建筑結(jié)構損傷與修復加固的研究進展

佘　思

(云南農(nóng)業(yè)大學水利學院, 云南昆明 650201)

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建筑結(jié)構損傷與修復加固的研究進展

佘思

(云南農(nóng)業(yè)大學水利學院, 云南昆明 650201)

文章主要針對建筑結(jié)構的損傷修復問題進行總結(jié)，概述了近年來的建筑結(jié)構損傷檢測以及修復加固的方法，從損傷原因、檢測方法、修復加固技術、加固原則、對未來的展望等五個主要方面對建筑結(jié)構的修復加固方法進行了闡述和概括。

工程結(jié)構；損傷原因；檢測方法；修復加固技術

在新中國現(xiàn)代化建設歷史上，建筑領域占著不容小覷的比例。建筑結(jié)構在中華五千年發(fā)展歷程中有著悠久豐厚的歷史，從天壇、故宮屹立百年、風雨不摧到如今現(xiàn)代化發(fā)展，各色高樓林立于中華故土。這些建筑要經(jīng)受自然災害、使用年限、意外事故、人為因素等各項嚴苛條件的考驗。由于建筑物結(jié)構設計和應用要求的變化，為響應中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建筑結(jié)構的損傷檢測、修復加固應用也日益重要。

1　國內(nèi)外建筑結(jié)構應用現(xiàn)狀問題

我國既有建筑項目近百萬個，建筑面積約數(shù)十億平方千米。隨著大量現(xiàn)代化建筑的出現(xiàn)，一些古老文明的標志性建筑的保留、原有建筑物的改造加固問題隨之而來。在國外，如丹麥用于加固改造和新建工程的投資比例已經(jīng)是6∶1；據(jù)美國勞工部門的調(diào)查，加固改造業(yè)正在成為該國最受歡迎的9個行業(yè)之一；瑞典自1983年后，建筑業(yè)總投資的50 %以上用于建筑的診斷與維修加固改造業(yè)；英國1978年用于建筑物維修、加固改造的投資是1965年的3～8倍[1]，近年增長更快。因此建筑物結(jié)構的損傷修復和加固問題，日益成為世界建筑領域關注和研究的焦點。

2　建筑結(jié)構損傷的原因及檢測應用

2.1損傷的原因

建筑結(jié)構有結(jié)構重、尺寸大的特征。我國房屋設計使用年限一般為50年，房屋極易隨自然變化、人為因素等影響損傷破壞。我國有2/3[2]的大城市處于地震區(qū)，風災平均每年毀壞房屋超過30萬間，水災損失更是難以準確統(tǒng)計，火災平均每年發(fā)生火災超過6萬起[3]，建筑物火災就占火災總數(shù)的60%，這些災害使不少建筑物提前毀壞。地形地質(zhì)條件勘測不完整，地基勘測和建設過程中的誤差，后天的使用和管理不當，均會折減建筑結(jié)構的使用壽命。舊建筑物的改建、擴建和古老建筑的整體遷移等都會使建筑結(jié)構受到損壞。

2.2損傷檢測方法與應用

2.2.1基本方法

建筑結(jié)構損傷的檢測是進行可靠性鑒定的基礎，目前在現(xiàn)場檢測方面有表1所列的技術。

2.2.2建筑結(jié)構損傷檢測的研究進展

近十幾年來，若干國際大型會議如IMAC(國際模態(tài)分析會議)、國際結(jié)構健康監(jiān)測專題學術討論會(每兩年一次在斯坦福大學召開)、英國的工程體系識別國際會議、歐洲新材料和結(jié)構專題學術討論會[6]等都把結(jié)構的損傷診斷和健康監(jiān)測作為研究重點，世界各國的建筑結(jié)構修復之路將繼續(xù)延伸。張傲、唐朝暉、柴波[7]基于以往研究鋼筋混凝土結(jié)構易損性的經(jīng)驗總結(jié)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法,考慮了落石災害強度(速度、能量和軌跡)，提出了定量的易損性分析流程與方法；焦敬品、孫俊俊[8]等根據(jù)結(jié)構損傷機理和信號特征的理論分析，優(yōu)化出試件差頻分量和頻分量幅值隨著激勵信號變化的混頻檢測參數(shù)，得出結(jié)構微裂紋混頻非線性超聲檢測方法，在優(yōu)化檢測參數(shù)的基礎上混頻檢測可以很好的做到結(jié)構微裂痕的檢測與定位；岳健廣、錢江[9]通過結(jié)構非線性數(shù)值計算分析真實損傷破壞細節(jié)，用有限單元耦合模型，基于能量平衡原理，正確反映出整體結(jié)構的承載力、變形情況和局部損傷破壞細節(jié)。許煌昊、劉朝等[10]針對框架結(jié)構在地震作用絕對加速度響應部分能觀測部分，通過采用擴展卡爾曼估計和遞推最小二乘法對一層以上擴展狀態(tài)和未知力進行遞推，再用結(jié)構頻率特征方程對一層結(jié)構參數(shù)估計，最后用數(shù)值求解微分方程，能很好地識別結(jié)構參數(shù)和地震輸入，并成功識別出未觀測的地震作用。

表1　現(xiàn)場檢測技術

3　建筑結(jié)構修復加固的應用現(xiàn)狀

3.1建筑結(jié)構修復加固的基本方法

隨著我國建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種新技術與新材料應用層出不窮，目前基本方法應用如表2所示。

表2　我國建筑結(jié)構修復加固基本方法

3.2加固技術的研究進展

建筑結(jié)構的加固和改造，是在20 世紀中葉以后[11]真正發(fā)展的。1976年唐山地震后頒布了TJ 23-77《工業(yè)與民用建筑抗震鑒定標準》、GBJ 117-88《工業(yè)構筑物抗震鑒定標準》、YBJ 219-89《鋼鐵工業(yè)建(構)筑物可靠性鑒定標準》等； 20世紀90年代以后頒布的CECS 77:96《鋼結(jié)構加固技術規(guī)范》、JGJ 116-98《建筑抗震加固技術規(guī)程》等一系列標準及規(guī)程，1908年后修訂了GB 50144-2009《建筑抗震鑒定標準》、JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術規(guī)程》等[3]。20世紀80年代航天領域提出 “智能材料與結(jié)構系統(tǒng)”概念[12]：將碳纖維或?qū)щ娂{米材料摻入水泥漿，從而具有自感知特性[13]，可以在原有建筑在使用進程中自動“報告”自身狀況，以便及時作出補救和修復。中國建筑科學研究院自20世紀90年代起[14]，開展了結(jié)構加固與防護材料研發(fā)和應用技術研究，有力地推動了混凝土結(jié)構加固保護材料的長足發(fā)展。碳纖維[15]、玻璃纖維、玄武巖纖維等纖維材料的應用研究在近年發(fā)展迅猛。魯效堯[16]在框架梁、板、柱節(jié)點的加固修復方面，將碳纖維加固與角鋼結(jié)合，演變更有效的加固方法，證明了增加碳纖維的層數(shù)也能提高節(jié)點的承載力；黃鏡渟等[17]用有限元分析軟件，提出了有角度玻璃纖維加固純混凝土柱的屈服應力應變和屈服時柱軸向、徑向位移的計算公式，在理論上取得突破；許向南[18]通過理論實驗推導，提出了經(jīng)過玄武巖纖維布加固后的鋼筋混凝土連續(xù)梁的抗彎承載力公式與剛度公式。萬福磊[19]用有限元評估各加固方案的技術可靠性；祝百茹[20]對加固前后砌體結(jié)構在地震作用下的全過程進行仿真模擬，增強了結(jié)構抗震能力；李冉[21]用PKPM計算分析砌體結(jié)構受力特點，選擇了適合的加固方案等。

4　建筑結(jié)構改造加固進展方向和展望

4.1國內(nèi)外建筑產(chǎn)業(yè)進展方向

當前我國發(fā)展生產(chǎn)已從興建轉(zhuǎn)移到對已有技術改造階段。據(jù)資料統(tǒng)計，我國改建比新建節(jié)約投資約40 %，工期縮短50 %，收回投資的速度比新建產(chǎn)房快3～4倍，民用建筑的改造和修復需求也日益迫切。無房、缺房和不便用戶仍然達20 %以上， “一五”期間，我國更新改造資金只占同期建設投資的4.2 %，逐年倍增，到“七五”期間為54 %[3]。由此看來，國家用于舊建筑物的修復加固和改造費用是逐漸增加的。

4.2結(jié)論和展望

多年以來，建筑結(jié)構的檢測鑒定、修復加固與改造技術日趨發(fā)展完善，但仍然存在諸多問題有待解決：

(1)在建筑結(jié)構的損傷檢測中，單一的檢測方法或者單音頻的超聲大法控制已不能滿足研究要求，需要深入混合檢測的研究，達到檢測結(jié)構的最優(yōu)化組合；

(2)由于現(xiàn)代化發(fā)展進程的特殊需求，建筑物增層、改擴建、抽柱托換、砌體結(jié)構承重墻托換等方面的技術以及建筑物整體位移技術、糾傾技術還缺乏系統(tǒng)的研究，應對改建、擴建工程合理結(jié)構體系和結(jié)構方案的研究更加深入；

(3)纖維加固法是新興領域，尤其玄武巖纖維的研究進展還處在起步階段，還需更多穩(wěn)步成熟的研究。

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佘思(1992～)，女，碩士，研究方向為建筑結(jié)構的損傷修復與加固。

TU746.3

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[定稿日期]2016-05-10