................................................................................................102.2.2用户界面................................................................................................................112.2.3PKPM结构系列软件主要模块组成.......................................................................122.3PKPM建模及结构内力计算..............................................................................................142.3.1PMCAD建筑结构模型建立..................................................................................142.3.2结构内力计算.....................................................................................................162.4本章小结...............................................................................................................................19第三章结构加固设计和施工.........................................................................................................203.1加固方案确定....................................................................................................................203.1.1加固设计原则........................................................................................................213.1.2加固方案选择........................................................................................................213.2置换混凝土加固原理........................................................................................................223.2.1柱拆除置换原理....................................................................................................223.2.2剪力墙拆除置换原理............................................................................................233.2.3梁板拆除置换原理................................................................................................243.3施工准备工作..................................................................................................................253.3.1技术准备................................................................................................................253.3.2机具、材料准备....................................................................................................253.3.3劳力准备................................................................................................................263.3.4现场准备................................................................................................................263.3.5作业条件................................................................................................................263.4施工技术............................................................................................................................273.4.1置换混凝土加固法构造设计...............................................................................273.4.2置换混凝土加固法施工顺序...............................................................................273.4.3置换混凝土加固法施工安全要点.......................................................................273.4.4置换混凝土加固法施工........................................................................................28III 南昌航空大学硕士学位论文目录3.5施工质量检查与验收.......................................................................................................343.5.1施工质量检查与验收制度....................................................................................343.5.2主要分项工程重点检验制度...............................................................................363.5.3验收程序及方法....................................................................................................373.6本章小结............................................................................................................................43第四章监测...................................................................................................................................444.1监测内容分析...................................................................................................................464.1.1监测项目................................................................................................................464.1.2观测频率................................................................................................................544.1.3监测仪器................................................................................................................544.2监测结果...........................................................................................................................464.2.1建筑物沉降观测...................................................................................................554.2.2混凝土应变监测....................................................................................................574.2.3预应力锚索应力监测...........................................................................................604.2.4钢柱轴力监测.......................................................................................................614.2.5建筑物倾斜监测...................................................................................................634.3本章小结...........................................................................................................................464.3.1建筑物沉降观测...................................................................................................664.3.2应变观测...............................................................................................................664.3.3应力观测...............................................................................................................674.3.4锚索预应力观测...................................................................................................674.3.5倾斜观测...............................................................................................................67第五章结论与展望...........................................................................................................................685.1本文主要结论...................................................................................................................685.2研究建议及展望...............................................................................................................69参考文献...........................................................................................................................................70攻读硕士期间科研情况...................................................................................................................731发表论文：...........................................................................................................................732科研活动：...........................................................................................................................73致谢...................................................................................................................................................74附录...................................................................................................................................................75附图...........................................................................................................................................75IV 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1选题依据及意义：我国城镇化的迅速发展极大地带动了建筑业的发展，建筑工程的重心逐渐由原来的成批新建工程转向新建、维护与加固工程共同进行。城镇化不断地扩大发展，使得城市中心的原有建筑慢慢老化或满足不了使用和安全要求，因此维护加固项目逐渐在城市中涌现[1-4]。随之诞生的各种结构加固方法，也不断地被应用在加固工程中，但有时在工程中也会由于加固方案选择不合理而导致加固效果不佳，严重的甚至会造成工程质量和安全事故，因此如何设计出经济合理、安全可靠、效果最佳的加固方案成为关键问题。建筑业迅速发展的同时，旧时期的建筑使用功能无法满足现代人的需求，这种需求很多程度上推动了加固改造工程和新生建筑物的发展，特别是民用建筑和公共建筑，这些建筑常常出现工程质量问题，并且这类质量问题也成为工程建设的主要问题，对整个工程质量水平产生重大影响[5-11],甚至一些质量事故使得建筑物受到严重损坏[12-15]。国内的学者也不断地研究建筑加固技术，随即诞生了很多新兴的加固技术。其中近几年迅速发展的置换混凝土加固法倍受青睐，置换混凝土加固法,实际上是一种相对较新颖的加固方法,就目前而言，有着它无与伦比的独到之处[16]。在各类结构加固方法中，置换混凝土加固技术往往用于混凝土强度等级较低的混凝土构件，尤其适用于混凝土抗压强度标准值低于15MPa的混凝土构件，在对此类混凝土构件进行加固时，应用其他加固技术无法从本质上提高加固构件受压区的混凝土强度等级，即无法达到预期的加固效果。本文以南昌市某棚户区改造工程6#楼工程以施工为研究背景，采用理论分析及软件建模等研究手段，开展置换混凝土加固施工理论方法及施工工艺的研究。基于理论设计，PKPM软件分析计算，施工方案及工艺流程确立，结合工程实例，总结置换混凝土施工技术经验，为混凝土结构加固技术理论研究和工程实践提供参考。1.2混凝土结构加固发展概述随着城镇化发展需要，混凝土结构俨然已经成为新世纪主导的建筑结构形1 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论式，绝大部分民用建筑和公共建筑都采用混凝土结构。但常由于施工质量达不到规范和设计要求或结构老化无法再满足安全要求等因素，需要对原混凝土构件进行维护加固的工作也随之诞生。在海外，一些加固技术较先进的发达国家很早就制定了与工程结构加固相关的规范。比如前苏联很早就开始了对混凝土结构进行加固维护工作，并通过大量的加固工程研究及实际应用，前苏联的中央科学研究院于1935年就推行了结构加固构造图集。到20世纪50年代，部分发达国家就开始在实际工程加固中应用注浆加固修补程序技术。而粘钢加固方法于上世纪60年代在美国、日本和其他一些发达国家就开始实行，通常被应用于桥梁、公路、水利建筑等的加固维护中。到了70年代末，很多建筑加固工程已施行粘钢加固技术[17]。与此同时，纤维复合材料加固技术也随之诞生，但当时加固技术领先的美国与日本对于此技术还处于研究状态。日本由于多发地震，因此其在抗震加固方面的研究上花费大量的时间和金钱，并取得了卓越的研究成果，使得他们的加固技术处于领先水平。早在20世纪70年代末期，日本著名学者M.Miyazaki等人就提出了耗能减震法，即利用粘滞阻尼器进行抗震加固的方法[18],此后又研究出了隔震法，美国著名的盐湖城市政府大楼的修复加固就成功应用了此方法，效果显著[19]。黏贴碳纤维增强复合材料加固法首先出现在瑞典，并于1981年在瑞典的Ebach桥的加固施工中得到了成功的应用[20]。到目前为止，经过世界各地的众多学者对该方法进行的大量加固实验研究，使得该加固方法进一步成熟完善，并越来越多地应用于实际加固工程中[21-22]。而有限单元法最早出现在20世纪50年代，并在结构加固工程中得到广泛运用，尤其是到了上世纪70年代初诞生了有限元分析软件ANSYS，结合ANSYS结构分析软件使得该方法法产生了质的突破。随后在结构加固工程中越来越广泛地应用ANSYS软件进行模拟分析，尤其是当实际工程受条件限制无法试验研究时，ANSYS起到了很大的作用，它可以为研究和设计工作者提供理论依据和实验数据。美国2004年结构加固改造的项目产值已达到建筑业总产值的三分之一,英国2004年结构加固改造的项目产值更是达到了建筑业总产值的一半以上[23-25]。美国劳工部门曾在上世纪90年代末的一项产值预测报告中预言建筑加固维护工程将会成为新世纪最受青睐的行业之一[26-27]。而我国开始工程加固理论的研究相对发达国家较晚，早期主要是通过翻译一些国外的加固理论的文献逐步开始研究的。到1985年我国开始重视起加固理论的研究，国内众多土建专业研究人员集思广益着重研究建筑加固补强技术和结构抗震加固技术，并取得很大的研究成果。1989年我国对粘钢加固法的研究取得卓越的成果[28-29]。上世纪90年代初，我国著名学者罗竟宁[30]等人对梁粘钢加固技术进行了试验研究，主要是研究适筋、少筋、超筋梁的粘钢加固和加固后的性2 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论能[31]。与此同时，《混凝土结构加固技术规范》在我国已初见雏形[32]，这是我国在结构加固研究上取得的一项重大突破，该规范的诞生为之后加固法在工程加固中的应用提供了可靠的依据。1998年，吴耀辉[33]等人在粘钢加固混凝土梁的试验基础上，着力研究粘钢加固混凝土梁的粘结滑移、锚固长度、早期破坏等。这段时期，我国大多学者将研究重心放在粘钢加固技术上，在理论研究、试验研究上取得很大的成果，并在实际工程应用上积累了大量的实践经验。随着我国对混凝土结构加固技术的不断地研究，不断地改善，到了20世纪90年代末，国内土木工程学者和研究中心开始对采用轻质高强度的纤维复合材料进行结构加固的技术进行了试验研究。于此同时黏贴纤维增强复合材料加固技术率先在上海、北京等城市的众多建筑加固工程中得到了很好的应用[34]。东南大学土木建筑学院在进行混凝土构件加固的实验中实现了黏贴高强度复合纤维加固的技术。并对用纤维增强复合材料加固混凝土柱的滞回曲线、破坏形态、极限承载力等进行了详细分析[35-36]。分析结果表明黏贴纤维增强复合材料加固的混凝土构件必须能够承受因自重产生的荷载和作用在构件上的部分活荷载。在此之后我国许多建筑科学研究中心以及清华大学、华中科技大学、同济大学、西安交通大学等各大高校都对混凝土结构加固方法开展了许多试验研讨，为理论分析积累了丰富的试验资料和数据，并在实际工程中得到很好的应用。置换混凝土加固技术在这两年取得了很大的进步，但在混凝土构件加固设计中置换混凝土加固方法的应用才仅仅处于开始阶段，所以利用置换混凝土加固技术对结构工程加固是挺新颖的研究课题。综合上述，国内外研究人员对结构加固的设计和施工技术研究已取得了一定的研究成果，且对结构加固进行了归类和总结。1.3常用混凝土结构加固施工技术混凝土结构加固是指采用某种有效途径使已老化或出现质量问题的结构重新满足正常的结构使用要求，或在原混凝土结构的基础上，通过提升结构强度，从而使新结构满足设计和使用要求。根据《混凝土结构加固设计规范》中对结构加固方法的分类，可归为直接加固法和间接加固法两大类。其中直接加固法主要包括增大截面加固法、置换混凝土加固法、黏贴钢板加固法、外包钢加固法、黏贴纤维增强复合材料加固法、植筋技术等。间接加固法主要包括外加预应力加固法和增设支点加固法。1.3.1增大截面加固方法3 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论增大截面加固法，也叫外包混凝土加固法，即使用与原有构件相同材料（钢筋混凝土）来加大原混凝土原构件截面有效面积，从而使结构承载力获得提高的一种加固方法。根据不同的加固要求，该加固法主要通过增大断面以及多配钢筋两种途径来实现结构加固的。通过增大断面的加固途径，要求加配适量的构造钢筋，以满足新构件的正常使用的要求，通过加配钢筋的加固途径，要满足规范中对钢筋施工的要求，包括钢筋保护层厚度和钢筋的间距等，以此实现钢筋在加固后的正常使用。该方法施工便利，结构可靠性好，在实际施工中已具备丰富的经验，适用范围广，适用于墙、板、柱、梁等混凝土构件的加固，该方法存在湿作业和混凝土养护时间长，后期施工滞后等缺点，同时结构的内空和建筑外观随其发生变化，故在使用此方法时应当考虑到它的局限性。该方法的基本要求：1）新浇筑的混凝土的抗压强度标准值不得低于20Mpa，并且应比原构件混凝土强度设计值更高一个等级；2）被加固的混凝土构件其抗压强度不得小于10Mpa，低于该值，使用此方法加固无效；3）现场作业时应当制定能使原混凝土与新浇筑混凝土之间粘合良好的保证措施；4）应优先选用钢筋进行加固配筋，按规定必须采用角钢和钢板的除外。1.3.2置换混凝土加固法置换混凝土加固法是指拆除原结构混凝土强度等级较低或质量不合格区域的混凝土，然后重新浇筑与原结构同品种但强度等级较高的混凝土，以恢复原结构设计要求的承载力，并提高结构强度。改加固方法施工便捷，直接加固成本不高，加固后不改变使用空间，对周围社会环境无影响，但不足的是新浇筑混凝土与原混凝土的粘合能力有待增强，且湿作业时间偏长。为保证加固成效，在加固施工前应按规定完成卸载工作，在加固施工过程中应充分保证新浇筑的混凝土的质量。适用于承重构件受压区混凝土强度较低或缺陷较严重的柱、梁、板等混凝土承重构件的加固或因为现场施工不力导致的部分混凝土强度无法达到结构设计要求的部位。该方法的基本要求：1）新浇筑的混凝土的抗压强度标准值不得低于25MPa，且至少应比原构件混凝土强度设计值更高一个等级；2）置换部位应处于构件截面受压区，凿除不满足要求的低等级混凝土应考4 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论虑构件的受力方向；应当沿着构件对称的两侧凿除缺陷混凝土，不能仅剔除截面的一侧。3）板置换混凝土的最低深度要达到40mm，梁、柱则根据不同的浇筑工艺要求不同，当采用喷射法作业时，要求最低深度要达到50mm，而采用人工浇筑时，要求最低深度要达到60mm。置换长度则要通过现场实测出的不同混凝土强度等级，要求也不同，但当混凝土构件不是全长置换时，构件两端延伸都不宜小于100mm。4）混凝土置换加固施工过程中存在一定的危险性，所以在施工准备阶段应制定好安全保证措施。如果施工对结构的安全有可能会产生影响，则应当制定安全可靠的专项措施以保证在加固过程中结构受力处于安全的状态。并在构件卸载的过程中进行实时监测，以控制和保障施工作业的安全。1.3.3黏贴钢板加固法黏贴钢板法是指在采用建筑结构胶将钢板黏贴在混凝土加固构件表面，从而使构件受拉或受压钢筋与原构件相同，黏贴后的钢板与混凝土构件形成一个整体共同作用，以实现混凝土构件承载力提高的一种直接加固法。粘钢加固技术施工便捷，对原结构重量影响较小，对建筑外观和结构使用空间影响微乎其微，灵活快速，经济耐用[39-40]。但在打磨混凝土表面时会产生较大的粉尘和噪音。该方法适用于在静载作用下的钢筋混凝土受弯、大偏心受压、斜截面受剪、受拉构件的加固[41]。该方法的基本要求：1）原混凝土构件要求混凝土的抗压强度标准值不得低于15MPa，并且构件表面的正拉粘合强度不能低于1.5MPa。2）粘结钢板位置的砼，其表层含水率不得大于百分之四。当含水率大于百分之四或新浇筑混凝土不到3个月时，必须对混凝土采取有效的干燥处理措施，直到混凝土表层含水率符合标准要求方可粘结钢板。3）黏贴钢板的厚度不得大于5mm。4）黏贴钢板加固施工应同时满足环境湿度不大于百分之九十、环境及砼构件表层温度皆低于35摄氏度的条件。5）采用粘贴钢板加固技术加固时，应尽量采取措施以减少二次受力的影响。1.3.4外包钢加固法外包钢加固法是指将角钢或型钢外包于构件四角或表面，角钢或型钢之间使5 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论用缀板加以连接，从而提高构件承载力。根据外包角钢与混凝土构件之间的连接形式的不同又分为干式和湿式二种加固形式。湿式外包钢法是指用改性环氧树脂将被加固构件与角钢粘结在一块，使构件与角钢之间有良好的依附作用，形成一个整体。干式外包钢法即在混凝土构件表面或四角直接外包型钢或角钢，新旧材料之间不存在粘结，虽然有时会填以水泥砂浆，但水泥砂浆不会促使接触面拉力和剪力发生有效的传递作用，原构件与型钢之间不能形成一个整体共同工作。外包钢加固法具有施工快速，无需模板，且可以大幅提高结构承载力，加固后原构件的延性也得到提高等优点。但外包钢加固法常受到使用环境限制，加固成本较高，同时为提高被加固构件的耐久性，外包钢需要采取一定防腐处理措施[42]。外包钢加固法通常适用于需提高结构承载和抗震性能幅度较大的钢筋混凝土构件的加固以及紧急抢修工程的加固等[43]。该方法的基本要求：1）被加固的混凝土构件要求混凝土的抗压强度标准值至少达到15MPa，并且构件表面的正拉粘合强度至少达到1.5MPa，同时满足设计和规范要求。2）要求有干燥、清洁、空气流通的施工环境。3）固化环境温度不低于5℃。1.3.5黏贴纤维复合材料加固法黏贴纤维增强复合材料加固法是指利用树脂胶结材料把纤维增强复合材料黏贴于混凝土构件表面，使新旧材料形成一个整体共同作用，从而提高被加固混凝土构件的延性和承载力[44-45]。黏贴纤维增强复合材料加固法优点是施工快速，便捷，基本不需要使用大型施工机具，耐腐蚀，加固后能较大提高结构的延性和受力性能，加固后对建筑外观和结构自重基本无影响，适用范围广[46-47]。该方法适用于因设计或施工不当、材料检验不合格等导致结构荷载增大的各种房屋建筑混凝土结构，或由于自然灾害导致构件损坏等各种结构缺陷情况。同时对于公路桥梁工程、铁路工程、水利水电工程的混凝土结构皆适用，对钢结构、木结构、砌体结构等也可黏贴纤维增强复合材料进行加固。但通常不用于小偏心受压构件的加固[48]。该方法的基本要求：1）原混凝土构件要求混凝土的抗压强度标准值至少达到15MPa，并且构件表面的正拉粘合强度至少达到1.5MPa，同时满足设计和规范要求。2）黏贴纤维增强复合材料位置的砼，其表层含水率不得大于百分之四。当6 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论含水率大于百分之四或新浇筑混凝土不到3个月时，必须对混凝土采取有效的干燥处理措施，直到混凝土表层含水率符合标准要求方可粘结黏贴纤维增强复合材料。3）施工环境温度宜控制在5℃至35℃之间最佳，同时还需满足胶黏剂对使用环境温度的要求。4）施工环境湿度不能大于90%，当湿度大于该值时，应停止施工，否则会影响纤维增强复合材料的黏贴质量。1.3.6外加预应力加固法外加预应力加固法是将预应力筋布设在被加固混凝土构件表面上，选取适宜的预应力值，张拉预应力筋以提高被加固构件的承受荷载能力，继而实现结构加固效果的方法。该方法不仅具有施工便捷、加固成本低的特点，并且可以在不减小结构使用空间和不改变被加固混凝土构件的截面尺寸的情况下，提高构件的承受荷载能力，改善结构的受力性能[49]。结构在使用年限内维护加固改造方便。另外，铺设在构件表面的预应力筋需做好相应的防锈、防火措施[50]。外加预应力加固法适用于被加固构件截面面积较小、要求提高构件使用性能、承受荷载，亦或应力、应变较大，又不变直接卸除原结构上的荷载的柱、梁、板等承重构件的加固[51]。该方法的基本要求：1）原混凝土构件要求混凝土的抗压强度标准值至少达到15Mpa。2）在正式张拉预应力束之前，要求先进行预拉工作，选取适宜张拉的预应力值，以查验整个张拉系统的可行性。3）用预应力束加固板时，预应力筋不应使用粗钢筋，宜选用柔性钢绞线或钢丝。4）采用预应力加固结构时，要求结构所在地的抗震设防烈度低于9度，且被加固构件表面温度低于60℃，当高于60℃时，则要采取有效的隔热措施。1.3.7增设支点加固法增设支点加固法又称改变结构传力途径加固法，即利用增加布设支点（柱与托架）的途径使得原构件承受荷载状况加以改善的加固法。根据支承构件的支承[52]状况的不一，将其分为弹性支点和刚性支点加固法二种。弹性支点加固法的支7 南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论承结构内力计算比较复杂，需要利用协调变形关系才可算出，而刚性支点加固法的支承结构受力计算很简单，受力很明确，可直接算出。增设支点加固法优点是施工简便、受力可靠、易拆卸，在梁、板跨中增设支点后，结构的承载能力可大幅增大，同时可以降低支承结构的挠曲变形。不足的是加固后对结构的使用空间会造成一定的影响。该加固方法一般应用于板、桁架、梁、等混凝土构件的加固，此外还适用于排危抢修工程。该方法的基本要求：1）进行增设支点加固设计时，应制定详细的预应力张拉方案，选取适宜的预应力张拉值，保证张拉施工过程中被支承构件始终无裂缝出现为准。2）根据混凝土结构加固设计规范，确定制作支承结构的材料，必须同时满足被加固构件所在的环境和结构使用要求。当被加固结构处于高温或高湿环境下，必须对张拉构件采取有效的隔热、防腐措施，方可作业。1.4本文研究内容本文结合江西南昌市某某街棚户区改造项目，提出置换混凝土加固施工技术，采用理论分析与软件建模相结合的手段，对施工新技术的应用进行了深入的研究，揭示了新技术的理论基础、结构分析及关键技术，并结合实际工程举例了新技术的具体应用，同时采用最新的监测技术掌握加固施工中的构件应力以及应变发生的变化。研究的主要内容包括：（1）提出置换混凝土加固施工技术，即凿除原结构混凝土强度等级较低或质量不合格区段的混凝土，然后重新浇筑与原结构同品种但强度等级较高的混凝土，以恢复原结构设计要求的承载力，并提高结构强度，以达到设计要求。（2）PKPM建模进行结构内力计算，同时确定结构承载力状况。（3）结合工程实际，详细介绍置换混凝土加固技术，主要包括，支撑体系的确立，混凝构件的卸载方案，构件置换的具体实施方案，施工技术要点等。（4）监测，包括应力应变监测、沉降监测、裂缝监测、建筑物倾斜监测，通过分析监测的数据，实时掌握混凝土构件承载的变化规律。（5）根据在施工过程中监测到的构件应力应变发生的变化，得出置换混凝土加固方案的可行性，同时为以后同类工程此技术的应用提供参考。8 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析第二章结构分析2.1工程概况南昌某棚户区改造工程6#楼工程，建筑层数为26层，建筑总高度78.75m，目前施工进度已达22层楼面。2013年8月24日在实施十三层柱、剪力墙及十四层梁板6-22—6-38轴线梁板及剪力墙混凝土浇注时，混凝土生产商误将C15等级混凝土当作C25混凝土送至工地浇注，对结构安全产生了不利影响。对第十三层柱、剪力墙，十四层梁板混凝土进行回弹法检测及钻心法检测，混凝土强度检测结果：第十三层柱、剪力墙[（1轴）～（22轴）后浇带处/(A轴)～(y轴);(38轴)～(53轴)/(A轴)～(Y轴)]混凝土强度平均强度为C26.98，[(24轴)～（38轴）/（B轴）～(X轴)]混凝土平均强度为C13.5。即[(24轴)～（38轴）/（B轴）～(X轴)]范围混凝土强度不能满足设计强度C25要求。具体如图2.2所示，图中阴影部分的柱、剪力墙、梁板等构件的现场实测混凝土强度均不能满足设计强度的要求，拆除部位亦为图中阴影部分。而在混凝土强度偏低的构件里已经出现了影响结构安全的裂缝，导致该结构无法安全使用，所以必须及时安全有效的结构加固措施。图2.1拆除低强度混凝土构件区域9 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析2.2PKPM结构系列软件简介2.2.1概述PKPM结构系列软件是现在我国建筑工程领域应用最广泛的一款利用计算机辅助设计的软件。它是由中国科学研究院研发的一款非常优秀的软件，它是一套集建筑设计、设备设计、结构设计、节能设计及施工项目管理软件、鉴定加固、概预算、施工企业信息化于一体的大规模结构工程综合CAD软件系统。其中鉴定加固系列包括混凝土结构鉴定加固、砌体结构鉴定加固、钢结构鉴定、混凝土单构件加固设计等，施工项目管理系列软件内容包括网络图编制、施工图制作、三维现场施工图、安全资料管理软件等。在PKPM系列CAD软件开发之前，在国内基本没有适合我国建筑结构工程领域的CAD技术，计算机在建筑行业的应用微乎其微，少部分应用于结构分析。而国外已经研发出了相对较先进的CAD软件，例如美国研发的鹰图软件，但从国外引进该软件技术需花费很高的成本，并且在我国不能达到很好的使用效果不仅引进成本高。所以，研发一套适应我国建筑工程行业的CAD软件很有必要。考虑到上述情形，在中国建筑科学研究院的专家多年的不懈地努力，PKPM系列CAD软件终于在1987年诞生了。此后历经近30年的研发和更新换代，软件不断地完善，目前已是非常完美了，该软件系统包括了结构、建筑、管理、设备等各个方面的设计。目前国内已经有至少一万家用户在使用，俨然成为国内最具影响力的结构设计软件，深受各省市的大中小型各类设计院、研究所的青睐，为广大结构工程师大大减少了设计绘图工作强度，提高了设计作品的质量，同时为广大设计院带来非常可观的经济效益。PKPM软件在国内大力推广应用的同时，在国外也建立起良好的市场。目前已研发出了很多国外版本，成功打入美国、日本等市场。PKPM软件已成为国际畅销软件品牌，使得国产软件在国际激烈的竞争中占有一席之位。PKPM系列CAD软件在建筑工程设计中起到了举足轻重的作用，在创造财富的同时，在很大程度上为社会节省了的人力、财力、物力，并且大大提高了建筑工程设计水准，使得结构设计趋于标准化和规范化。2.2.2用户界面PMCAD的主菜单如图2-2所示10 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析图2.2PKCAD主菜单界面使用PKPM结构程序模块进行结构设计主要分为三个步骤，首先是运行前处理模块，其次是运行分析计算模块，最后是运行后处理模块。前处理模块是由在PMCAD模块下的前三项主菜单来完成。分析计算模块主要是运用SATWE、TAT、JCCAD、PK等模块下的计算分析程序通过接入PMCAD建立的结构模型，执行结构的内力分析计算。后处理模块主要通过PMCAD模块下的画结构平面图菜单、梁柱墙施工图模块以及JCCAD模块下的几个绘图菜单完成施工图的绘制。2.2.3PKPM结构系列软件主要模块组成PKPM结构系列软件主要由PMCAD、SATWE、TAT、墙梁柱施工图、JCCAD、PK、LTCAD等模块组成。在每个模块下又分成若干软件。1.PMCADPMCAD又称结构平面计算机辅助设计软件，即运用CAD技术完成结构设计，建立结构模型，也是剪力墙、梁、柱、高层空间三维分析等施工图绘制软件和各类基础CAD的不可缺少的接入软件。该软件通过人机互交形式输入每一层的平面11 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析布置（包括梁板柱的布置）以及每层楼面的女儿墙、楼板开洞、次梁、屋檐和外加荷载等信息，程序可以自动算出结构的自重，自动形成结构荷载数据。生成的数据库为框排架等结构的计算提供数据文件。2.SATWESATWE又称空间结构有限元分析设计软件，它是利用壳元理论对高层建筑结构进行设计分析的结构空间有限元分析软件。采用在壳元理论基础上形成的墙元对剪力墙模拟，采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件。它常用于多高层钢筋混凝土框架、剪力墙、框剪等结构的分析计算。SATWE所需的信息都是从PMCAD建模中直接生成的，执行完SATWE程序计算后，紧接着将全楼进行归并后即可接力PK分别绘制墙、梁、柱的施工图。3.TATTAT又称结构三维分析与设计软件，运用薄壁杆件三维空间模型，分析计算快速，适用各种形式的多高层建筑结构的分析计算，最高层数可达100层，TAT能完成钢筋混凝土结构、钢结构、平面框架、井字梁及斜柱结构的分析计算。在完成TAT分析计算之后，紧接着将全楼进行归并后即可接力PK程序绘制墙、梁、柱的施工图，接力PMCAD绘制结构平面图，并且可以为各种基础的设计提供设计需要的荷载数据。4.墙梁柱施工图2010版PKPM将JLQ（剪力墙）归并到了梁柱施工图中，即现在的墙梁柱施工图，该模块主要是在结构模型计算分析后进行墙梁柱施工图的绘制。5.PKPK又称框排架结构计算软件，内力计算运用二维模型，可进行各种规格的框排架结构、框架结构、排架结构及连续梁、拱形结构、桁架结构等的内力分析和配筋计算，并完成施工图辅助设计。计算范围一般层数控制在30层之内，跨度控制在20跨之内。PK可读取PMCAD自动生成的数据库，并能从数据库中导出结构荷载并自动生成计算结构所需的各类平面杆系数据文件。6.JCCADJCCAD即基础CAD设计软件，可以完成包括墙下条形基础、柱下独立基础、12 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析柱下平板、带肋筏板、桩筏基础、桩格梁基础及柱下独立桩基承台基础的结构分析计算以及施工图绘制。亦或由两种或多种基础组合成的混合基础的计算设计也能完成。JCCAD的自主设计能力比较强，只要提供基础设计所需的一般参数以及基本荷载即可完成条形基础或独立基础的截面积设计，并自动完成基础配筋，自动完成柱下承台桩设计。7.LTCADLTCAD即楼梯计算机辅助设计软件，可以采用交互形式输入关键数据完成楼梯的布置，亦可从PMCAD或APM程序导入数据，只需提供楼梯布置的信息和楼梯间所在具体位置，就可以快速完成楼梯施工图设计。适用范围很广，包括各种板式和[53,54]梁式楼梯、悬挑等各类异形楼梯。2.3PKPM建模及结构内力计算2.3.1PMCAD建筑结构模型建立根据设计院提供的建筑平面图，利用PMCAD模块建立相应的结构模型，通过楼层组装菜单将已经建好的结构标准层、荷载标准层进行组装，形成整栋建筑的结构模型，组装完成的整栋楼建筑模型如图2.4所示。13 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析图2.4整栋楼建筑模型图14 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析2.3.2结构内力计算在完成了建筑模型和荷载输入后，进入PKPM结构系列软件的第二模块，即STWAE模块来完成结构内力的计算，STWAE软件界面如图2.5所示，它可以直接读取建模数据，但在计算前还需补充设计计算分析参数、定义特殊构件和特殊荷载等。图2.5STWAE软件用户界面点击“接PM生成STWAE数据”菜单，选择第一项“设计与分析参数补充定义（必须执行）”进行参数设置，出现如图2.6所示的信息对话框。在完成STWAE数据文件和数据检查之后，如果检查结果合格，则STWAE前处理模块就完成了，紧接着开始结构内力和配筋的计算，具体步骤详见图2.7-2.1015 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析图2.6总信息对话框图2.7STWAE计算分析第一、二步图2.8地震作用分析16 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析图2.9风及竖向荷载分析图2.10构件配筋及验算通过STWAE计算出置换柱子的内力如图2.11所示，即置换柱所受内力N=3300KN。图2.11置换柱内力图17 南昌航空大学硕士学位论文第二章结构分析2.4原构件实际承载力与设计承载力分析对比该柱截面尺寸为350mm×800mm，柱计算高度为3.5米；实测该柱混凝土等"级为C15，受压钢筋为4C20，A=1256mm²。s原柱正截面承载力计算""查表f=7.2N/mm²，A=1256mm²，f=330N/mm²c0s0y0l/b=3500/350=10,查表得=0.98（其中l为柱高，b为柱宽）00""N0.9(fAfA)c0c0y0s0=0.9×0.98×（7.2×350×800+330×1256）=2143KN<3300KN式中N—构件加固前的轴向压力设计值；—受压构件稳定系数，按现行国家《混凝土结构设计规范》GB50010的规定值采用；f—原构件混凝土抗压强度设计值；c0A—原构件截面面积；c0"f—原构件纵向受压钢筋抗压强度设计值；y0"A—原构件纵向受压钢筋的截面面积。s0由上述计算结果可知，缺陷混凝土柱的实际承载力远小于设计承载力，因此对构件进行有效的加固以提高结构承载能力非常重要。2.5本章小结本章首先对实际工程的概况作了简要的概述，并对工程质量事故原因、出现质量缺陷的混凝土构件、以及加固的必要性一一作了说明。然后对工程建模所需的PKPM结构系列软件就它的发展、现状以及组成软件的各个模板的功能作了相应的介绍，并将软件分析计算结构的过程以图片加文字说明形式展现在本章作为主要内容，取某一置换柱子计算其内力及荷载，并与缺陷柱子的实际承载力进行对比，进一步阐释了本工程加固的必要性，同时为本课题后文设计支撑体系方案提供相应数据。18 南昌航空大学硕士学位论文第三章结构加固设计与施工第三章结构加固设计与施工3.1加固方案确定在钢筋混凝土结构设计中，一般依据需要浇筑的混凝土强度等级和结构配筋状况以此来确定结构的承载能力，因此在施工过程中要保证所浇筑的混凝土强度等级符合设计的要求[55]。混凝土工程质量是保证建筑质量的一个关键因素，但在实际施工过程中，由于种种因素导致混凝土的强度无法达到设计的要求，此时必须采取加固措施,否则结构构件轻则出现裂缝，重则出现倒塌等质量事故。对于不同的钢筋混凝土结构或不同原因引起的结构缺陷，我们应视具体情形选择合适的加固方案。3.1.1加固设计原则（1）首先要充分掌握被加固的建筑的工程背景、地质勘查报告、设计文件和事故状况，并作出全面的质量评定。然后结合施工条件、加固成本以及结构使用要求等因素综合考虑设计适宜的加固方案。（2）在进行结构加固设计时，对于有价值的结构要求尽可能保留下来并充分利用，能不拆除的结构尽量留用，同时还要考虑分析不拆除结构的安全可靠性。必须要拆除的结构应将拆除下来的建筑垃圾加以回收利用。（3）加固设计时应考虑到加固施工产生的噪声会给居民生活和生产带来一定的影响，所以在施工过程中应采取一定措施尽可能削弱施工给居民生活和生产带来的影响，条件允许的话尽量选择在建筑外围进行加固，尽量减少内部湿作业等，创造一个良好的施工环境。（4）在进行结构加固设计时，应充分考虑建筑美观，如果加固施工会影响建筑美观，应制定必要的艺术改造处理措施，应尽可能处理加固遗留的痕迹，以还原加固施工前的建筑美观。（5）加固设计方案应施工便捷、经济可行、安全可靠，尽可能降低施工难度。3.1.2加固方案选择19 南昌航空大学硕士学位论文第三章结构加固设计与施工根据本工程出现的质量事故，我们对一下几种加固方案作出分析考虑，分别是增大截面加固法、黏贴钢板加固法、粘贴纤维增强复合材料加固法、置换混凝土加固法。（1）增大截面加固方案，采用此方案构件承载力、刚度会大幅提高，但构件尺寸会相应增大，直接影响到建筑外观（尤其是边柱和角柱）及结构使用功能，亦会影响到后期的商品房销售，并且费用相对较高，故其在本工程加固中不适用。（2）黏贴钢板加固方案，该方法施工过程梁、柱节点处构造处理较为复杂，柱内力在梁、柱节点处的传递往往不能明确，并且该方法同样影响建筑外观及使用功能，最关键的是使用黏贴钢板加固法要求被加固的混凝土构件在施工现场检测的混凝土强度等级不能低于C15，而现场并不能完全满足此条件，故该方法不能从根本解决工程的质量问题。（3）黏贴纤维增强复合材料加固方案，使用纤维复合材料加固修补不会改变结构形状，不影响结构外观，但本工程需要加固修复的面积较大，考虑到纤维材料的价格昂贵，会产生较高成本，另外纤维复合材料加固主要体现在抗拉性能上，而本工程结构构件主要问题是混凝土抗压强度偏低，故不能从根本上解决问题。（4）置换混凝土加固方案，置换混凝土加固法是指凿除原结构混凝土强度等级较低或质量不合格区段的混凝土，然后重新浇筑与原结构同品种但强度等级较高的混凝土，以恢复原结构设计要求的承载力，并提高结构强度。在剔除混凝土前，应先进行卸载，卸载之前应布置好满足承载力和变形要求的支撑结构，剔除混凝土时不得损坏钢筋和无需置换的混凝土。国内外大量实验表明：在微膨胀剂作用下新置换的混凝土的水泥胶体能渗入其中，且在水泥水化过程粘结为一个整体。所以运用此法可以使原构件的承载力得到恢复，同时置换混凝土不会增大构件的尺寸，不影响建筑外观及使用功能，相对而言，直接加固费用也不高[56,57]。通过上述4个方案的对比，显然置换混凝土加固法是最具有可行性的，在节省成本的同时，也能从根本上解决构件混凝土抗压强度偏低的问题。对此，为增强施工过程的安全可靠性、保证工程建设质量和加固成效，相关参建单位决定拆除十四层6-22—6-38轴线梁板及13层柱、剪力墙混凝土拆除、重新浇注符合要求的混凝土的方案进行实施[58,59]。3.2置换混凝土加固设计3.2.1柱拆除置换设计20 南昌航空大学硕士学位论文第三章结构加固设计与施工（1）通过外加支撑及预应力拉索将本层柱子承受的荷载分担到其他部位及传递到下层柱上[60]。为确保安全，在设计外加支撑及预应力拉索时，其承载能力留有较大余地。预应力拉索设计承载能力为1000kN，外加支撑由钢框架和4个螺旋机械千斤顶构成，设计承承载能力为3000kN。（2）剔除柱子中低强度区段的混凝土。在凿除过程中，结合位移检测调节千斤顶，控制框架柱端位移。（3）重新用C35微膨胀混凝土浇筑框架柱。（4）待混凝土强度至设计要求后拆除拉索和外加支撑。（5）以本工程中需置换的某一框架柱为例，柱截面尺寸为350mm×800mm，"计算高度为3.5m，混凝土等级为C25，受压钢筋为4C20，截面面积A=1256mm²。sPKPM建模计算表明，该柱所受弯矩很小，可以视为轴心受压构件[61]。由上一章计算结果可知承受的最大轴力设计值为3300kN。加固方案承载力大于柱子的荷载效应，故柱拆除置换方案可行。拆除置换原理如图3.2所示。（6）支撑体系验算1）由第二章计算可得该柱子的设计承载力为3300kN，该柱为四面支撑的中柱，考虑到预应力拉索分担1000kN的支撑力，则钢柱结构支撑点的支撑力为：N=（3300kN-1000kN）/4=575kN(4个支撑点）。2）本方案选用外径为159mm，壁厚为16mm的Q235钢管，根据钢结构规范查得钢材抗拉或抗压强度设计值f=205MPa。构件的毛截面积A=3.14×（159÷2）²=19845.58mm²；2构件的净截面积A=A－159322×3.14=7184.32mm²；n44443.14(Dd)3.14(159127)4截面的惯性矩I18593918.2mm；6464截面的回转半径iI/A18593918.2/19845.5830.6mm；构件长度l=3500mm；0a.稳定性验算：li=114.4<=180，查规范得=0.467，0NA=62.04MPa