既有人防结构墙外粘扁钢加固性能分析与施工关键技术研究

既有人防结构墙外粘扁钢加固性能分析与施工关键技术研究

韦 敏

上海市民防监督管理事务中心 上海 200020

摘要：人防工程是我国的重要战略设施，保证其建设质量对于保障国计民生的安全底线具有重要意义。随着相关政策标准的更新调整，很多既有人防结构需进行改造和加固以满足相应规定。粘钢法是通过化学灌浆将一定厚度钢板粘结于混凝土构件表面，使两者协同受力从而达到加固效果的方法，本文对外粘扁钢加固的既有人防结构墙体进行了研究。通过加固墙体的承载力理论计算与加固墙体受力性能的数值模拟，得到了加固后墙体的服役性能。通过现场实施要点的总结，提出了该粘钢加固方法的施工关键技术。研究结果表明，粘钢法可有效提高既有人防结构墙体的承载力和抗变形能力。

关键词：人防结构墙体，粘钢加固，理论计算，数值模拟，关键施工技术

中国分类号：TU753.3文献标书码：B文章编号：

1 引言

人防工程作为国防建设的重要组成部分，是现代战争条件下保护人民生命财产安全、保存战争潜力的关键手段[1]。在和平年代里，也发挥着应急防灾避险的重要功能[2]。因此，确保人防工程的结构安全与服役性能至关重要。

由于发展过程的局限性，很多人防工程的设防要求较低，功能设施也无法完全覆盖防灾避难的要求[3-4]。随着相关国家政策和标准的更新调整，许多人防结构已不满足新形势下的功能要求[5-6]。此时，需对既有人防结构进行改造和加固，通过存量改善的方式节约建设资源，并缓解超大城市人均掩蔽面积严重不足的现状[7-8]。

人防工程通常为钢筋混凝土结构，其常规加固方法可以总结为：（1）增大截面法[9]，即在原梁柱结构中植入钢筋，浇筑混凝土，增大结构受力面积进而增强体系强度；（2）外粘型钢加固法[10-11]，即在原主体结构四角处粘贴型钢或扁钢，使其与原结构共同承受荷载，从而提高体系承载性能；（3）碳纤维布加固法[12]，即在人防工程的结构表面涂刷高性能的树脂粘贴材料并粘贴碳纤维布，待其凝固后与结构协同受力，从而提升体系的韧性；（4）改变受力体系法[13]，即在梁中部增设一个支撑点，同时增加支撑结构的措施，可显著提升体系的服役性能。

然而，对于大多数人防结构的改造工程而言，其现状承载力与规范要求之间的差值较小，且加固方法往往不可影响既有空间布局。此时，改变受力体系法的缩小了使用空间，且工效较低，导致其应用受限。增加截面法对既有结构造成了破坏，施工质量控制难度较高。而碳纤维布加固法的成本较高，无法进行大面积推广。因此，作为一种承载力较高且不显著占据使用空间的加固的措施，外粘扁钢方法具有广泛的使用前景。

外粘扁钢加固方法的施工过程简便，承载力提升效果较好，适用于混凝土结构有限性能提升要求下的快速施工场景。然而，其应用以梁柱等部位为主[14]，在既有人防结构墙体加固中的研究和报道较少。本文针对某既有人防结构墙的加固工程，采用粘贴扁钢加固方法，通过加固墙体的承载力理论计算、加固墙体受力性能的数值模拟和现场实施要点的总结，得到了加固结构的服役性能与加固施工的关键技术，以期为同类工程提供参考。

2 工程概况

某保障房项目位于上海市奉贤区，工程总建筑面积约14万平方米，地上八层面积约为12万平方米，地下一层面积约2万平方米，其中人防面积约为1.5万平方米。由于建设方对使用功能的调整，人防工程在重新审批的过程中发现，既有人防结构的局部位置需要进行加固。即原混凝土结构墙应采取加固措施满足水平受力配筋率大于0.25%，且受压承载力应提高15%以上。

经现场分析与比选，对已完工的既有人防结构墙体进行拆除重建的破坏性大，导致施工难度较高。同时，加固的性能指标要求较低，无需采用复杂的增大截面法。因此，本项目既有人防结构墙体的加固方案选择为外粘扁钢加固方法。

3 粘钢加固人防墙体的设计分析

3.1墙体受压承载力理论分析

根据功能位置的区别，人防墙厚度一般为200~600mm。为不失一般性，选取平面尺寸3m×3m，厚度分别为250mm、350mm、450mm、550mm的混凝土结构人防墙，分析三种加固厚度下（2mm，4mm，6mm），墙体的受压承载力优化情况。视粘贴结构胶厚度均为2mm，且粘贴效果合格，扁钢型号为Q345，原墙体混凝土为C30。

在保守计算情况下，忽略原钢筋的承载力贡献和外粘扁钢带来的侧向约束。根据《混凝土结构加固设计规范》(GB 50376-2013)，粘钢加固后的混凝土构件，其正截面受压承载力验算公式如下：

(1)

其中，为轴心受压构件的稳定系数，按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)取值；为原混凝土抗压强度值；为原混凝土截面积；为新增钢板利用系数，取0.9；为钢板轴压强度设计值；为新增扁钢的截面面积。

对于四种不用厚度的试验墙体，记承载力提高系数k=加固后承载力/加固前承载力。则不同墙体厚度、不同加固层厚度下原墙体的承载力提高系数结果如图1所示。

正如预期，随着外粘扁钢厚度的提升，承载力提高系数明显增大，且这一增大的趋势随着原墙体厚度的增加而快速减少，这是由于墙体自身承载力基数快速提升而导致的。总之，计算结果表明，当扁钢厚度为2mm时，由于钢材面积占比过小，导致墙体的加固效果不足。当扁钢厚度为4mm及以上时，承载力提升系数均大于1.15，即各厚度下的墙体承载力均得到15%以上的提高，满足既有人防结构的加固设计要求。因此，选择粘贴扁钢的厚度为4mm。

图1 外粘扁钢加固的承载力提高系数

3.2 永久工况下的数值分析

加固完成之后，墙体会作为永久结构使用，因此需要分析加固墙体在永久使用阶段的性能。在有限元软件Midas Gen中，选取典型人防结构墙体段，建立数值模型。模型的柱底采用固定约束形式。梁、板、柱均为混凝土结构，墙体厚度250mm，为混凝土结构。墙体的抗压强度为30MPa，抗拉强度为3MPa，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2，重度为25kN/m3。扁钢的抗压强度为310MPa，抗拉强度为310MPa，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，重度为76kN/m3。

结构所施加的荷载包括：①恒荷载，楼面自重G；②活荷载，楼面活荷载L=2.5kN/m2。根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068-2018），荷载组合取为1.3G+1.5L。共分三个施工步进行加载：①原结构+自重荷载G；②施工加固面层；③施加楼面使用活荷载和设备荷载（在自重荷载基础上乘系数1.2）。计算结果如图2所示。

由图2可知，永久工况下，加固墙体的最大应力为3.5MPa，小于加固后的最大承载力（约35MPa）。同时，墙体的变形约为1.0mm，满足规范要求。

图2数值模拟结果

3.3 地震荷载下的数值分析

在常规防灾救援的使用场景中，人防结构经历的最不利工况为地震荷载。为了验证结构加固后在正常使用阶段的抗震效果，对4mm扁钢双面粘贴加固后的人防墙（原厚度250mm）进行了抗震分析。模型中主梁与混凝土柱间节点为半刚性节点，楼板与混凝土梁为固接，与承重墙为固接，混凝土强度C30，钢筋强度为HRB335。模型施加的荷载组合为0.4kN/m2的风荷载、2.5kN/m2的活载以及楼面自重。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010），上海地区采用7度设防烈度，场地类别为Ⅱ，阻尼比为0.05，地震分组为第二组，最大水平加速度为0.1g。采用振型分解反应谱法进行地震分析，共用六个模态。其中模态一的频率为0.4087hz，周期为2.4467hz；模态二的频率为0.4790hz，周期为2.0878s；模态三的频率为0.5258hz，周期为1.9018s；模态四的频率为0.6046hz，周期为1.6540s；模态五的频率为0.6685hz，周期为1.4958s；模态六的频率为0.7131hz，周期为1.4024s。

经计算，本项目人防结构的层间位移角最大值为1/1414，小于规范限制1/1150；最大层间剪力为9396kN，小于抗剪能力86500kN，验算结果均满足抗震相关要求，表明了该无损加固方式的安全性和有效性。

4 现场施工关键技术

为保证墙体粘钢加固的施工质量，需重点做好以下关键工序：界面清理，周边密封，灌浆粘结和固化养护。

材料界面清理，包括混凝土和扁钢表面的打磨和糙化处理。混凝土截面的棱角应进行圆化打磨，圆化半径应不小于7mm，磨圆的混凝土表面应无松动的骨料。钢材粘接面应打磨出金属光泽，打磨纹路应与钢材受力方向垂直，并呈现出较大的粗糙度。打磨完毕后，用棉丝沾丙酮擦拭干净。

用抹刀将型钢、缀板周边缝隙，螺栓周围间隙用封缝胶密封。封缝胶固化后，应进行通气试压。在封缝胶处涂刷肥皂水，从进浆嘴压入压缩空气，压力等于注浆压力，观察是否有漏气的气泡出现。若有漏气，应用封缝胶修补，直至无气泡出现。

密封完成后，即可进行钢材与混凝土界面的环氧树脂化学灌浆。扁钢骨架上注浆孔一般在较低处设置，浆液由低向高排出，确保灌注的饱满度（见图3）。在排气孔上插上软管作为排气管，应保证排气管溢胶位置高于粘贴面。

图3化学灌浆粘结

灌浆完毕后，应防止撞击或振动，在常温（20~25℃）下保温养护约3天，环境温度降低则固化时间应延长。若施工环境温度低于5℃，应采取红外线灯（或碘钨灯）等加热措施，或使用低温固化改性产品。

5 总结

本文对上海某既有人防结构混凝土墙的外粘扁钢加固方法进行了研究。理论与数值分析结果表明，采用外粘4mm扁钢的加固方法，可将原结构墙的承载力提高15%以上，且可有效提高人防墙体的抗变形能力和抗震能力。结合现场施工经验，提出了混凝土人防墙粘钢加固的关键施工技术。本文的分析及实施经验可为其他同类工程提供借鉴。

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