建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)綜述

沈壘　蘇予

摘 要：本文從加固的原因、特點(diǎn)、基本原則、常用加固方法等幾方面對(duì)建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，并指出了建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，最后對(duì)建筑結(jié)構(gòu)加固需要完善的地方提出了幾點(diǎn)看法，以期為相關(guān)學(xué)者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)加固；加固方法；加固設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU746.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0103-03

Summary of the Design of Building Structure Reinforcement

SHEN Lei1 SU Yu2

（1.SIPPR Engineering Group Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450006；2. Henan Design & Research Institute of National Defence Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： This paper discussed the reinforcement design of the building structure from the reinforcement of the reasons， characteristics， basic principles， common reinforcement method， and pointed out that strengthening design of building structure， and need to be perfected and put forward some views on building structure reinforcement， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： structure reinforcement；strengthening methods；reinforcement design

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)建筑工程行業(yè)得到快速發(fā)展，各種建筑工程的建設(shè)極大地推動(dòng)了祖國(guó)的現(xiàn)代化。但同時(shí)我們也應(yīng)當(dāng)看到，目前我國(guó)很多建筑在使用多年后出現(xiàn)了不同程度的材料劣化和結(jié)構(gòu)損傷，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性的要求。既有建筑的鑒定加固已然成為熱門(mén)，相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)也逐漸獲得重視。

1 建筑結(jié)構(gòu)加固的原因

建筑結(jié)構(gòu)需加固的原因主要有以下幾個(gè)方面[1]：①設(shè)計(jì)失誤、施工不當(dāng)、功能變化及維護(hù)缺失等原因?qū)е陆ㄖY(jié)構(gòu)無(wú)法正常使用；②建筑結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)災(zāi)害（如地震、爆炸、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等）；③長(zhǎng)期在不良的工作環(huán)境中作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生變化（如處于高溫、酸、堿、溫差、凍融循環(huán)等）；④相關(guān)部門(mén)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的變化。

2 建筑結(jié)構(gòu)加固的特點(diǎn)

①建筑結(jié)構(gòu)加固受到原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制約。建筑結(jié)構(gòu)加固是對(duì)固有的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)時(shí)，必然會(huì)受到原有設(shè)計(jì)參數(shù)的制約，如截面尺寸、截面形式等。這就要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)加固結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)條件提出合理的加固方案，并與其他施工人員密切配合，互相協(xié)調(diào)，只有這樣，才能保證結(jié)構(gòu)加固實(shí)現(xiàn)安全、合理、經(jīng)濟(jì)及適用的目標(biāo)。

②應(yīng)力、應(yīng)變的滯后性[2]。結(jié)構(gòu)在加固前已存在荷載作用，構(gòu)件存在一定的彎曲變形和壓縮變形，截面應(yīng)力及應(yīng)變一般來(lái)說(shuō)均處于較高水平。而此時(shí)，新施加部分只有在新增加荷載時(shí)受力才開(kāi)始，這會(huì)引起新施加部分相對(duì)于原結(jié)構(gòu)在應(yīng)力、應(yīng)變上有所滯后，致使新舊結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值不能同步。因此，加固應(yīng)力指標(biāo)超過(guò)一定限值的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要采取有效的卸荷措施，否則將達(dá)不到預(yù)期的加固效果。

③加固結(jié)構(gòu)可以理解為疊合結(jié)構(gòu)，新舊結(jié)構(gòu)兩者間存在協(xié)同工作時(shí)的同步受力問(wèn)題[3]。結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的關(guān)鍵取決于新舊結(jié)合面的構(gòu)造處理與施工方法，因?yàn)榻Y(jié)合面混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度一般總低于混凝土本身的強(qiáng)度，因此，一般來(lái)講，疊合結(jié)構(gòu)相比于全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的承載力要差一些。在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中，必須采取措施保證新舊部分之間的有效結(jié)合。

④在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證結(jié)構(gòu)具有良好的工作和受力性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)構(gòu)件之間的剛度比都有一定的要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固時(shí)，不能僅僅考慮局部受損構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)，而應(yīng)基于整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力后工作性能的分析，保證結(jié)構(gòu)的薄弱部位不因發(fā)生變化而產(chǎn)生安全隱患。

3 建筑加固設(shè)計(jì)基本原則

3.1 結(jié)構(gòu)可靠度鑒定先行的原則

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)前，首先需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定工作。具體操作時(shí)應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料力學(xué)性能驗(yàn)證、材料質(zhì)量核驗(yàn)及承載力調(diào)研，也就是說(shuō)要充分搜集既有結(jié)構(gòu)在最初建造時(shí)的設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)資料。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工程實(shí)體所做的各種檢測(cè)驗(yàn)證搜集的各項(xiàng)資料，做好數(shù)據(jù)記錄及對(duì)比，如果現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明搜集到的一些資料與實(shí)際情況不符，則需要對(duì)此進(jìn)行再次核實(shí)。若核實(shí)后仍不滿足需要，則應(yīng)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)調(diào)查所得數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性鑒定，準(zhǔn)確評(píng)定出結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和加固的范圍。

3.2 荷載取值與承載力驗(yàn)算的原則

加固設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循荷載取值與驗(yàn)算承載力的原則[4]。

一般來(lái)說(shuō)，加固結(jié)構(gòu)的荷載驗(yàn)算應(yīng)按照結(jié)構(gòu)實(shí)際所承受的荷載進(jìn)行驗(yàn)算。進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，加固結(jié)構(gòu)的荷載取值可依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）的相關(guān)條文取用。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力核算時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)圖的確定應(yīng)按照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)件尺寸及受力狀態(tài)取用，構(gòu)件的截面積應(yīng)按照實(shí)際構(gòu)件的有效面積取用（也即考慮構(gòu)件的銹蝕損傷缺陷等各種不利作用）。計(jì)算時(shí)，還必須考慮結(jié)構(gòu)加固時(shí)的真實(shí)受力狀態(tài)、加固部分與原結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作效應(yīng)和加固部分的受力滯后特點(diǎn)等因素，對(duì)加固部分的各種材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行相應(yīng)折減。

3.3 材料的選用和取值原則

為使加固設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)協(xié)同工作良好，選用的加固材料的性能和種類(lèi)應(yīng)盡量與原有結(jié)構(gòu)相適應(yīng)[5]。鋼筋優(yōu)先采用HPB300、HRB335級(jí)別的，扁鋼、鋼板、型鋼和鋼管優(yōu)先采用Q235號(hào)鋼或者16號(hào)錳鋼。加固用的水泥宜優(yōu)先選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號(hào)不小于32.5號(hào)，優(yōu)先選用微膨脹型水泥。加固用的混凝土標(biāo)號(hào)應(yīng)比原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件高出一級(jí)，若原構(gòu)件、結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)較高（如大于C40）時(shí)，加固用混凝土標(biāo)號(hào)可與原結(jié)構(gòu)標(biāo)號(hào)一致，但需要采取相應(yīng)技術(shù)措施使新舊混凝土充分結(jié)合。加固所采用的化學(xué)灌漿材料和粘結(jié)材料的強(qiáng)度（粘結(jié)強(qiáng)度）應(yīng)超出被加固結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度。

3.4 結(jié)合抗震設(shè)防的原則

多數(shù)因年代久遠(yuǎn)而需加固的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段并未考慮抗震設(shè)防，為使建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)具有一定的安全儲(chǔ)備，應(yīng)結(jié)合抗震規(guī)范進(jìn)行加固，使結(jié)構(gòu)具備抗震性能。

3.5 整體分析的原則

加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)原有結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況和加固完成后的受力特點(diǎn)進(jìn)行全面分析，將加固后的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算分析，而不是僅僅分析加固部分，以保證新舊結(jié)構(gòu)連接可靠、傳力明確。

4 常用加固方法

常用的結(jié)構(gòu)加固方法可分為三類(lèi)：直接加固方法、間接加固方法和綜合加固方法。盡管不同的加固方法有不同的計(jì)算理論和計(jì)算方法，但其本質(zhì)都是依據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)函數(shù)進(jìn)行分析研究，如公式（1）所示[1]：

Z=R-S （1）

式（1）中，Z表示功能函數(shù)；R代表結(jié)構(gòu)的抗力；S代表荷載的效應(yīng)。

結(jié)合式（1），為使功能函數(shù)大于0，可采取以下三種方法：①保持荷載的效應(yīng)S恒定，提高結(jié)構(gòu)的抗力R，這就是直接加固方法的思路；②保持結(jié)構(gòu)的抗力R恒定，降低荷載的效應(yīng)S，這就是間接加固方法的思路；（3）同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗力R和降低荷載的效應(yīng)S，這是綜合加固方法的思路。

4.1 直接加固法

用以直接提高建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或者構(gòu)件的承載能力的方法稱(chēng)為直接加固法。直接加固法的明顯特征是加固后結(jié)構(gòu)將進(jìn)入二次受力狀態(tài)。加固后新結(jié)構(gòu)的承載能力并非簡(jiǎn)單的新舊結(jié)構(gòu)抗力的疊加。

4.1.1 增大截面法。增大截面法是借助提高構(gòu)件配筋率或者加大構(gòu)件截面積的方法來(lái)提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。該方法工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、后期維護(hù)成本低，故實(shí)際工程中應(yīng)用較為普遍。該方法的不足之處包括現(xiàn)場(chǎng)有大量工作需要濕作業(yè)，較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，截面增大對(duì)構(gòu)件外觀和建筑凈空也有一定影響。

設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析，不能僅考慮局部加強(qiáng)，避免導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部薄弱層的出現(xiàn)。此外，由于構(gòu)件質(zhì)量和剛度的變化較大，應(yīng)注意使結(jié)構(gòu)固有頻率的變化處于合理區(qū)間。

4.1.2 外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固方法是在鋼筋混凝土柱、梁等構(gòu)件四周采用型鋼（槽鋼或角鋼）進(jìn)行加固。該方法具有截面尺寸增加不多、構(gòu)件承載力大幅提高、施工簡(jiǎn)便、工期短的優(yōu)點(diǎn)。但是，外包型鋼需做好防腐處理，以提高其耐久性。

4.1.3 預(yù)應(yīng)力加固法。預(yù)應(yīng)力加固法是使用外加型鋼撐桿或預(yù)應(yīng)力鋼拉桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。該方法兼具改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力、卸荷和加固三種效果，特別適合對(duì)大跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和常規(guī)方法處理不好的高應(yīng)力狀態(tài)加固。撐桿或拉桿的連接是其關(guān)鍵技術(shù)，錨固承載力不能小于撐桿或拉桿自身的承載能力。

4.1.4 增設(shè)支點(diǎn)加固法。該方法是借助增加支點(diǎn)來(lái)降低構(gòu)件計(jì)算跨度，最終實(shí)現(xiàn)降低構(gòu)件內(nèi)力及提升構(gòu)件承載力。該法適用于板、梁、網(wǎng)架、桁架等水平向結(jié)構(gòu)的加固。

4.1.5 粘貼碳纖維布加固法。該方法是借助膠結(jié)材料將碳纖維布粘貼在混凝土構(gòu)件表面，與原有結(jié)構(gòu)成為整體并共同受力，提高原有結(jié)構(gòu)的抗剪能力和抗彎能力，達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維布非常適合在高酸、堿、鹽及大氣腐蝕的環(huán)境中使用。

4.2 間接加固法

間接加固方法是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)整體布置，轉(zhuǎn)換或削減結(jié)構(gòu)內(nèi)力。其本質(zhì)是通過(guò)減少外界作用達(dá)到提高結(jié)構(gòu)安全度的目的。

4.2.1 改變使用功能法。使用功能不同，則荷載不同，可借助此法減少荷載的輸入，以提高結(jié)構(gòu)安全度。例如，將倉(cāng)庫(kù)（5kN/m2）改為常規(guī)房間（2kN/m2）。

4.2.2 減隔震法。利用減隔震的相關(guān)技術(shù)，減少或阻止對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的外力作用，稱(chēng)為減隔震法。例如，在結(jié)構(gòu)中增設(shè)約束屈曲支撐、機(jī)床上樓采用隔震加固法、打樁工程采用隔振溝。

4.3 綜合加固法

綜合加固法就是同時(shí)借助若干種加固方法提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的某項(xiàng)性能。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以利用不同加固方法之間的長(zhǎng)處。利用這種方法是獲得加固最優(yōu)性?xún)r(jià)比的合理途徑。其基本思路如下。①借助某一種方法的優(yōu)勢(shì)。例如，預(yù)應(yīng)力加固法可克服其他方法所不能克服的應(yīng)力應(yīng)變滯后等問(wèn)題，甚至可使裂縫閉合。②彌補(bǔ)某一種加固方案的缺點(diǎn)。例如，增加支點(diǎn)及托梁拔柱可有效減小構(gòu)件所受到的內(nèi)力，提高安全度和構(gòu)件性能，但該方法將造成使用上的不便，需要借助其他方法彌補(bǔ)該缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)是否合理對(duì)最終工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效果影響重大。目前，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)已進(jìn)入了新階段，但結(jié)構(gòu)加固還存在著諸多需要注意的問(wèn)題：①加強(qiáng)對(duì)加固設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性理論的研究；②完善混凝土結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；③加強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固專(zhuān)業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)。

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