既有建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)方法探討

宋 凱

（1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省人防建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展以及建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有城市土地將不能有效滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，建筑加層加固行業(yè)也隨之變?yōu)橐婚T熱門的新興產(chǎn)業(yè)。合理開展加層加固技術(shù)的工程實(shí)踐，有其重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。由于加固技術(shù)的特殊性和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的限制，建筑加層加固行業(yè)在近幾十年才被人們熟知且成熟壯大起來。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外建筑物加層加固改造項(xiàng)目日益增多，加固技術(shù)不斷創(chuàng)新，建筑物加層加固改造具有歷史必然性。就我國而言，加固改造業(yè)已經(jīng)成為國家和人民日益重視的新行業(yè)，這是由我國的國情和經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平?jīng)Q定的。

（1）地震作用影響嚴(yán)重。中國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震及其他自然災(zāi)害的嚴(yán)重性構(gòu)成中國的基本國情之一。如5.12汶川大地震造成汶川及周邊地區(qū)破壞嚴(yán)重，給人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。2009年國家審議通過了《全國中小學(xué)校舍安全工程實(shí)施案》，決定在全國范圍內(nèi)實(shí)施中小學(xué)校舍安全工程，即對全國中小學(xué)校舍進(jìn)行檢測鑒定及加固維修。

（2）城市建筑用地緊俏，經(jīng)濟(jì)建設(shè)要求高回報(bào)率。在我國許多大中型城市，為了延長既有建筑的使用壽命，改變建筑使用功能和增加建筑抗震能力，投資商也將目標(biāo)轉(zhuǎn)向建筑加固。建筑加固將比重新興建或出現(xiàn)事故再建節(jié)省了大量人力、物力和財(cái)力。

（3）偶然作用影響（如火災(zāi)、自然災(zāi)害等）。通過加固技術(shù)對建筑物改造比重新修建能節(jié)省資本，且減少財(cái)產(chǎn)損失。

（4）建筑物超出其本身經(jīng)濟(jì)意義。一些古遺址、遺跡和重要建筑等日趨老化，需要加固措施使其延長壽命。

2 加固研究現(xiàn)狀[1]

加固技術(shù)是為了保證受損建筑物的安全使用，使其結(jié)構(gòu)抗力恢復(fù)或超過原設(shè)計(jì)的理論，包括結(jié)構(gòu)檢測鑒定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、加固技術(shù)、加固施工工藝，以及方案選擇與投資優(yōu)化等，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性技術(shù)。

加固技術(shù)是加固理論在加固工程中的具體應(yīng)用，加固技術(shù)可大致分為以下幾類：按加固方法分為直接加固、間接加固、綜合加固；按功能因素分為結(jié)構(gòu)功能性加固和使用功能性加固；按作用因素分為一般性加固和災(zāi)后加固；按時(shí)間因素可分為臨時(shí)加固、中期加固和長期加固；按結(jié)構(gòu)受力因素分為靜力加固、動力加固和抗震加固?，F(xiàn)階段我國已頒布的混凝土加固規(guī)范及規(guī)程有《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367－2006），《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECSl46－2003），另外還有《磚混結(jié)構(gòu)房屋加層技術(shù)規(guī)程》（CECS78－96），《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》（CECS77：96），《鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程》（YB9257－96）等其他結(jié)構(gòu)的加固規(guī)程。

3 加固原則

（1）既有建筑加固前必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性鑒定或抗震鑒定，加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)依據(jù)鑒定結(jié)論來確定。

（2）加固計(jì)算應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)上的實(shí)際受力狀況確定，截面面積應(yīng)采取實(shí)際有效截面積，并考慮加固的應(yīng)力滯后特點(diǎn)，以及加固部分與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的程度。

（3）加固應(yīng)減少對原有結(jié)構(gòu)的損傷，并盡量利用原有結(jié)構(gòu)的承載能力。

（4）加固方案應(yīng)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、便于施工，并注意減少對生產(chǎn)、生活的影響。

（5）確定加固方案時(shí)，除了要研究加固范圍的局部效果，還應(yīng)考慮與之相關(guān)的整體效應(yīng)。

4 加固方法

下面介紹幾種常用的加固方法。

4.1 加大截面加固法

加大截面加固法，就是在處理原構(gòu)件表面的基礎(chǔ)上，再澆筑新的混凝土及增加鋼筋來增加構(gòu)件的承載力[2]，以滿足加固的要求，也稱為外包混凝土加固法。

加大截面加固法的主要特點(diǎn)是施工工藝簡單、適用面廣，能增大構(gòu)件的剛度、承載力和變形能力[3]，可廣泛應(yīng)用于混凝土梁、板、柱的加固，也可用來修補(bǔ)開裂截面；其缺點(diǎn)是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大、養(yǎng)護(hù)期長，結(jié)合面如果處理不當(dāng)就會大大降低其承載力，另外對結(jié)構(gòu)外觀及房屋凈空也有不同程度的影響。該方法的技術(shù)特點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)構(gòu)造方面必須注意解決好新舊截面的整體工作、共同受力問題。加固結(jié)構(gòu)在受力過程中，結(jié)合面會出現(xiàn)拉壓彎剪等各種復(fù)雜應(yīng)力，其中主要是拉力和剪力[4]。在彈性階段，結(jié)合面的剪切應(yīng)力和法向拉應(yīng)力主要是靠新舊混凝土的黏結(jié)承擔(dān)；出現(xiàn)裂縫之后直至承載力極限狀態(tài)時(shí)，主要通過貫穿結(jié)合面的新增錨固鋼筋或者螺栓來傳遞。

4.2 改變傳力路徑法

改變傳力路徑法，是將結(jié)構(gòu)的內(nèi)力通過加設(shè)柱、梁、墻、支撐等構(gòu)件的方法，將作用在原構(gòu)件上的力分擔(dān)給新增構(gòu)件以達(dá)到增加承載力的要求。改變傳力路徑法的優(yōu)點(diǎn)是在原構(gòu)件損壞程度較大的情況下能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，安全性較高，缺點(diǎn)是對建筑功能影響較大，適用面較窄。

在汶川地震之后，震后災(zāi)區(qū)的許多框架結(jié)構(gòu)都有不同程度的損壞，不經(jīng)過加固是無法繼續(xù)使用的，所以許多房屋通過改變傳力路徑法進(jìn)行加固。如通過加抗震墻加固框架結(jié)構(gòu)，由抗震墻承重。

4.3 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法，是采用高強(qiáng)鋼筋或型鋼，通過施加預(yù)應(yīng)力迫使加固材料與原結(jié)構(gòu)共同受力。預(yù)應(yīng)力加固法特別適合于大跨度結(jié)構(gòu)以及高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)下的大型結(jié)構(gòu)的加固，其優(yōu)點(diǎn)是能改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、降低原構(gòu)件的應(yīng)力水平、減少原構(gòu)件的裂縫寬度和撓度、消除新加桿件的應(yīng)變滯后現(xiàn)象并顯著改善結(jié)構(gòu)的使用功能；缺點(diǎn)是在有生產(chǎn)熱源且表面溫度經(jīng)常大于60℃的環(huán)境使用時(shí)，其防護(hù)處理較難，且費(fèi)用較高[5]，也不適用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。

4.4 外包型鋼加固法和粘貼鋼板加固法

外包型鋼加固法和粘貼鋼板加固法主要用于梁、桁架、梁和一般構(gòu)件需要加固的部位上，以提高承載力和剛度的加固方法。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是受力可靠、能顯著提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力、加固后幾乎不影響使用空間、施工周期短且易操作；缺點(diǎn)是加固費(fèi)用高且對使用環(huán)境溫度有限制。使用包鋼加固法時(shí)需要性能穩(wěn)定且質(zhì)量可靠的黏結(jié)劑，一般采用改性環(huán)氧樹脂膠黏劑。加固效果很大程度上取決于膠黏工藝與操作水平。我國的結(jié)構(gòu)黏結(jié)用膠生產(chǎn)和研制起步較晚，但發(fā)展比較快，現(xiàn)在很多廠家都可以生產(chǎn)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)用膠，比如大連化學(xué)物理研究所、蘇州混凝土制品研究院等等。目前對結(jié)構(gòu)用膠的動力性能、溫度影響和疲勞特性研究較少，故而黏鋼加固法還局限于承受靜力作用的一般受彎、受壓及受拉構(gòu)件的加固，且濕度比較小及環(huán)境溫度不超過60℃的地區(qū)。

4.5 噴射混凝土技術(shù)加固法

噴射混凝土加固法是借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣將一定配合比的水泥、石子、砂及外加劑等拌和料，通過噴管噴射到被加固結(jié)構(gòu)表面，在較短的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化，達(dá)到增強(qiáng)的目的[6]。噴射混凝土一般使用高強(qiáng)混凝土外加速凝劑，可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度和良好的耐久性。噴射混凝土最早應(yīng)用在地下結(jié)構(gòu)的護(hù)壁施工，但隨著噴射混凝土技術(shù)的逐步發(fā)展，噴射混凝土與混凝土、磚石、鋼材都可以很好地黏結(jié)，可以在結(jié)合面?zhèn)鬟f應(yīng)力并填補(bǔ)裂縫。

4.6 纖維復(fù)合材料加固法

纖維復(fù)合材料加固是一項(xiàng)比較新的應(yīng)用外黏高性能復(fù)合材料的加固方法，現(xiàn)在應(yīng)用比較多的是將碳纖維片材用專用黏結(jié)膠（環(huán)氧樹脂等）粘貼與構(gòu)件收拉區(qū)表面，使其與被加固構(gòu)件截面共同工作以達(dá)到對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固增強(qiáng)的目的。

該方法顯著的特點(diǎn)是具有耐腐蝕、潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)的自重、輕質(zhì)高強(qiáng)、能適應(yīng)混凝土截面彎曲的粘貼要求，在幾乎不增加構(gòu)件剛度和截面積的情況下大幅度提高構(gòu)件的抗震性能和變形能力。缺點(diǎn)是要做專門的防火處理、易受人為損壞，如果黏結(jié)劑的性能不夠好或者操作不當(dāng)則會顯著降低加固效果，并且由于該方法應(yīng)用時(shí)間不長，使用經(jīng)驗(yàn)比較少。隨著生產(chǎn)碳纖維的技術(shù)水平越來越高，碳纖維的價(jià)格也在逐漸下降，該方法有著很廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

既有建筑在加固過程中要結(jié)合本工程的特點(diǎn)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和施工，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造要求確定最優(yōu)加固方案，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下選擇最簡便的施工技術(shù)和最經(jīng)濟(jì)的施工材料。隨著加固材料不斷改進(jìn)，加固技術(shù)必然帶來更顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]姚繼濤等.建筑物可靠性鑒定和加固——基本原理和方法科學(xué)出版社，2003.

[2]孫蘊(yùn)春.舊有建筑加固方法綜合運(yùn)用之初探[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[3]馬志強(qiáng).西寧體育館結(jié)構(gòu)可靠性分析與加固方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[4]周希茂.增大截面法加固鋼筋混凝土框支架的非線性有限元分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5]朱東鶴.昆山長江聯(lián)合大廈續(xù)建工程的加固處理研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[6]刑宇鋒.外貼碳纖維布加固受彎鋼筋混凝土梁的數(shù)值分析模擬研究與理論分析[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2006