高層鋼筋混凝土框架結構加固方法優化設計

白小斐

摘要：隨著時間的流逝，很多建筑慢慢老化、損傷，導致其使用功能下降，無法滿足人們的使用要求，甚至因為安全隱患的存在而威脅人們的人身安全，鋼筋混凝土作為建筑工程中最為常用的結構材料，對其進行維修加固一直是建筑人員關注的重大問題。針對這一問題，提出了幾種鋼筋混凝土框架結構加固方法的優化設計，為相關的工程改進提供了參考。

關鍵詞：高層鋼筋混凝土框架;結構加固;方法優化

中圖分類號：TU746 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-2020-03

0引言

隨著我國科技的進步以及經濟的發展，人們的經濟條件以及生活水平逐漸提高，對于建筑物的安全性要求也越來越高。且隨著時間的推移和技術的進步，很多老舊的建筑無論是在結構上還是功能上都不能滿足人們的生活需要以及社會的發展需求。另外，環境問題也是當今人們關注的重大問題，人們的環保意識加強，對于節能減排的要求也越來越高，建筑物中材料、資源消耗最大，很多資源也不可再生，對舊建筑進行維修改造，最大限度的延長其使用壽命更符合可持續發展戰略。鋼筋混凝土結構穩定、密實，是當今建筑物中使用最多的結構，因此，對于老化的建筑進行維修加固時對鋼筋混凝土結構的加固問題是重中之重，加固改造項目也越來越多。尋找技術可靠、經濟合理、安全l生佳的加固技術，對加固方案進行優化設計一直是人們努力的方向和目標。本文立足于國內外加固研究的現狀，對鋼筋混凝土框架結構加固方法進行優化設計，不僅能夠提高建筑結構的安全性，還有客觀的經濟效益以及社會效益，前景也較為廣闊。

1國內外研究現狀

1.1國外研究現狀

加固技術伴隨著建筑結構的整個生命周期，隨著技術的發展，各種新型建筑逐漸增多，同時舊建筑的加固技術也逐漸發展。隨著加固技術的不斷發展，加固理論的研究也逐漸完善。發達國家對于建筑的加固改造研究開始于20世紀50年代。工業革命時期，發達國家開始關注建筑保護問題，對于建筑的改造加固的研究也逐漸發展起來。日本屬于地震多發的國家，因此，較早地編制了《混凝土工程裂縫調查及補強加固技術規程》，該規程中規范了對于鋼筋混凝土裂縫的修補技術。20世紀70年代，一些發達國家開始使用粘鋼技術對房屋建筑進行加固，并且開始了對于纖維復合材料的加固研究，70年代后期，日本科學家為了抗震加固提出了粘滯阻尼器的想法。ANSYS有限元分析軟件的使用，為很多沒有試驗條件的工程提供了試驗數據和理論依據。經過幾十年的發展，發達國家舊建筑的改造加固技術變得成熟，并引領了建筑行業的發展方向，取得了顯著的成果。

1.2國內研究現狀

相對于發達國家，中國對于加固理論的研究開始的較晚，但是國家較為重視這一方面的發展，因此，近幾年來加固技術的研究也有了較大的進展。我國的加固技術研究工作開始與20世紀80年代，80年代初期進行了建筑補強加固技術與抗震加固技術的研究，80年代后期開始對于粘鋼加固技術的研究，90年代，我國科學家的研究主要關注點在粘鋼加固技術上，科學家研究了梁粘鋼加固，編寫了《混凝土結構加固技術規范》，為后期實際工程的運用提供了經驗和依據。90年代后期，我國開始研究纖維復合材料加固修補混凝土結構，并取得了較好的研究成果。隨著有限元分析法的發展，我國也展開了其在工程領域的應用研究，但是尚處于發展階段。

計算機技術和信息技術的發展，使結構優化設計從理論研究階段發展到應用探討，數學規劃法的發展也有了質的飛躍。但是，迄今為止，優化方法都以傳統的數學模型作為優化模型，但是傳統的數學模型有較大的局限性，限制了現有的優化理論和方法在實際工程中的應用。國內對于高層結構加固研究較欠缺，理論研究跟不上實際工程的應用，達不到實際工程的需求。目前我國對于加固方法的優化分析研究不足，優化設計不夠科學，缺少加固設計中優化分析的應用，因此在選擇加固方法的時候對于方案的優越性把握不夠。

2高層鋼筋混凝土框架結構加固方法

目前，高層鋼筋混凝土框架結構的加固方法主要有加大截面法、粘鋼加固法、粘貼纖維增強復合材料加固法、外包型鋼加固法、置換混凝土加固法、外加預應力加固法等。

2.1加大截面法

加大截面法是指，采用與原構件相同的材料來增加原構件的截面面積，從而提高原構件的承載能力和剛度，達到加固目的的方法。該方法較為傳統，施工工藝簡單、適應性較好、設計成熟，但是因為現場施工時需要進行澆筑，因此施工時間長。雖然使用同樣的材料增加了截面積，但是加固后建筑物的使用面積減少。具體的工程示意圖如圖1所示

2.2粘鋼加固法

粘鋼加固法是指在鋼筋混凝土框架結構的受力不足面粘貼薄鋼板，從而提升構件承受能力的方法。該方法施工簡單，不影響建筑物的使用面積，但是加固效果依賴于施工工藝和操作水平，不確定因素較多。該方法的工程示意圖如圖2所示。

2.3粘帖纖維增強復合材料加固法

粘帖纖維增強復合材料加固法是指，將纖維增強復合材料用膠結材料將其貼于原構件的受力部分，增強構建的承載能力的方法。纖維增強復合材料耐腐蝕性能好，因此在混凝土結構的加固中應用較廣泛。但是這種材料的抗老化能力較差，其壽命以及使用效果依賴于環境條件，通常在室內的鋼筋混凝土框架結構的加固中應用較普遍。

2.4外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是指，通過粘結劑將型鋼包在鋼筋混凝土框架結構的表面，從而發揮加固作用的方法。外包型鋼加固法分為干式加固法和濕式加固法。干式加固法中型鋼和鋼筋混凝土框架結構沒有粘結在一起，兩者分別受力，施工工藝簡單;濕式加固法中型鋼和鋼筋混凝土框架結構粘結在一起，二者共同受力，加固效果較好。該方法的工程示意圖如圖3所示。

2.5置換混凝土加固法

置換混凝土加固法是指，將原構件中受壓區或者有缺陷區域的混凝土用新的、強度等級高的混凝土材料置換，從而實現加固效果的方法。該方法不影響建筑物的使用面積，但是施工時間較長，適用范圍較窄。

2.6外加預應力加固法

外加預應力加固法是指，在原構件的外部采用鋼拉桿或預應力鋼撐管進行加固的方法。該方法加固效果較好，但是對原構件的外觀有一定的影響，適用于原鋼筋混凝土框架結構截面較小或者需要改善使用性能但其處于高應力、應變狀態又難以卸除載荷的情況。使用該方法時應根據實際的情況來判斷具體應該采用鋼拉桿還是預應力鋼撐管的方式。

3高層鋼筋混凝土框架結構加固方法優化設計

3.1加固方法優化設計

上節中介紹了高層鋼筋混凝土框架結構常用的加固方法，從上述描述中可知，不同的加固方法都有各自的優缺點，適于其應用的環境、范圍也都不同，因此在實際工程中對鋼筋混凝土框架結構進行加固時，需要根據具體的環境和使用情況進行優化設計，從而達到較好的加固效果，保證加固工作的合理性。本小節將針對上述加固方法提出幾種優化高層混凝土框架結構的設計。

首先介紹經驗加權平均法，根據技術人員以及施工人員的經驗從而選擇最優的加固方案。顯然，這種方法要求施工人員以及技術人員擁有足夠的施工經驗，具備專業的知識，能夠判斷高層鋼筋混凝土框架結構的具體信息，確定施工過程中確定各個影響因素在各方案i中的重要性，并對之量化處理得到Xn再根據各指標i的重要性賦予其權重wi，最后用方案在指標i下的得分乘以權重w;再求和，得到方案i的最終得分Yi，計算公式為

根據得分情況確定最優的加固方案。該方法充分結合加固方法的優缺點，進而選擇出最合理的加固方法。

其次是定性分析法，技術人員運用現代數學模型、分析方法以及理論對施工過程中的各項參數進行計算，進而實現加固方法的優化設計，客觀、科學、合理地對高層鋼筋混凝土框架結構進行加固。

3.2加固后結構的體系計算

利用PKPM軟件中的鑒定加固模塊，輸入最終選擇的加固方法和加固尺寸對加固后的體系進行模擬計算，具體的模塊流程圖如圖4所示。

4結語

混凝土具有原材料資源豐富、成本低、壓縮強度高、剛度大、可塑性好等優點，因此是建筑工程中使用最廣泛的材料。受環境因素和人為因素的影響，鋼筋混凝土框架結構會有一定的老化現象，各項性能變差，不僅影響建筑的正常使用，在抗震抗災方面的表現也較差，容易造成倒塌等事故，威脅人們的人身安全。鋼筋混凝土框架結構的維修加固不僅可以改善建筑物的性能，提升建筑物的承載能力，還能節約資源，降低經濟成本。目前鋼筋混凝土加固方法多種多樣，在建筑物維修加固過程中方法選擇不當會影響加固效果，導致加固效果不佳，影響建筑物的正常使用，因此合理、科學的選擇加固方法可以保障加固效果達到最佳，具有顯著的實用性和經濟效益。文中提出了幾種加固方法優化方式，可以為建筑工程中的相關工作提供參考。