钢筋混凝土结构加固无支架施工技术研究

苏毅经

（广西民族大学，广西 南宁 530006）

0 引言

在大量的土木工程结构中，由于建设年代的不同，钢筋混凝土结构受到建设时期经济条件和建设水平的限制，其结构的安全性能和使用性能在虽然能满足建造初期的规范要求，但是随着经济技术的发展、现有规范要求的不断提高以及建筑物使用性能的不断增加，有些钢筋混凝土结构已不能满足现有的性能要求[1]。此外，钢筋混凝土结构在长期服役过程中不可避免地会出现承载性能退化、混凝土结构老化以及钢筋锈蚀等现象，为保证结构的安全并增加其使用年限，对既有结构采取加固措施成为解决结构问题的有效途径[2]。由于建筑物在运营过程中给予加固施工的空间有限，特别是对密集的高大建筑物，无法满足支架施工的要求，因此研发无支架施工工艺成为目前建筑加固的热点问题。

1 工程概况

广西壮族自治区南宁市某房地产项目为重大民生工程，位于南宁市东南角，规划用地面积约120735m2。按照施工图设计，用地范围内提供高层民用住宅、多层民用住宅和商业零售办公用房的一体化城市生活、零售解决方案，总建筑面积达352398.85m2，其中高层民用住宅一共26 栋，单栋18 层，底层高度为4.5m，其余17 层高度均为3.1m，建筑面积达272802.19m2；多层住宅一共7 栋，单栋6 层，楼层高度均为3.1m，建筑面积达到64092m2；商用零售办公用房2 栋，建筑面积15504.66m2，包括配套服务用房面积。高层住宅楼的结构形式均为框架-剪力墙结构，混凝土强度等级为C35。标准层的框架-剪力墙平面布置如图1 所示。剪力墙厚度为400mm，框架柱为正方形截面，长宽均为700mm，框架梁截面为矩形，宽为350mm，高为800mm，连梁截面为矩形，梁宽为350mm，梁高为600mm，跨度为2500mm。因商用需要，对商用零售用房进行改造，计划工期为2021 年6 月30 日开工至2022 年12 月31 日竣工。

图1 高层住宅楼标准层框架-剪力墙平面布置（单位：mm）

2 钢筋混凝土结构加固的无支架施工原理及植筋抗拔试验

2.1 钢筋混凝土结构加固的无支架施工原理

在钢筋混凝土加固技术中，应用较为广泛的方法有增大截面加固法、外加预应力法以及外包钢板等，其加固原理均是通过改变几何尺寸或者外加辅助材料提高结构或构件的强度和刚度。为解决施工场地空间不足的问题，基于增大截面加固法，该文提出一种在既有钢筋混凝土结构中植筋的无支架施工方法。它的施工原理是在既有的钢筋混凝土结构中植入一定数量、间距和深度的钢筋，将植入段作为锚固本体，并通过焊接和绑扎的方式，在悬出段结构的纵横向上形成钢筋骨架，这些钢筋骨架浇筑混凝土后成为新增的受力截面[3-4]。为了实现新增受力截面的混凝土无支架浇筑，则需要另外增加钢模板和连接系统。钢模板是混凝土浇筑时的模板承载体系，其表面根据植入钢筋的位置对应地预钻有孔洞，连接系统穿过预钻孔洞与钢筋骨架相连。而连接系统则是由众多的钢筋连接件组成，钢筋连接件在钢筋骨架侧为钩状，在钢模板侧为可调节的蝴蝶卡扣。新浇筑的混凝土完成后，混凝土的重力或侧压力传递给钢模板，钢模板将作用力均匀地传递给连接系统，再经过植入钢筋传递给既有的钢筋混凝土结构，进而达到混凝土浇筑自支撑和无支架施工的目的[5]。

2.2 钢筋混凝土结构加固的无支架施工植筋抗拔试验

从钢筋混凝土结构加固无支架施工的受力原理可知，混凝土植筋是最重要的传力构件，其抗拔性能直接关系到浇筑混凝土的自支撑效果。因此，为研究既有钢筋混凝土结构加固无支撑施工时植筋的抗拔性能，在室内试验中制作不同钢筋直径和植入深度的试验模型以进行抗拔试验。钢筋直径的等级有12mm、16mm 和20mm，钢筋型号为HRB400，钢筋平均屈服强度为435.9MPa，平均极限强度为619.8MPa，弹性模量为201.2GPa，钢筋的植入深度有6d、8d、10d、12d 和15d（d 为钢筋直径）。试验混凝土的强度等级有C25、C30 和C35，C35混凝土立方体抗压强度实际试验值为35.14MPa，棱柱体抗压强度实际试验值为24.14MPa，弹性模量实际试验值为31394MPa；C30 混凝土立方体抗压强度实际试验值为31.16MPa，棱柱体抗压强度实际试验值为20.89MPa，弹性模量实际试验值为29971MPa；C25 混凝土立方体抗压强度实际试验值为24.78MPa，棱柱体抗压强度实际试验值为16.65MPa，弹性模量实际试验值为27953MPa。试件尺寸为350mm×350mm×350mm，植筋胶采用改性环氧胶黏剂，其劈裂抗拉强度为9.0MPa，抗压强度为65MPa，抗弯强度为52MPa，黏结力为15MPa[6-7]。

不同钢筋植入深度和植筋直径的极限抗拔力测试结果如表1 和图2 所示。从图2 可以看出，不同钢筋直径的极限抗拔力曲线呈现明显的不同。钢筋直径为12mm 时，植筋试件的极限抗拔力曲线呈近线性增长的趋势且增长速率较小，从植筋深度6d 的21.18kN 增长到植筋深度15d的38.46kN；钢筋直径为16mm 时，植筋试件的极限抗拔力曲线呈幂指数曲线的增长趋势，植筋深度较小时，极限抗拔力增长速率较快，而植筋深度大于10d 后，极限抗拔力趋于收敛稳定；钢筋直径为20mm 时，植筋试件的极限抗拔力曲线呈近线性增加的趋势且增长速率较大，从植筋深度6d 的62.16kN 增长到植筋深度15d 的156.21kN，增加近3 倍。在同一植入深度时，随着植入钢筋直径的增加，极限抗拔力强度不断增加且随着植入深度的增加，极限抗拔力的差值也越大。由此表明，钢筋直径对钢筋混凝土植筋抗拔力的影响较大。

钢筋植入深度和混凝土等级的极限抗拔力测试结果如表2 和图3 所示。从图3 可以看出，随着植入钢筋深度的增加，不同混凝土强度等级的植筋试件极限抗拔力曲线表现为一致的变化规律，均呈现为“S”型变化。在同一植入钢筋深度条件下，随着混凝土等级强度的增加，植筋极限抗拔力不断增加，但随着植入钢筋深度的增加，不同混凝土强度等级植筋试件间的极限抗拔力差值不断降低。由此表明，混凝土强度等级对钢筋混凝土植筋抗拔力的影响较小。

图3 不同植筋深度和混凝土等级的极限抗拔力曲线

表2 不同植筋深度和混凝土等级的极限抗拔力测试结果

3 钢筋混凝土结构加固无支架施工效果分析

为了提高建筑物的整体强度和稳定性，基于该文提出的既有钢筋混凝土结构中植筋的无支架施工方法对部分梁柱进行了扩大截面加固，其主要施工流程如图4 所示，加固过程中使用的连接系统为钢筋连接件，模板系统为钢模板，通过钢筋连接件对钢模板的加紧实现支模[8]。

图4 钢筋混凝土结构加固无支架施工工艺流程

为了验证钢筋混凝土结构加固过程中植入钢筋的施工效果，对植筋的抗拔力进行了现场实测，测试结果如表3 和图5 所示。现场使用的钢筋直径为16mm，钢筋型号为HRB400，植入深度有4 种，分别为植入深度6d、8d、10d、12d 和15d（d 为钢筋直径）。从图6 可以看出，不同植入深度的植筋抗拔力随钢筋端头位置的变化规律较为一致，均随钢筋端头位移的增加呈现明显的非线性。在拔出试验初期，植筋抗拔力增加较快，并在一定位移处达到峰值，随后植筋抗拔力迅速变小。不同植筋深度的抗拔力峰值出现的位置有所不同。当植筋深度小于10d 时，植筋抗拔力峰值不断右移，即植入深度为6d 时，抗拔力峰值出现在端头位移为1.2mm 位置处；而植入深度为8d 时，抗拔力峰值出现在端头位移为1.6mm 位置处；植入深度为10d 时，抗拔力峰值出现在端头位移为2.4mm 位置处；当植筋深度大于10d 时，植筋抗拔力峰值出现的端头位移位置几乎不变，即在植入深度为10d、12d 和15d 时，抗拔力峰值均出现在端头位移为2.4mm 位置处。

表3 抗拔试验中抗拔力与钢筋端头位移的测试结果

图5 抗拔试验中抗拔力随钢筋端头位移的变化曲线

4 结论

该文以广西壮族自治区南宁市某房地产项目为研究对象，提出了一种在既有钢筋混凝土结构中植筋的无支架施工方法，在介绍其基本受力原理的基础上，采用室内试验的方法对植筋抗拔力进行研究，并应用于工程实例，得到以下几个结论：1）不同钢筋直径的极限抗拔力曲线呈明显的不同，钢筋直径为12mm 时，极限抗拔力曲线呈线性增长趋势且增长速率较小；钢筋直径为16mm 时，极限抗拔力曲线呈幂指数增长趋势；钢筋直径为20mm 时，极限抗拔力曲线呈现近线性增加趋势且增长速率较大。2）随着植入钢筋深度的增加，不同混凝土等级的植筋试件极限抗拔力曲线表现为一致的变化规律，均呈现为“S”型变化。随着植入钢筋深度的增加，不同混凝土强度等级植筋试件间的极限抗拔力差值不断降低。3）不同植入深度的植筋抗拔力随钢筋端头位移的变化规律较为一致，均随着钢筋端头位移的增加呈现明显的非线性。当植筋深度小于10d时，植筋抗拔力峰值位置不断右移；当植筋深度大于10d时，植筋抗拔力峰值位置几乎不变。