既有建筑結構加固技術方法探討

宋 凱

（1.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024；2.山西省人防建筑設計研究院，山西 太原 030013）

1 引言

隨著我國經濟建設的快速發展以及建筑規模的不斷擴大，現有城市土地將不能有效滿足經濟發展的要求，建筑加層加固行業也隨之變為一門熱門的新興產業。合理開展加層加固技術的工程實踐，有其重要的社會意義和經濟意義。由于加固技術的特殊性和科學技術發展的限制，建筑加層加固行業在近幾十年才被人們熟知且成熟壯大起來。

現階段，國內外建筑物加層加固改造項目日益增多，加固技術不斷創新，建筑物加層加固改造具有歷史必然性。就我國而言，加固改造業已經成為國家和人民日益重視的新行業，這是由我國的國情和經濟建設水平決定的。

（1）地震作用影響嚴重。中國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震及其他自然災害的嚴重性構成中國的基本國情之一。如5.12汶川大地震造成汶川及周邊地區破壞嚴重，給人民群眾生命和財產造成嚴重損失。2009年國家審議通過了《全國中小學校舍安全工程實施案》，決定在全國范圍內實施中小學校舍安全工程，即對全國中小學校舍進行檢測鑒定及加固維修。

（2）城市建筑用地緊俏，經濟建設要求高回報率。在我國許多大中型城市，為了延長既有建筑的使用壽命，改變建筑使用功能和增加建筑抗震能力，投資商也將目標轉向建筑加固。建筑加固將比重新興建或出現事故再建節省了大量人力、物力和財力。

（3）偶然作用影響（如火災、自然災害等）。通過加固技術對建筑物改造比重新修建能節省資本，且減少財產損失。

（4）建筑物超出其本身經濟意義。一些古遺址、遺跡和重要建筑等日趨老化，需要加固措施使其延長壽命。

2 加固研究現狀[1]

加固技術是為了保證受損建筑物的安全使用，使其結構抗力恢復或超過原設計的理論，包括結構檢測鑒定、結構設計方法、加固技術、加固施工工藝，以及方案選擇與投資優化等，是一門理論與實踐相結合的綜合性技術。

加固技術是加固理論在加固工程中的具體應用，加固技術可大致分為以下幾類：按加固方法分為直接加固、間接加固、綜合加固；按功能因素分為結構功能性加固和使用功能性加固；按作用因素分為一般性加固和災后加固；按時間因素可分為臨時加固、中期加固和長期加固；按結構受力因素分為靜力加固、動力加固和抗震加固。現階段我國已頒布的混凝土加固規范及規程有《混凝土結構加固設計規范》（GB50367－2006），《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》（CECSl46－2003），另外還有《磚混結構房屋加層技術規程》（CECS78－96），《鋼結構加固技術規程》（CECS77：96），《鋼結構檢測評定及加固技術規程》（YB9257－96）等其他結構的加固規程。

3 加固原則

（1）既有建筑加固前必須進行結構可靠性鑒定或抗震鑒定，加固設計方案應依據鑒定結論來確定。

（2）加固計算應根據結構上的實際受力狀況確定，截面面積應采取實際有效截面積，并考慮加固的應力滯后特點，以及加固部分與原結構協同工作的程度。

（3）加固應減少對原有結構的損傷，并盡量利用原有結構的承載能力。

（4）加固方案應技術可靠、經濟合理、便于施工，并注意減少對生產、生活的影響。

（5）確定加固方案時，除了要研究加固范圍的局部效果，還應考慮與之相關的整體效應。

4 加固方法

下面介紹幾種常用的加固方法。

4.1 加大截面加固法

加大截面加固法，就是在處理原構件表面的基礎上，再澆筑新的混凝土及增加鋼筋來增加構件的承載力[2]，以滿足加固的要求，也稱為外包混凝土加固法。

加大截面加固法的主要特點是施工工藝簡單、適用面廣，能增大構件的剛度、承載力和變形能力[3]，可廣泛應用于混凝土梁、板、柱的加固，也可用來修補開裂截面；其缺點是現場濕作業工作量大、養護期長，結合面如果處理不當就會大大降低其承載力，另外對結構外觀及房屋凈空也有不同程度的影響。該方法的技術特點是，在設計構造方面必須注意解決好新舊截面的整體工作、共同受力問題。加固結構在受力過程中，結合面會出現拉壓彎剪等各種復雜應力，其中主要是拉力和剪力[4]。在彈性階段，結合面的剪切應力和法向拉應力主要是靠新舊混凝土的黏結承擔；出現裂縫之后直至承載力極限狀態時，主要通過貫穿結合面的新增錨固鋼筋或者螺栓來傳遞。

4.2 改變傳力路徑法

改變傳力路徑法，是將結構的內力通過加設柱、梁、墻、支撐等構件的方法，將作用在原構件上的力分擔給新增構件以達到增加承載力的要求。改變傳力路徑法的優點是在原構件損壞程度較大的情況下能對結構進行加固，安全性較高，缺點是對建筑功能影響較大，適用面較窄。

在汶川地震之后，震后災區的許多框架結構都有不同程度的損壞，不經過加固是無法繼續使用的，所以許多房屋通過改變傳力路徑法進行加固。如通過加抗震墻加固框架結構，由抗震墻承重。

4.3 預應力加固法

預應力加固法，是采用高強鋼筋或型鋼，通過施加預應力迫使加固材料與原結構共同受力。預應力加固法特別適合于大跨度結構以及高應力、應變狀態下的大型結構的加固，其優點是能改變原結構的內力分布、降低原構件的應力水平、減少原構件的裂縫寬度和撓度、消除新加桿件的應變滯后現象并顯著改善結構的使用功能；缺點是在有生產熱源且表面溫度經常大于60℃的環境使用時，其防護處理較難，且費用較高[5]，也不適用于混凝土收縮徐變大的結構。

4.4 外包型鋼加固法和粘貼鋼板加固法

外包型鋼加固法和粘貼鋼板加固法主要用于梁、桁架、梁和一般構件需要加固的部位上，以提高承載力和剛度的加固方法。這兩種方法的優點是受力可靠、能顯著提高結構和構件的承載力、加固后幾乎不影響使用空間、施工周期短且易操作；缺點是加固費用高且對使用環境溫度有限制。使用包鋼加固法時需要性能穩定且質量可靠的黏結劑，一般采用改性環氧樹脂膠黏劑。加固效果很大程度上取決于膠黏工藝與操作水平。我國的結構黏結用膠生產和研制起步較晚，但發展比較快，現在很多廠家都可以生產性能優良的結構用膠，比如大連化學物理研究所、蘇州混凝土制品研究院等等。目前對結構用膠的動力性能、溫度影響和疲勞特性研究較少，故而黏鋼加固法還局限于承受靜力作用的一般受彎、受壓及受拉構件的加固，且濕度比較小及環境溫度不超過60℃的地區。

4.5 噴射混凝土技術加固法

噴射混凝土加固法是借助噴射機械，利用壓縮空氣將一定配合比的水泥、石子、砂及外加劑等拌和料，通過噴管噴射到被加固結構表面，在較短的時間內凝結硬化，達到增強的目的[6]。噴射混凝土一般使用高強混凝土外加速凝劑，可在短時間內達到較高的強度和良好的耐久性。噴射混凝土最早應用在地下結構的護壁施工，但隨著噴射混凝土技術的逐步發展，噴射混凝土與混凝土、磚石、鋼材都可以很好地黏結，可以在結合面傳遞應力并填補裂縫。

4.6 纖維復合材料加固法

纖維復合材料加固是一項比較新的應用外黏高性能復合材料的加固方法，現在應用比較多的是將碳纖維片材用專用黏結膠（環氧樹脂等）粘貼與構件收拉區表面，使其與被加固構件截面共同工作以達到對結構進行加固增強的目的。

該方法顯著的特點是具有耐腐蝕、潮濕、幾乎不增加結構的自重、輕質高強、能適應混凝土截面彎曲的粘貼要求，在幾乎不增加構件剛度和截面積的情況下大幅度提高構件的抗震性能和變形能力。缺點是要做專門的防火處理、易受人為損壞，如果黏結劑的性能不夠好或者操作不當則會顯著降低加固效果，并且由于該方法應用時間不長，使用經驗比較少。隨著生產碳纖維的技術水平越來越高，碳纖維的價格也在逐漸下降，該方法有著很廣闊的應用前景。

5 結束語

既有建筑在加固過程中要結合本工程的特點進行加固設計和施工，通過結構計算及構造要求確定最優加固方案，在保證結構安全的前提下選擇最簡便的施工技術和最經濟的施工材料。隨著加固材料不斷改進，加固技術必然帶來更顯著的社會效益和經濟效益。

[1]姚繼濤等.建筑物可靠性鑒定和加固——基本原理和方法科學出版社，2003.

[2]孫蘊春.舊有建筑加固方法綜合運用之初探[D].大連：大連理工大學，2009.

[3]馬志強.西寧體育館結構可靠性分析與加固方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[4]周希茂.增大截面法加固鋼筋混凝土框支架的非線性有限元分析[D].西安：西安科技大學，2009.

[5]朱東鶴.昆山長江聯合大廈續建工程的加固處理研究[D].上海：同濟大學，2008.

[6]刑宇鋒.外貼碳纖維布加固受彎鋼筋混凝土梁的數值分析模擬研究與理論分析[D].秦皇島：燕山大學，2006