施工技术结课论文

混凝土结构健康监测及加固技术xxxxxx大学土木工程学院摘要：我国现存建筑绝大部分为混凝土结构，且落成于上世纪七八十年代的建筑占很大的比例，由于自身老化、地质灾害、认为损伤等，这些建筑或多或少存在安全隐患。本文系统地总结了混凝土结构健康监测及加固技术的各种方法，通过分析各种方法的特点指出了它们的适用范围及适用对象。重点介绍了FRP加固技术在我国的研究及应用状况，与其他加固技术相比，体外粘贴FRP加固技术的优势明显，具有广阔的应用前景。通过科学合理的监测方法及加固技术，可以保证施工质量和施工安全。［关键词］混凝土结构健康监测加固技术FRP1.引言据统计，我国现存的各种建筑物总面积在436.5亿m2以上，其中绝大多数是混凝土结构，而且有一半以上投人使用已超过20年。从桥梁、路面等交通设施到沿海的海港工程结构，从民用建筑、商业建筑到一些化工、冶金工业建筑，由于自身老化，城市化进程过快导致的设计、施工和管理使用存在先天不足，同时由于地震、火灾等灾害的影响，建筑结构鉴定与加固改造已成为我国基本建设急需解决的重大问题。这些建筑结构即使在刚落成后不到20年内造成的损失也是十分惊人的，与此同时产生的各种安全隐患，如不采取加固措施，就有可能产生重大的安全事故.为此，国家每年需要投人大量资金用于各种建筑物的加固和维修，当前我国需加固维修的建筑物面积约为80亿m2。发达国家结构工程的发展过程也表明，当工程建设进行到一定阶段后，工程结构的维修改造将成为主要的建设方式。我国的工程结构，特别是建筑物则因为特殊的历史和发展方式，在许多方面更需要对既有建筑物进行加固与维修改造。而建筑物加固与维修改造的前提是对其进行鉴定，然后根据鉴定结果采取相应的加固处理措施。目前，建筑结构健康监测及加固已成为我国建筑业一个新的发展热点，与之相应的混凝土结构检测及加固技术也成为结构工程中重点研究的领域之一。结构健康监测混凝土结构的安全、可靠是建筑工程的头等大事。建筑物在规定的时间内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），应满足安全性，适用性和耐久性的要求。在需要对建筑物的施工质量进行评定时，或当建筑物由于某种原因不能满足某项功能的要求或对满足某项功能的要求产生怀疑时，就需要对建筑物的整体结构、结构的某一部分或某些构件进行检测。当判定被检结构存在安全隐患时，就应该对其进行加固处理，或者拆除。随着我国工程建设的发展，建筑结构的质量管理工作越来越受到各建设主管部门的重视。在人们对建筑设施的要求日益增长的同时，建筑工程的质量和安全问题也日显突出，以致已成为社会的热点问题。建筑结构的科学检测、加固是建筑工程质量安全保障体系中的重要组成部分。对建筑结构进行检测也是保证工程质量、人民生命安全和国家财产安全的重要手段。以前，建筑结构检测、加固的重点主要是面对旧房，但近十年来，无论旧房或新房都存在着检测、加固的问题，建筑结构检测检测、加固的工作越来越多。2.1需要进行健康监测及加固的建筑物或结构设计不周或有误的建筑或结构：如对工程地质、水文地质尾部和地基情况了解不全，地基承载力估计过高，漏算或少算作用于结构上的荷载；设计人员受力分析概念不清，结构内力计算错误等；(2)施工质量低劣：如混凝土强度等级低于设计要求，钢筋混凝土结构构件有蜂窝、孔洞、露筋等缺陷，钢筋力学性能不符合设计要求；或砌体砌筑方法不当，造成通缝，空心砌块不按设计要求灌筑混凝土芯柱；或钢结构的焊接质量或焊缝高度达不到设计要求；(3)使用或改造不当：如未经核算就在原有建筑物上加层或对其进行改造，造成原有结构承载力不足，使用过程中任意改变用途加大荷载或随意拆除承重墙或墙上开洞；(4)使用环境恶化：如结构长期受到高温、振动、酸、碱、盐、杂散电等不利因素作用，引起结构构件的腐蚀性和损伤等；(5)建筑物年久失修，结构有损伤或破坏，不能满足目前的使用要求或安全度不足；(6)由于各种灾害事件的影响使结构产生裂缝或者破坏；(7)需要对古建筑、历史性建筑进行进一步维护、保护。健康监测的方法及特点混凝土结构试验检测技术是以相应现行规范为根据、以实验为技术手段，测量能反映结构或构件实际工作性能的有关参数，为判断结构的承载能力和安全储备提供重要依据。建筑结构试验检测不仅对新建工程安全性能的评定起重要作用而且对于危旧房屋的更新改造、古建筑和受损结构的加固修复等提供直接的技术参数。建国五十年来，我国建筑结构试验检测技术经历了从无到有、从单项到全面、从局部构件到整体结构的发展过程，其应用对象也已从单层的破旧民居扩展到建设工程中的各类结构。实践证明，建筑结构检测技术的发展与应用对于提高建设工程的质量起到了积极的作用，在节省国家资金、保障企业生产安全和人民生命财产安全方面起了重要作用，也为政府管理部门、业主及建筑质量纠纷解决提供重要的依据。混凝土结构检测工作包括的内容比较多，一般有结构材料的力学性能检测、结构的构造措施检测、结构构件尺寸检测、钢筋位置及直径检测、结构及构件的开裂和变形情况检测及结构性能实荷检测等。随着科学技术的日益快速发展，目前结构检测的方法种类也较多，可以按不同方式进行分类。对混凝土结构的混凝土材料强度目前广泛应用的检测方法是钻芯法和回弹法。钻芯法是在建筑构件上钻取混凝土芯样直接进行抗压强度检验,结果准确可靠,但会造成对结构物局部的损坏，尤其是对重要的结构部位，无法进行大量的检测。非破损法中的回弹法、超声法、超声-回弹综合法所测定的参数(回弹值、声速值)对混凝土强度来说并不很敏感,测试结果精度不高。拔出法是一种介于钻芯法和非破损检测方法之间的混凝土强度微破损检测方法,操作简便易行,对结构物损伤极小,又有足够检测精度。尤其是近20年才出现的后装拔出法无需预先在混凝土中埋置锚固件,而是在己硬化的混凝土上通过钻孔、扩槽、嵌入的方法将锚固件置入并固定其中,因此,在己硬化的新旧混凝土的各种构件上都可以使用,适应性很强,检测结果的可靠性也较高,特别是当现场结构缺少

混凝土强度的有关试验资料时,是非常有价值的一种检验评定手段。但在我国,研究起步较晚,且受各种因素限制,其应用却不及回弹法和超声法那么广泛和普遍,仍有待于加强对拔出法的深入研究以及在工程实践中的推广与应用。各种监测方法及特点如表1所示。表1混凝土结构常用健康检测方法一览表序检测号方法序检测号方法主要特点主要用途适用范围结构

性能

结构

性能

实荷载检

测结构整体性检验，直观反映结构的整体性能；非破损检测超声波法压强度规律；设备较轻，检测速度快；能反映内部质量，在同一部位进行多检测普通砼要求判断出结构的可能出现结构整体性局部破坏的位置及可承受的能载荷的值砼强属原位检测，直接在混凝土构件上测试，其结果基本反映混凝土强度抗压强度规律；设备较轻，检测速度快；检测普通混1.混凝土龄期需在14~1000天；2度回3.检测费用相对凝土结构构2.混凝土评定强度需在弹法低；件抗压强度10~50MPa；检测部位非破损；反映的只是表面强度，受表面碳化深度影响3.混凝土内部没有缺陷1.属原位检测，直接在混凝土构件上测试，其结果基本反映混凝土强度抗检测普通混所检测区域的钢筋较宽；有相凝土结构构对测试面件抗压强度次重复测试；检测部位非破损；依赖波速与强度曲线超声属原位检测，直接检测普通混1.混凝土龄期需在14~1000波回在混凝土构件上测凝土结构天；弹法试，1.其结果基本构件抗压强2.混凝土评定强度需在反映混凝土强度抗度压强度规律；设备较轻，测试工作灵活性较好，检测速度快；反映混凝土强度抗度压强度规律；设备较轻，测试工作灵活性较好，检测速度快；能反映内部质量；1050MPa；3•所检测区域的钢筋较宽4.检测部位非破损；5.依赖波速、回弹值与强度曲线钻芯5法属局部损法；直接在混凝土上钻取芯样，检测结构能真实反映混凝土质量；能检测长龄期及受火灾、冻害及化学侵蚀的混凝土的强度检测普通混凝土结构构件抗压强度混凝土评定强度不低于10MPa；被检构件尺寸不宜过小拔出6法属局部破损法；检测结构能真实反映混凝土质量；设备较轻，测试工作灵活性较好检测普通混凝土结构构件抗压强度构件的体积较大混凝土结构加固对建筑物进行评估和维修、加固和改造，是伴随着人类房屋建设而出现的，但其真正的发展还是在20世纪中叶以后。20世纪人类历史上的两次世界大战,对建筑物的毁坏是空前的，战后对房屋建筑的大量需要，刺激了建筑业的发展，而其时建造的房屋规模大、标准低，致使这些建筑在使用不到30年，就不得不进行大修、改造，有了这样的市场需求，使得鉴定加固行业迅速发展起来。同时，科技水平的提高，也为本行业的发展奠定了基础。西欧、美国和日本等国以及相关国际行业协会对已有建筑的维修、改造的研究十分重视，已经制定了相应的法规，各国投入到建筑物维修改造的资金占房屋建筑投入资金的比例也越来越高。例如，日本在20世纪70年代就制定了“住宅区改造法”“土木建筑更换标准”等。国际预应力协会(FIP)于1978年成立了混凝土结构维修与加固工作组，并于1982年提出了“混凝土结构的抽查与维修”及“混凝土结构的维修与加固”报告。美国于1980年出版了《房屋检查手册》和相应的标准。到1990年代初期，美国用于建筑物维修和加固上的投资已占到建设总投资约50%，英国这一数字为70%，而德国则达到80%。我国从50年代起就开始了混凝土结构的加固处理,儿十年来,特别是近十年

来,这门技术发展非常迅速.目前已相继颁布《混凝土结构加固技术规范》、《建筑抗震加固技术规程》等规范,这些规程的制定,对促进我国混凝土结构加固技术的发展和应用起到了很大的推动作用.但是多年来,人们习惯于已有的加固经验,在混凝土结构加固实践中往往就事论事,缺乏深层次的理论研究与探索,加固水平提高不快.我国传统的混凝土结构加固方法虽已形成了比较系统的、配套的工艺和技术,但总的来说,工艺仍然相对落后,技术含量偏低.具体表现在以碳纤维为代表的新型材料在加固工程中的应用还不普及,相关的设计、施工还存在很多问题.其次,检测设备技术水平低,与国外发达国家相比,在检测软件及设备系统方面,存在着较大的差距。据报道,目前在一些发达国家已开始采用一种智能化的检测监控分析系统,该系统能够对建筑结构进行持续和准确的检测和分析,目前国内尚未见采用。加固工作程序加固工作程序如图1所示进行。加固方宴.加固方宴.图1施工程序针对结构可靠性等级,提出最佳加固方案。根据加固方案进行加固设计,考虑适当的施工方法及合理的构造措施。3.2混凝土加固结构的受力特点对已建混凝土结构进行加固后,存在着二次受力的问题,有以下特点。应力、应变的滞后性加固前原结构有荷载作用,已存在着一定的弯曲和压缩变形,新加部分必须在新增荷载时才开始受力,导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的应力、应变,新旧结构难以同时达到应力峰值川因此,对应力水平指标超过一定限值的结构进行加固时,必须采取有效的卸载措施,否则达不到理想的加固效果。新旧部分的整体性加固结构属于组合结构,新旧两部分存在着整体工作问题,而整体工作的关键在于结合面能否有效地传递剪力。混凝土加固结构结合面受剪承载力,根据中国建筑科学研究院的实验研究,可按下式计算：t<f+0.56pfvsvy式中：T——结合面剪应力设计值f——结合面混凝土抗剪强度设计值vp——横贯结合面的剪切-摩擦筋配筋率svf——剪切-摩擦筋抗拉强度设计值y3.3传统加固方法及特点传统混凝土结构加固方法有:加大截面加固法、外包钢加固法,预应力加固法、改变传力途径加固法、粘钢加固法。（1）加大截面加固法：即采取增大混凝土结构或构筑物的截面面积,以提高其承载力和满足正常使用的一种加固方法。可广泛用于混凝土结构的梁、板、柱等构件和一般构筑物的加固。（2）外包钢加固法：即在混凝土构件包以型钢的加固方法（分干式、湿式两种形式）。适用于使用上不允许增大混凝土截面尺寸,而又需要大幅度地提高承载力的混凝土结构的加固。当采用化学灌浆外包钢加固时,型钢表面温度不应高于60°C;当环境具有腐蚀性介质时，应有可靠性的防护措施。（3）预应力加固法：即采用外加预应力的钢拉杆（分水平拉杆、下撑式拉杆和组合式三种）或撑杆，对结构进行加固的方法。适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后占用空间小的混凝土承重结构。此法不宜用于处在温度高于60C环境下的混凝土结构，否则应进行防护处理;也不适用于混凝土收缩徐变大的混凝土。（4）粘钢加固法：即在混凝土构件外部粘贴钢板，以提高其承载力和满足正常使用的一种加固方法。适用于承受静力作用的一般受弯、受拉构件;且环境温度不大于60C，相对湿度不大于70%,以及无化学腐蚀影响，否则应采取措施。（5）改变结构传力途径加固法：主要可分为两种，①增设支点法:该法是以减小结构的计算跨度和变形,提高其承载力的加固方法。按支承结构的受力性能分为刚性支点和弹性支点两种。刚性支点法是通过支承构件的轴心受压将荷载直接传给基础或其他承重结构的一种加固方法（如图2）。弹性支点法是以支承结构的受弯或桁架作用来间接传递荷载的一种加固方法（如图3）。增设支点法适用于房屋净空不受限制的大跨度结构的加固。②托梁拔拄法：该法是在不拆或少拆上部结构的情况下拆除、更换、接长柱子的一种加固方法。按其施工方法的不同可分为有支撑托梁拔拄（如图4所示）和无支撑托梁拔柱（如图5所示）及双托梁反牛腿拔柱等方案,适用于要求厂房使用功能改变,增大空间的老厂改造的结构加固;其中双托梁反牛腿托梁拔拄,则适用于保留上柱的型钢结构的加固。图2刚性支点法11w;下禾梁式支撐悬拉杆图5有支撑托梁拔拄3.4粘贴纤维增强聚合物加固法纤维增强聚合物(FRP—FiberReinforcedPolymer)用于混凝土结构修复与加固始于上世纪80年代中期,特别是在上世纪90年代中期日本阪神大地震后的重建过程中,该技术在日本得到了迅速的推广应用.目前该技术在欧美发达国家及亚洲的日、韩应用已相当普及,并完全产业化.而我国在此领域的研发工作起步较晚。FRP材料的力学特征纤维增强聚合物具有轻质、高强、不锈蚀及耐腐蚀的特点，其抗拉强度是普通钢材的8-10倍,而密度约为普通钢材的一半,是一种维修和加固混凝土结构的理想材料.用于混凝土结构加固工程中的增强纤维材料主要有3种:碳纤维增强聚合物CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)、芳纶纤维增强聚合物AFRP(AramidFiberReinforcedPolymer)和玻璃纤维增强聚合物GFRP(GlassFiberReinforcedPolymer),其中碳纤维材料用得较多.碳纤维材料在达到极限应变前一直处于线弹性状态,无明显屈服点,其力学性能如表2所示。表2CFRP的力学性能材料类别抗拉强度GPa弹性模量GPa极限伸长率mm/mm密度g/cm3CFRP布35502250.0151.8CFRP板>2800>1650.0171.5CFRP索1680-2450154-1680.01-0.0151.5-1.6目前关于粘贴FRP加固技术的研究主要集中在以下三个方面。3.4.2抗弯加固性能从上世纪90年代至今,人们对碳纤维加固梁进行了大量的试验研究和理论分析。实验表明:用CFRP加固钢筋混凝土梁后的极限承载力有明显提高,尤其是少筋梁的极限承载力提高幅度更大.在吴刚用CFRP加固钢筋混凝土梁的试验中，对适筋梁粘贴三层CFRP,可提高承载力约48%-66%,而对少筋梁粘贴三层CFRP,承载力提高可达233%。碳纤维布加固梁对钢筋屈服前构件刚度提高作用不大,但对钢筋屈服后的刚度提高作用相当明显,同时,对裂缝的发展有较明显的抑制作用,裂缝的宽度、间距、高度均较小,裂缝变细、变密、变短,弯曲裂缝的性能得到明显改善,可提高混凝土构件在恶劣环境下的耐腐蚀性。抗剪加固性能国内外很多学者对FRP抗剪加固混凝土结构进行了研究,研究内容主要包括破坏机理、承载力计算等。图6为用CFRP对混凝土梁和柱进行抗剪加固示意图.FRP抗剪加固的机理与箍筋相似,可以有效延缓剪切斜裂缝的开展和延伸，从而提高梁的刚度,减少跨中位移,并提高加固梁的抗剪承载力,特别是对剪跨比大箍筋配筋率低的梁加固效果较好.相关实验表明,在混凝土梁的受剪区侧向粘贴FRP,抗剪能力提高幅度可达13%—49%.对梁。对梁的受剪承载力影响较大的参数包括梁的配筋率、配CFRP率、剪跨比、CFRP粘贴方式、CFRP锚固方式、CFRP层数等。

图6CFRP约束加固柱抗震加固性能FRP的抗震加固性能是各国学者研究的重点，图7为CFRP约束柱加固示意图。图7CFRP约束加固柱由于FRP的柔韧性很好,可以通过外裹FRP来约束塑性铰区混凝土提高其延性•图8为无约束混凝土及CFRP约束混凝土的应力-应变关系曲线，从图中明显看出，对无约束混凝土,应力达到峰值后即很快下降，延性较差，而CFRP约束混凝土当应力接近无约束混凝土强度时，混凝土发生侧向膨胀，FRP约束力增大，直至FRI”断裂破坏，破坏过程延性发展充分。

«1_J1.L1(0.010.G20.030.040D5轴向应变一一未约束混瞰丄―一一未约束混瞰丄―FRP约束混凝土图8约束后应力-应变关系图9为三棍相同参数的混凝土框架在低周反复荷载作用下,框架破坏前一级循环的滞回曲线归一化后的典型滞回环，其中KJ1为基准框架,KJ2用一层CFRP加固,KJ3用三层CFRP加固，由图可见，用CFRP加固后的滞回环更丰满，包围的面积更大，耗能能力更强，非常有利于抗震，而且层数越多，作用越明显。_1Q111<11-0.8-0.400-40.81.2位移归一值图9典型滞回环3・4・4粘贴FRP加固工程的应用FRP用于混凝土结构的加固和修复在欧美发达国家及亚洲的日、韩已十分普及,并编制了相应的行业标准和规范，已完全产业化不'7—ZOJ.在美国，粘贴FRP加固方法正越来越多地应用于抗震加固工程;在日本,该技术已广泛应用于加固桥墩、桥面板、码头、电线杆、房屋等,特别是阪神大地震后,用该技术加固和修复了大量的桥梁、烟囱、高速公路、地下停车场及其他建筑物。我国国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心已在北京、上海、广东等地完成多个粘贴碳纤维加固工程项目,其中,北京民族文化宫便是采用粘贴FRP技术进行抗震加固的范例.该馆经40多年使用,部分结构已不能满足抗震要求,其中第四段屋架经鉴定需进行抗震加固,经论证决定采用粘贴FRP加固方法,屋架下弦用一层碳纤维布包裹加固,支座节点及斜腹杆用碳纤维布双层缠绕包裹加固取得了满意的加固效果。4.结语由于FRP有优良的抗震加固性能,施工方便、快捷,几乎不增加结构自重,且适用面广,因此,粘贴纤维增强聚合物加固技术将在混凝土结构加固工程中逐步推广普及,有广阔的应用前景。建筑结构的科学检测、加固是建筑工程质