趙承明

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430064)

某選煤廠主廠房建于20世紀(jì)80年代初［1］，自投產(chǎn)使用起，主廠房特殊的用途及工藝導(dǎo)致其內(nèi)部使用環(huán)境不斷惡化?？諝飧蓾窠惶骖l繁，有害氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)離子含量不斷增加，構(gòu)件表面固態(tài)附著物積聚，加上動(dòng)力設(shè)備長(zhǎng)期的振動(dòng)荷載作用，部分鋼筋混凝土構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷劣化現(xiàn)象，如混凝土疏松剝落、微裂縫密布、順筋裂縫擴(kuò)展、鋼筋裸露銹蝕等，已對(duì)正常的生產(chǎn)和安全構(gòu)成威脅。近年來(lái)為適應(yīng)局部工藝改進(jìn)的要求，廠房?jī)?nèi)部設(shè)備的布局發(fā)生較大改變。因此，需要對(duì)主廠房部分區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行改造加固，以滿足工藝改進(jìn)后整體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)使用的安全性要求。除新增構(gòu)件外，設(shè)計(jì)單位在主廠房鋼筋混凝土構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)時(shí)主要采用了梁柱加大截面法和梁外包型鋼法。加固改造施工結(jié)束后，對(duì)主廠房改造區(qū)域構(gòu)件進(jìn)行了安全性檢測(cè)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，然后對(duì)加固改造后構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)定，提出了進(jìn)一步的加固維護(hù)處理對(duì)策。

1 主要檢測(cè)內(nèi)容及結(jié)果分析［2］

1．1 使用環(huán)境及原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠性

1)主廠房建于20世紀(jì)80年代初，限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平，構(gòu)件成型后混凝土強(qiáng)度較低、保護(hù)層厚度較小，施工質(zhì)量一般。鋼筋混凝土構(gòu)件普遍存在蜂窩、麻面等現(xiàn)象，大部分構(gòu)件表面存在大量不規(guī)則的微細(xì)裂縫，部分構(gòu)件存在嚴(yán)重的銹脹裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到5 mm，已造成部分構(gòu)件表層混凝土疏松剝落。

2)主廠房?jī)?nèi)部鋼筋混凝土構(gòu)件所處的氣態(tài)、液態(tài)環(huán)境中有害介質(zhì)含量較之正常環(huán)境要大幾十倍至幾千倍，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》，判定主廠房?jī)?nèi)部氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)介質(zhì)對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕性等級(jí)均為中級(jí)，煤泥等固態(tài)附著物對(duì)混凝土也有較大的腐蝕作用。并且，主廠房?jī)?nèi)部部分構(gòu)件處于比較頻繁的干濕交替狀態(tài)，導(dǎo)致鋼筋混凝土材料及構(gòu)件劣化嚴(yán)重，引起鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂、承載力下降等一系列安全性問(wèn)題。

3)主廠房?jī)?nèi)部所檢測(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土碳化深度平均值在25 mm以上;混凝土抗壓強(qiáng)度值基本滿足原設(shè)計(jì)要求(原200號(hào))，部分梁柱混凝土抗壓強(qiáng)度值低于設(shè)計(jì)要求，且離散性較大;混凝土脆性增加，滲透性很高;內(nèi)部鋼筋銹蝕率在5%～15%之間，為中度銹蝕，鋼筋承載能力衰退，延性降低。

4)因選煤工藝的要求，主廠房?jī)?nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較特殊的錯(cuò)層、孔洞等，且內(nèi)部布置許多大型工業(yè)振動(dòng)設(shè)備，自重在幾噸到幾十噸之間，振動(dòng)頻率較大。測(cè)試結(jié)果表明，大型振動(dòng)設(shè)備下鋼筋混凝土構(gòu)件做低周高頻的受迫振動(dòng);鋼筋混凝土梁在跨中由振動(dòng)引起的應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到了95με甚至更大。

5)主廠房?jī)?nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)布置、特殊的工藝和力學(xué)環(huán)境造成構(gòu)件、局部乃至整體結(jié)構(gòu)的不良受迫振動(dòng)，而長(zhǎng)期的受迫振動(dòng)會(huì)加劇混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件變形加劇，同時(shí)與惡劣的自然環(huán)境耦合作用，加快鋼筋混凝土構(gòu)件的劣化速率，引起損傷腐蝕加劇，造成構(gòu)件及結(jié)構(gòu)承載力下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命。

1．2 粘鋼加固鋼—混凝土粘結(jié)力

在主廠房加固設(shè)計(jì)中，對(duì)于多數(shù)承重梁采用了外包型鋼的加固方法，對(duì)比《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，這種方法常見(jiàn)于柱的加固補(bǔ)強(qiáng)，而對(duì)于受彎構(gòu)件的加固則不多見(jiàn)，且原設(shè)計(jì)所采用外包型鋼加固法既不是濕法加固，也不是干法加固，而是介于此二者之間。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工與設(shè)計(jì)及規(guī)范要求存在一定的出入，如“U”型鋼板僅用錨栓錨固在混凝土上，而無(wú)其他可靠連接，加固改造施工時(shí)沒(méi)有對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行卸載等。

采用ZY-10型錨桿拉力計(jì)對(duì)加固構(gòu)件的鋼—混凝土之間的粘結(jié)力進(jìn)行檢測(cè)(見(jiàn)圖1)。從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)鋼—混凝土結(jié)合面破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，厚度為5 mm的鋼板主要表現(xiàn)為混凝土破壞，膠—混凝土破壞(粘結(jié)破壞)為次;厚度為8 mm的鋼板表現(xiàn)為混凝土破壞(見(jiàn)表1)。在選煤廠如此惡劣的自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境等多重因素耦合作用下外包型鋼加固效果將產(chǎn)生一定折減。

圖1 外包型鋼加固效果檢測(cè)

表1 鋼—混凝土粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

1．3 新舊混凝土整體性

在主廠房加固設(shè)計(jì)中，部分梁柱采用了加大截面的加固方法。在選煤廠惡劣自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境下，采取加大截面加固法是可行的，但必須嚴(yán)格按照規(guī)范［3］規(guī)定設(shè)計(jì)和施工，而且在加固改造施工時(shí)需要對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸荷處理，防止結(jié)構(gòu)處于二次受力狀態(tài)。但是，從實(shí)際取芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，原有混凝土表面打毛處理效果不明顯，輕微撞擊后，加大截面用細(xì)石混凝土界面即與原有混凝土界面剝離開(kāi)，一定程度上影響了加固效果(見(jiàn)圖2)。

圖2 擴(kuò)大截面加固新舊界面圖

2 加固設(shè)計(jì)計(jì)算校核［2］

在對(duì)選煤廠主廠房使用環(huán)境及鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性檢測(cè)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)參數(shù)的折減，利用PKPM設(shè)計(jì)軟件對(duì)主廠房進(jìn)行由單個(gè)構(gòu)件到整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算。將計(jì)算分析結(jié)果與折減后的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，獲得相關(guān)差額數(shù)據(jù)。

2．1 外包型鋼法理論計(jì)算校核

外包型鋼法一般用于混凝土柱的加固，被加固柱不僅提高了承載能力，延性也得到了提高，而很少用于加固受彎構(gòu)件。本文對(duì)于型鋼加固梁的理論計(jì)算校核采用等效成鋼筋面積的方法，同時(shí)考慮鋼筋混凝土構(gòu)件因內(nèi)部鋼筋銹蝕、混凝土劣化而引起的承載力下降及加固施工過(guò)程中對(duì)構(gòu)件所造成的二次損傷等因素，而對(duì)原構(gòu)件承載能力進(jìn)行一定程度的折減。

以另一被加固受彎構(gòu)件為例，構(gòu)件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部新增2根∠63×5的角鋼。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計(jì)算原則計(jì)算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=1 326 mm2，新增等效鋼筋面積1 229 mm2＜1 326 mm2，因此加固不滿足要求。

在對(duì)外包型鋼加固構(gòu)件按照上述計(jì)算原則進(jìn)行計(jì)算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構(gòu)件加固后仍不能滿足承載力要求，仍然需要進(jìn)一步的加固處理。

2．2 加大截面法理論計(jì)算校核

對(duì)于加大截面加固過(guò)程中新增加的鋼筋(增補(bǔ)筋)，由于其相對(duì)于梁內(nèi)原筋存在著應(yīng)力滯后現(xiàn)象，因此規(guī)范［3］規(guī)定對(duì)增補(bǔ)筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，應(yīng)乘以0．9的折減系數(shù)。但是規(guī)范僅考慮了對(duì)增補(bǔ)筋的折減，而未考慮原有構(gòu)件在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中由于各種因素影響導(dǎo)致其承載力的降低，已有研究表明，混凝土劣化、鋼筋銹蝕等因素都會(huì)使鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力下降。因此，本文在參考相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)分析結(jié)果，對(duì)原構(gòu)件承載力進(jìn)行了一定程度的折減。

以某被加固受彎構(gòu)件為例，構(gòu)件斷面尺寸300 mm×700 mm，原有配筋1 137 mm2，具體加固方法為下部加高100 mm，上部加高80 mm，上部新增2根直徑22的二級(jí)鋼筋，下部新增3根直徑22的二級(jí)鋼筋。根據(jù)規(guī)范［3］及本文計(jì)算原則計(jì)算可得，需增加鋼筋面積ΔAs=815 mm2，新增鋼筋面積1 140 mm2＞815 mm2，滿足要求。

在對(duì)加大截面加固構(gòu)件按照上述計(jì)算原則進(jìn)行計(jì)算校核后發(fā)現(xiàn)，部分構(gòu)件加固后仍不能滿足承載力要求，需要進(jìn)一步的加固處理。

3 安全性評(píng)定及處理對(duì)策

3．1 安全性評(píng)定

綜合主廠房鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性檢測(cè)結(jié)果和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算的計(jì)算差額，依據(jù)《工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的評(píng)定體系［4］，評(píng)定選煤廠主廠房加固改造后上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)項(xiàng)目安全性等級(jí)為:大部分B級(jí)，部分C級(jí)(承載能力、正常使用性能和耐久性能不滿足要求，但主要承重構(gòu)件尚有一定的安全儲(chǔ)備，短期內(nèi)不至于發(fā)生意外事故，變更使用，進(jìn)行全面修復(fù)和加固)，個(gè)別構(gòu)件D級(jí)(承載能力嚴(yán)重不足，有發(fā)生意外事故的可能，停止使用，進(jìn)行大修和加固)。

3．2 處理對(duì)策

綜合分析檢測(cè)結(jié)果、加固設(shè)計(jì)計(jì)算校核及安全性評(píng)定結(jié)論，提出進(jìn)一步處理對(duì)策。

1)對(duì)混凝土剝落、鋼筋外露、銹蝕但在加固改造施工中未進(jìn)行處理的B級(jí)構(gòu)件，應(yīng)將表面疏松混凝土剔除，并對(duì)鋼筋除銹，再用水泥砂漿將其凹凸不平部位進(jìn)行分層修補(bǔ)完整。2)結(jié)合檢測(cè)、計(jì)算校核及安全性評(píng)定結(jié)果，對(duì)于未加固的C級(jí)，D級(jí)構(gòu)件，必須進(jìn)行加固處理，且在加固時(shí)應(yīng)對(duì)被加固構(gòu)件進(jìn)行卸荷處理;對(duì)于加固后仍不能滿足安全使用要求的構(gòu)件，應(yīng)采取措施進(jìn)行二次加固;對(duì)于改造過(guò)程中新增加鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行一定的防腐蝕處理，保證其耐久性。3)在進(jìn)行進(jìn)一步的加固設(shè)計(jì)時(shí)必須采取分類(lèi)加固補(bǔ)強(qiáng)和長(zhǎng)期維護(hù)并重的原則，并優(yōu)先采用粘貼碳纖維材料和增大截面的加固方法，同時(shí)確保加固材料與原結(jié)構(gòu)的相容性和長(zhǎng)期粘結(jié)力。4)對(duì)于振動(dòng)影響明顯區(qū)域，應(yīng)采取有效的減振措施，并對(duì)振動(dòng)設(shè)備附近部分主要構(gòu)件進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，重點(diǎn)研究在選煤廠工業(yè)廠房這種惡劣自然環(huán)境和特殊工藝力學(xué)環(huán)境耦合作用下構(gòu)件的長(zhǎng)期承載能力變化規(guī)律、內(nèi)部損傷劣化規(guī)律及構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的耐久使用壽命［5］。

［1］中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部選煤設(shè)計(jì)研究院．《180萬(wàn)噸選煤廠主廠房》和《上海大屯煤礦礦區(qū)選煤廠主廠房》施工圖［Z］．1978．

［2］上海大屯能源股份有限公司．選煤廠主廠房改造部分結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)校驗(yàn)及鑒定(內(nèi)部資料)［Z］．2006．

［3］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］．

［4］GB J144-90，工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［5］呂恒林，周淑春，吳元周，等．煤礦地面工業(yè)環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化機(jī)理和防治技術(shù)研究［A］．2007年第一屆海峽兩岸三地混凝土技術(shù)研討會(huì)論文集［C］．2007．