建筑結構加固改造設計分析

文／劉史韜 廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東廣州 510000

引言：

建筑結構加固改造是一個關鍵的領域，涉及到現有建筑物的維修、改造和提升結構性能的問題。隨著時間的推移，許多建筑物面臨著老化、結構損傷或不符合新的設計要求的情況。在許多情況下，拆除和重建并不切實可行，因此，加固改造成為一種經濟有效且可行的選擇[1]。加固改造設計的目標是通過增強結構的強度、剛度和穩定性，提高建筑物的安全性、可靠性和使用壽命。在進行加固改造設計之前，必須進行全面的結構分析和評估，以了解現有結構的問題和潛在風險。根據結構分析的結果，可以制定相應的加固策略和設計方案。

1.加固改造設計基本原則和方法

1.1 結構加固的原則

結構加固的原則是在保持原有建筑結構整體穩定性和完整性的基礎上，提高其承載能力、剛度和抗震性能。首先，合理利用和充分發揮原有結構的潛力。通過評估和分析原有結構的強度、剛度和耐久性等性能，確定其承載能力和改造潛力。在加固設計中，應盡可能保留和加強原有結構的優勢，充分發揮其作用，減少對結構的破壞和改動。其次，根據結構的特點和需求制定合理的加固方案。加固方案應根據結構的工作狀態、荷載特點、結構形式和使用要求等因素來制定。在選擇加固方案時，應考慮技術可行性、經濟性和施工可行性等方面的因素，并綜合評估不同方案的優缺點。再則，采用適當的材料和技術進行加固[2]。根據加固設計方案的要求，選擇合適的材料和施工技術進行加固工作。常見的加固材料包括鋼材、纖維復合材料、碳纖維板等，而加固技術可以包括粘結鋼板加固法、增大截面法、粘貼碳纖維布加固法等。最后，加固設計應考慮結構的可維護性和可操作性。在加固設計過程中，應充分考慮結構的維護和管理需求，確保加固后的結構能夠方便進行日常維護和定期檢查。此外，加固設計應盡量簡化施工過程，提高施工效率，減少對現有使用的干擾。

1.2 加固改造方法

1.2.1 增加結構強度

為了提高建筑結構的強度，通過增加結構構件的截面尺寸或采用高強度材料，可以有效增加結構的抗彎、抗剪和抗壓能力。此外，可以通過增加構件的數量或布置方式來增加結構的重力承載能力[3]。例如，在混凝土梁的底部增加鋼梁承托或粘貼鋼板加固以提高其承載能力。還可以通過加固構件的連接方式，如增加連接件的數量、使用高強度螺栓等，提高結構的整體強度和剛度。另外，使用鋼筋混凝土套筒、纖維增強復合材料等加固材料進行包裹或加固某些薄弱部位，也是增加結構強度的有效手段。在增加結構強度時，應充分考慮結構的整體協調性和平衡性，避免出現局部過于強硬而引發其他問題。

1.2.2 增加結構剛度

結構剛度是指結構在受力過程中抵抗變形的能力，對于提高結構的整體穩定性和抗震性能至關重要。可以采用加固構件的方式，如在現有結構中添加鋼梁、鋼柱等加固構件，以增加結構的整體剛度，這種方法可以有效地提高結構的承載能力和剛度，使其能夠更好地抵御外部荷載和地震力的作用[4]。剛性節點是指在結構中設置較大的剪力墻、框架節點或剪力連接件等，以增強結構在水平方向上的剛度和穩定性，這種方法可以有效地抵抗地震力和水平荷載的作用，提高結構的整體抗震性能。此外，還可以通過提高結構的組合剛度來增加結構的整體剛度，組合剛度是指通過結構的布置和連接方式，使結構的各個部分相互協作，形成一個整體剛性體系。例如，在某些情況下，通過合理的柱網布置和梁柱連接方式，可以有效地提高結構的整體剛度和穩定性。

1.2.3 提高結構的抗震性能

地震是一種嚴重威脅建筑物安全的自然災害，因此加固改造設計必須考慮結構在地震作用下的響應和承載能力[5]。為了提高結構的抗震性能，可以加固結構的承載體系，增加其整體的剛度和穩定性，例如增加柱子、剪力墻和框架梁的尺寸和數量，增強其抗震承載能力，使結構在地震荷載下能夠更好地抵抗變形和破壞。采用加固材料和技術來提高結構的抗震性能，使用高強度混凝土或鋼材料替換原有結構中的弱點部位，以增加其強度和韌性。此外，可以采用預應力或鋼筋混凝土加固技術，通過施加預壓力或添加鋼筋來提高結構的承載能力和抗震性能。另外，增加結構的阻尼和能量耗散能力也是提高抗震性能的重要手段，通過在結構中引入阻尼器、減震器或能量耗散器等裝置，可以吸收和消散地震能量，減小結構的震動響應，提高其抗震性能和穩定性。

1.2.4 加固構件的連接與布置

加固構件的連接方式能夠確保荷載的有效傳遞，并保證連接部位的強度和剛度與原有結構相匹配。常見的連接方式包括螺栓連接、焊接連接和粘結連接等，連接部位的細節設計和施工質量也需要嚴格控制，以確保連接的可靠性和穩定性。加固構件的布置應該根據結構的受力機制和受力狀況進行合理規劃，布置的目標是在關鍵部位引入足夠的加固構件，以提供所需的強度和剛度增加[6]。加固構件的布置應避免集中加固和剛度不均勻的情況，同時考慮結構整體的平衡和協調。通過合理的布置，可以實現結構的整體優化和最佳性能。此外，加固構件的選擇和材料的使用也對連接和布置起到重要影響，根據結構的需求和設計要求，選擇合適的加固構件類型和材料，如鋼材、纖維復合材料等。同時，考慮加固構件的尺寸和形狀，以便與原有結構相協調并兼顧施工可行性。

2.結構加固改造設計分析框架

2.1 結構評估

2.1.1 結構性能評估

在進行建筑結構加固改造設計之前，對現有結構的性能進行評估是至關重要的。結構性能評估旨在了解結構的強度、剛度、穩定性和耐久性等方面的情況，以便確定加固改造的需求和方向[7]。表1 用于結構性能評估的分析，根據評估結果，可以確定結構性能存在的問題和不足，并進一步確定加固改造的重點和方向。例如，如果結構的強度不足，可以針對強度不足的部位進行加固措施；如果結構的剛度不足，可以采取增加剛度的方案進行改造；如果結構的穩定性不足，可以進行穩定性分析并采取相應的加固措施。

表1 結構性能評估分析

2.1.2 結構損傷評估

通過對結構的損傷程度和性質進行評估，可以準確了解結構的受損情況，為后續的加固改造設計提供有效的依據。在進行結構損傷評估時，需要綜合考慮多種因素，包括結構的材料性質、力學性能、施工質量以及外部荷載等。常用的評估方法包括可視檢查、結構缺陷檢測、非破壞性測試和結構監測等[8]。可視檢查是最基礎也是最常用的損傷評估方法之一，通過對建筑結構進行仔細觀察和檢查，可以發現結構表面的裂縫、變形、腐蝕和脫落等明顯的損傷跡象。同時，還可以收集和分析相關的結構使用和維護記錄，以了解結構的歷史性能和維護情況。結構缺陷檢測是一種通過特定的儀器和技術手段，對結構缺陷進行定性和定量分析的方法，常用的結構缺陷檢測技術包括超聲波檢測、紅外熱像儀檢測、雷達檢測和攝像監測等，這些技術可以幫助識別結構內部的隱蔽缺陷，如裂縫、空洞、銹蝕和松動等。非破壞性測試是一種通過施加外部負荷或能量輸入，通過觀測和記錄結構的響應來評估結構的損傷程度的方法。常用的非破壞性測試方法包括振動測試、聲發射測試、電阻測試和紅外熱成像測試等。這些方法可以測量結構的振動特性、聲波傳播速度、電阻變化和熱分布等信息，從而判斷結構的受損情況。結構監測是一種長期、連續對結構進行觀測和記錄的方法。通過安裝傳感器和監測設備，可以實時監測結構的變形、應力、振動和溫度等參數，以獲取結構的工作狀態和損傷演化過程。結構監測可以提供更加詳細和準確的損傷評估數據，為結構加固改造設計的決策提供更可靠的依據[5]。

2.2 方案選擇

2.2.1 加固方案比較與評估

加固改造設計的關鍵步驟之一是對不同的加固方案進行比較和評估，以確定最合適的方案。在進行方案比較時，需要考慮多個因素，包括技術可行性、經濟性、施工可行性和環境影響等。針對結構的具體情況，需要考慮加固材料的可用性和適用性，以及加固方法的有效性和可行性，不同的加固方案可能涉及不同的材料和技術，因此需要綜合考慮結構的特點和需求，選擇適合的技術方案。同時，加固方案應考慮施工過程中的可行性和實施難度，包括施工方法、施工時間和現場操作要求等，評估方案的施工可行性可以減少施工風險，并確保加固改造工程的順利進行。加固改造可能會產生一定的環境影響，如噪聲、粉塵、廢棄材料等。評估加固方案對環境的潛在影響，并采取相應的環境保護措施，以減少負面影響，保護生態環境。

2.2.2 經濟性評價

在選擇最合適的加固方案時，需要綜合考慮經濟性因素，以確保在滿足設計要求的同時，盡可能降低成本和資源投入。加固改造的成本對于項目的可行性和實施決策具有重要影響，經濟性評價的主要目標是通過對不同加固方案的成本和效益進行綜合分析，找到最經濟合理的設計方案。在進行經濟性評價時，需要對加固方案的成本進行評估，包括材料成本、勞動力成本、設備租賃成本以及施工期間產生的其他費用等，不同加固方案可能涉及不同的材料和施工工藝，因此需要對每種方案的成本進行詳細分析和比較。還要評估加固后建筑結構的使用壽命和維護成本，加固改造設計的目的之一是延長建筑的使用壽命并降低維護成本，通過綜合考慮結構的耐久性、維護周期和維護工作量等因素，可以對加固方案的長期經濟效益進行評估。此外，還需要考慮加固改造設計對建筑物功能和價值的影響，有時加固方案可能會對原有建筑的功能、使用空間或美觀度產生一定的影響。在經濟性評價中，需要權衡加固方案的經濟成本與對建筑物功能和價值的影響之間的關系，找到一個平衡點。

2.3 設計優化

2.3.1 結構參數優化

通過對結構參數的優化，可以使加固改造設計更加科學、高效和經濟。在進行結構參數優化時，需要考慮多個方面的因素，包括結構材料的選擇、構件尺寸的確定以及連接方式的設計。不同材料具有不同的力學性能和成本特點，因此在優化過程中需要綜合考慮材料的強度、剛度、耐久性以及成本等因素，通過合理選擇材料，可以使結構在加固后既滿足強度要求，又盡可能減少材料成本。構件尺寸的大小直接影響到結構的剛度和承載能力，在優化過程中，需要考慮不同構件的尺寸比例，以實現結構的合理布局和力學性能的優化，通過準確計算和分析，可以確定最優的構件尺寸，使得結構在加固后具備更好的整體性能。連接方式的選擇和設計直接關系到結構的剛性、可靠性和施工難度，不同連接方式的適用性，以及連接部位的設計細節，通過優化連接方式，可以提高結構的整體剛度和穩定性，同時簡化施工過程。

2.3.2 結構布置優化

結構布置直接影響到結構的穩定性、剛度分布和荷載傳遞效果。在進行結構布置優化時，需要綜合考慮以下幾個方面的因素。結構強度和剛度分布：通過合理的布置和配置構件，可以實現結構強度和剛度的均勻分布，從而提高結構的整體穩定性和承載能力。荷載傳遞路徑：結構布置應確保主要荷載沿著預定的傳力路徑傳遞，避免荷載集中或傳力路徑不清晰的問題，以提高結構的整體性能。施工可行性：在優化結構布置時，需要考慮施工的可行性和經濟性。合理的結構布置應考慮到施工過程中的可操作性，以減少施工難度和成本。

3.工程實踐分析

以最近我國南方某電視臺改造加固項目為例，能更好了解結構加固改造設計分析框架的具體實踐。該項目地下2 層，地上21 層，高度為97.75 米，總建筑面積為13.54 萬平方米，于2012 年11 月完成主體結構工程驗收后一直閑置至今。項目原設計為廣播電視使用功能，現因業主需求改變為辦公性質對外出租。在本項目設計前期，委托相關鑒定單位進行安全性鑒定，通過可視檢查、結構缺陷檢測技術現場查勘，對結構薄弱部分進行重點檢測，并提供最終檢測報告。設計人員通過檢測報告，結合結構計算模型，對現有結構進行綜合評估、分類處理，比選可行性結構加固方案并估算工程量，確定最具經濟效益的加固方案。本項目確定梁的加固原則為計算配筋較實際配筋相差40%以內采用粘貼鋼板形式加固，40%以上采用加大截面加固法，樓板采用粘貼碳纖維布補償加固處理，剪力墻加固采用扁鋼抗剪鍵+鋼板壓條+穿墻螺桿的加固形式（圖1）。地下室由于采用暗梁+空心板樓蓋結構布置，上述加固方法均存在一定施工難度，所以本項目采用在暗梁底或板底加鋼梁承托的加固形式，以提高結構的承載能力。此外，本項目在部分區域新增結構樓板，設計人員通過結構布置及連接方式優化，盡可能減少對原有結構傳力路徑的改變，同時提高結構的整體性及安全性。

圖1 剪力墻開洞加固大樣

結語：

本文通過深入研究和分析建筑結構加固改造設計，提出了一個綜合的設計分析框架，通過結構評估、方案選擇和設計優化等環節，可以有效地指導建筑結構的加固改造設計。該框架為工程實踐提供了重要的參考和指導，以期能推動建筑結構加固改造設計的發展和創新。