淺析結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在改造工程中的運(yùn)用

李志剛

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱150000）

建國(guó)初期，由于國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，國(guó)家集中建設(shè)了大量工業(yè)建筑，由于當(dāng)時(shí)建筑材料、設(shè)計(jì)水平、施工能力、功能局限等因素限制，很多廠房在后期工藝改造中多數(shù)已經(jīng)翻新或重建，在工藝改造過(guò)程中，國(guó)內(nèi)的加固技術(shù)也開(kāi)始萌芽發(fā)展。20 世紀(jì)90 年代，隨著改革開(kāi)放的深入，我國(guó)迎來(lái)了建筑物的高速發(fā)展期，各種建筑風(fēng)格和建筑功能的建筑應(yīng)運(yùn)而生，從以砌體結(jié)構(gòu)為主逐步向以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主轉(zhuǎn)變，同時(shí)大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑，工程建設(shè)取得了令世界矚目的成績(jī)，但由于自然災(zāi)害、工程設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、施工管理、功能改造等原因，導(dǎo)致部分建成建筑物需要進(jìn)行加固處理，在這個(gè)時(shí)期，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)伴隨著加固材料的發(fā)展而得到快速發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的基本原理

1.1 結(jié)構(gòu)加固的受力特點(diǎn)

加固構(gòu)件受力與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力不同，多數(shù)加固方法屬于二次受力，由胡克定律可知，只有當(dāng)后增加的結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生被壓縮或拉伸變形時(shí)，新增加的材料產(chǎn)生應(yīng)力后方與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同工作，因此，被加固構(gòu)件在后續(xù)加載受力過(guò)程中，新加部分材料的應(yīng)力始終滯后于原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的累計(jì)應(yīng)力，當(dāng)原構(gòu)件達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)，新增部分的材料應(yīng)力還比較低，易發(fā)生逐一破壞，因此加固設(shè)計(jì)不能完全等同于新建設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮其特殊性，采取適當(dāng)卸荷等措施，使新增材料部分與原結(jié)構(gòu)材料共同受力，以此來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。

1.2 新增部分與原有構(gòu)件共同工作措施

新老結(jié)構(gòu)的結(jié)合面處理好壞是加固工程成敗的關(guān)鍵因素之一。結(jié)合面主要承擔(dān)剪力和拉力，因此，結(jié)合面能否承擔(dān)并傳遞這部分應(yīng)力是加固效果的關(guān)鍵所在。

以增大截面法為例，影響新老結(jié)合面應(yīng)力傳遞的主要因素有混凝土強(qiáng)度、結(jié)合面的粗糙度、界面劑的使用、以及抗剪摩擦筋的設(shè)置。（1）混凝土強(qiáng)度影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，當(dāng)原有構(gòu)件混凝土強(qiáng)度較高時(shí)，新增混凝土采用高標(biāo)號(hào)混凝土可以提高結(jié)合面的粘結(jié)性能，一般提高1～2 個(gè)標(biāo)號(hào)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高幅度較大時(shí)，結(jié)合面粘結(jié)性能提高并不明顯。（2）結(jié)合面粗糙度影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)結(jié)合面的粗糙程度研究結(jié)果可知，結(jié)合面的處理方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響非常大，當(dāng)結(jié)合面粗糙度大時(shí)，新老結(jié)合面能夠獲得較好的粘結(jié)效果，但當(dāng)繼續(xù)增加構(gòu)件粗糙度，對(duì)提高粘結(jié)性能影響不大。（3）界面劑的影響。界面劑的主要作用是通過(guò)粘結(jié)劑增加范德華力，從而提高界面結(jié)合效果。根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，環(huán)氧類(lèi)對(duì)新老結(jié)合面的粘結(jié)力提高明顯，水泥基類(lèi)效果一般，整體來(lái)看，界面劑的使用對(duì)新老結(jié)合面均有所提高。（4）抗剪摩擦筋的設(shè)置。設(shè)置抗剪摩擦筋可有效提高結(jié)構(gòu)延性和抗剪能力，有效傳遞結(jié)合面應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)新老構(gòu)件共同受力。

2 結(jié)構(gòu)加固的原因和目的

結(jié)構(gòu)加固的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)、施工缺陷；（2）建筑改造；（3）自然災(zāi)害、火災(zāi)等；（4）結(jié)構(gòu)耐久性降低；（5）保護(hù)建筑移位。

其中建筑改造與結(jié)構(gòu)缺陷處理是既有建筑改造中最常遇到的問(wèn)題，既有建筑改造主要包括，增層改造、改擴(kuò)建工程、加固托換工程、移位工程、糾傾工程、結(jié)構(gòu)裂損加固處理等。

結(jié)構(gòu)加固的目的主要是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)改造及裂損處理的安全性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用期限，保證結(jié)構(gòu)能夠可靠工作。

3 結(jié)構(gòu)加固的基本原則

為保證結(jié)構(gòu)加固安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、保質(zhì)保量，須遵守如下基本原則：（1）結(jié)構(gòu)加固前需進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性鑒定。根據(jù)可靠性報(bào)告確定結(jié)構(gòu)損傷情況、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度、加固設(shè)計(jì)、使用年限，明確加固范圍及加固內(nèi)容。（2）盡量保留原有構(gòu)件，避免或減少拆除。（3）制定合理有效的加固方案，縮短加固周期，減少因加固對(duì)生產(chǎn)工作的影響。（4）結(jié)構(gòu)加固應(yīng)秉持先治理后加固的原則，應(yīng)先消除導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷的因素，后加固處理。（5）在地震工況下，應(yīng)避免因加固后結(jié)構(gòu)局部剛度增加而產(chǎn)生的薄弱層轉(zhuǎn)移，形成新的薄弱層和薄弱部位，影響抗震安全。（6）新老構(gòu)件應(yīng)保證連接可靠，結(jié)合面粘結(jié)良好，保證共同工作，協(xié)調(diào)受力。（7）加固卸載時(shí)，必須采取有效支撐措施，避免結(jié)構(gòu)傾斜、開(kāi)裂、坍塌，應(yīng)做好相應(yīng)預(yù)案。

4 結(jié)構(gòu)加固方法的選擇

目前國(guó)內(nèi)常用的加固方法有增大截面法、外粘型鋼加固法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復(fù)合材料法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、置換混凝土法等等，每種方法都有著其自身的適用性，加固方法的選擇對(duì)整個(gè)加固工程來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。應(yīng)該注意的是，靜力加固主要是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，需要重點(diǎn)考慮二次受力的影響；抗震加固主要是提高結(jié)構(gòu)體系的延性和整體性，加固重點(diǎn)在于體系加固，一般可不考慮二次受力。

增大截面法是通過(guò)增大原構(gòu)件截面面積，增加縱筋和箍筋，提高構(gòu)件承載力、剛度和穩(wěn)定性，被廣泛用于梁、板、柱、墻的加固中，尤其對(duì)于改善結(jié)構(gòu)軸壓比效果明顯，施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，當(dāng)原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度低于C10 時(shí)，不在計(jì)入原混凝土強(qiáng)度，缺點(diǎn)是工期長(zhǎng)，自重增加較大，結(jié)構(gòu)剛度增加較多，影響室內(nèi)凈空和美觀。

外粘型鋼法是對(duì)鋼筋混凝土梁、柱外包型鋼、扁鋼并焊成鋼構(gòu)架，后灌結(jié)構(gòu)膠與原構(gòu)件形成整體，并達(dá)到共同受力的效果，主要用于梁、柱、桁架等構(gòu)件的加固處理，受力可靠，對(duì)空間影響小，缺點(diǎn)是耗鋼量大，需要進(jìn)行防火防腐處理。

粘貼鋼板法是用結(jié)構(gòu)膠將薄鋼板粘貼于原結(jié)構(gòu)表面，形成一體共同受力。主要用于梁、板加固，施工速度快、自重輕，不影響凈空，使用環(huán)境溫度不超過(guò)60℃，原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度不低于C15，缺點(diǎn)是需要進(jìn)行防火防腐處理。

粘貼纖維復(fù)合材法是將纖維布粘貼于原構(gòu)件上，與原構(gòu)件形成一體，共同受力，該方法對(duì)混凝土基材強(qiáng)度有所要求，基材強(qiáng)度不應(yīng)低于C15，主要適用于受彎、受剪、受拉等構(gòu)件的加固，對(duì)空間影響小，施工速度快，缺點(diǎn)是有機(jī)膠的耐久性和耐火性問(wèn)題，需要進(jìn)行防火防腐處理。

增設(shè)支點(diǎn)法是通過(guò)設(shè)置支撐，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算跨度，降低內(nèi)力，從而提高構(gòu)件承載力，該方法受力清晰，構(gòu)造簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)建筑空間影響較大，適用于對(duì)空間不敏感的建筑。

外加預(yù)應(yīng)力法是通過(guò)對(duì)鋼絞線、鋼拉桿、型鋼施加外力，使外加鋼材直接參與工作，消除應(yīng)力滯后，達(dá)到與原構(gòu)件共同工作的目的，適用于改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度，減小變形、提高梁、板、柱承載力的加固，不影響凈空，使用環(huán)境溫度不超過(guò)60℃，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜，需要進(jìn)行防火防腐處理。

置換混凝土加固法是將強(qiáng)度低的混凝土或者孔洞、疏松較為嚴(yán)重的位置采用高標(biāo)高混凝土替換的一種加固方法，適用于局部強(qiáng)度低或缺陷嚴(yán)重的混凝土構(gòu)件，缺點(diǎn)是新舊混凝土粘結(jié)較差，剔鑿損傷鋼筋，應(yīng)做好支頂措施。

以上加固方法僅為部分加固方法，還有很多加固方法，如繞絲加固法、鋼絞線網(wǎng)片- 聚合物砂漿加固法、結(jié)構(gòu)體系加固法、增設(shè)拉結(jié)體系加固法等等。

5 卸載對(duì)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的影響

從結(jié)構(gòu)加固的受力原理可知，新增部分主要是二次受力，這就影響到新增部分的承載力貢獻(xiàn)，甚至存在發(fā)生逐個(gè)擊破的風(fēng)險(xiǎn)，影響結(jié)構(gòu)加固的安全性，因此，在加固施工之前，有效的卸載便成了加固效果好壞的關(guān)鍵因素之一。卸載加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計(jì)算，雖然仍然是二次受力，但當(dāng)將原結(jié)構(gòu)恒荷和活荷通過(guò)反向作用抵消時(shí)，結(jié)構(gòu)可以按一次受力進(jìn)行計(jì)算。

卸載方式主要分為兩種，直接卸載和間接卸載。直接卸載主要是通過(guò)減輕結(jié)構(gòu)上的活荷，僅在結(jié)構(gòu)自重的情況下進(jìn)行加固施工；間接卸載是通過(guò)外部施加預(yù)應(yīng)力反力，抵消或大幅降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的全部荷載（包含自重），加固完成后新老構(gòu)件工作受力，這種加固效果非常明顯，但施工工藝相對(duì)復(fù)雜。

加固前卸載可以有效保證和提高結(jié)構(gòu)加固的效果，保證新老構(gòu)件的共同受力，避免發(fā)生新老構(gòu)件因?yàn)閼?yīng)力差異而發(fā)生的逐一擊破的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用對(duì)于建筑行業(yè)和社會(huì)以及國(guó)家來(lái)說(shuō)，都是十分有利的，因此，對(duì)于其相關(guān)現(xiàn)狀中要有一定的關(guān)注，對(duì)于其發(fā)展中存在的問(wèn)題，要采取相對(duì)應(yīng)的措施，好好解決，從而推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展。