淺論建筑結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)常用技術(shù)的分析

王東興

身份證號(hào)碼：450122197801104539 廣西省南寧市 530021

摘要：本文闡釋了常規(guī)建筑加固與修復(fù)的主要特點(diǎn)、適用范圍和施工重點(diǎn)。結(jié)合工程體會(huì)，指出了在建筑結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)中，需要注意的一些問題。探討了國(guó)內(nèi)常用的直接加固和間接加固修復(fù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；檢測(cè)；加固；修復(fù)

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑施工中扮演著不可忽視的作用，但其會(huì)因?yàn)槟晗薜难娱L(zhǎng)和自然災(zāi)害的出現(xiàn)而造成鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度不足，所以一般而言.建筑物經(jīng)過數(shù)十年的使用就需要進(jìn)行加固維修。如何保證建筑繼續(xù)正常、安全的使用，是建筑行業(yè)亟待解決的問題。經(jīng)過工程技術(shù)人員長(zhǎng)期的努力，對(duì)建筑物原有結(jié)構(gòu)、構(gòu)件進(jìn)行改造、加固補(bǔ)強(qiáng)。逐漸形成了一套較為完善的切實(shí)可行的工程加固方法，再加上科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型建材的出現(xiàn)也為加固技術(shù)和方法的不斷創(chuàng)新、升級(jí)提供了有利的條件。

一、結(jié)構(gòu)加固的現(xiàn)狀

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家用于建筑加固改造的投資已占國(guó)家建筑業(yè)總投資的半數(shù)。20 世紀(jì)末，美國(guó)曾經(jīng)預(yù)言：建筑維修加固業(yè)將成為21 世紀(jì)最熱門的行業(yè)之一。

自上世紀(jì)70 年代末實(shí)行改革開放以后，我國(guó)各類房屋建筑以及城市設(shè)施快速增加。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)存的各類建筑總面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 億m2，其中以混凝土及砌體結(jié)構(gòu)占主流。

新中國(guó)建立初期，大量工業(yè)與民用建筑的服役期幾乎都超過50年，存在安全隱患。由于勘察、設(shè)計(jì)和施工中的技術(shù)和管理問題，一些新修建的工程項(xiàng)目在初期就存在安全隱患。如果不及時(shí)采取措施，將導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。因此，每年國(guó)家投入大量資金用于建筑的加固修復(fù)，形成巨大的市場(chǎng)空間。

在功能上，一些現(xiàn)有建筑采取舊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已不能滿足需求，促進(jìn)了建筑加固修復(fù)專業(yè)的發(fā)展壯大。特別是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，舊城改造已成為各大、中城市的共同熱點(diǎn)課題。為建筑加固修復(fù)業(yè)帶來了史無前例的機(jī)會(huì)。

二、結(jié)構(gòu)加固的傳統(tǒng)方法及特點(diǎn)

通常情況下，由于災(zāi)害（如火災(zāi)、腐蝕、凍害）或施工質(zhì)量問題或功能改變等因素，會(huì)出現(xiàn)須加固結(jié)構(gòu)承載能力不足的現(xiàn)象。多數(shù)是從提高結(jié)構(gòu)的有效受力面積出發(fā)（如加大載面法）減小截面的應(yīng)力，或者直接改變結(jié)構(gòu)的受力體系，改變其傳力途徑（如增加支撐法等）從而降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力，最終達(dá)到加固的目的。a）混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，b）砌體結(jié)構(gòu)加固方法，c）鋼結(jié)構(gòu)加固方法。根據(jù)實(shí)際條件與要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)加固方法。

目前，土建結(jié)構(gòu)常用的幾種傳統(tǒng)加固方法，主要是以下幾種：

1.預(yù)應(yīng)力加固法

指在原結(jié)構(gòu)上增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，來承擔(dān)原結(jié)構(gòu)上所受的相應(yīng)負(fù)載，從而提高原結(jié)構(gòu)的承載能力的方法。目前使用較多的主要是體外預(yù)應(yīng)力加固法。

預(yù)應(yīng)力法加固效果好，能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力。但加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響；比較適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固。但不適合混凝土收縮變大的結(jié)構(gòu)，此外，加固后需要觀測(cè)預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐問題。

2.噴射混凝土擴(kuò)大混凝土截面加固法

建筑物加固也經(jīng)常使用加大原有結(jié)構(gòu)截面積的方法來提高結(jié)構(gòu)的承載力。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的鋼性提高較多且施工成本較低，缺點(diǎn)是增大了原結(jié)構(gòu)的體積和重量，施工比較煩瑣。增大截面的混凝土層通常較薄，采用一般的混凝土施工方法很難做到混凝土自身密實(shí)，也很難達(dá)到和原由混凝土面結(jié)合牢固，因此經(jīng)常使用噴射混凝土的方法。二十世紀(jì)七十年代，我國(guó)首先在煤炭系統(tǒng)應(yīng)用噴射混凝土方法用于地下工程中。隨著技術(shù)日臻成熟，該方法在地面建筑物加固、建筑基坑和巖石邊坡護(hù)坡等工程中得到廣泛應(yīng)用，滿足了工程的需要。噴射混凝土具有以下特點(diǎn)：建筑物加固時(shí)，常采用在結(jié)構(gòu)（梁、柱、板、墻）表面增加一層鋼筋混凝土擴(kuò)大原有結(jié)構(gòu)的截面積來提高承載力。由于噴射混凝土粘結(jié)性強(qiáng)，有較高的強(qiáng)度，故與原有結(jié)構(gòu)面粘結(jié)牢固，達(dá)到共同承載的目的。在某些情況下，模板的組裝是困難的，且要大量時(shí)間做準(zhǔn)備。而采用混凝土噴射工藝，雖然每立方米噴射混凝土成本較高，但從節(jié)省的準(zhǔn)備費(fèi)用和時(shí)間上講，該法還是比傳統(tǒng)的立模澆灌混凝土經(jīng)濟(jì)適用。

3.改變受力體系加固法

包括在梁的中間部分增設(shè)支點(diǎn)（剛性支點(diǎn)或彈性支點(diǎn)），將多跨簡(jiǎn)支梁變?yōu)檫B續(xù)梁等方法。改變結(jié)構(gòu)的受力體系能大幅度降低計(jì)算彎矩，提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力，達(dá)到加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的目的。

此法簡(jiǎn)單，且效果可靠。但加固量較大，易損害建筑物的原貌和使用功能，通常還會(huì)減小建筑的使用空間。由于所增加的支撐構(gòu)件一般需要將荷載傳遞到基礎(chǔ)上，適用于整個(gè)建筑的加固。

4.粘鋼加固法

通過在構(gòu)件外側(cè)粘貼鋼板，鋼板運(yùn)用膠粘劑與原構(gòu)件共同作用，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪力，提高結(jié)構(gòu)安全性能。目前，發(fā)展最快的一種加固方法是承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎構(gòu)件的加固。

特點(diǎn)是施工便捷，僅卸荷和按要求除銹后即可施工。現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量少，加固后全天即可使用，且加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)自重、外觀尺寸和原有凈空無明顯影響，可明顯提高構(gòu)件的剛度和承載力，且價(jià)格低廉；但加固質(zhì)量很大程度上取決于膠粘劑質(zhì)量和施工的水平，特別是粘鋼后一旦發(fā)現(xiàn)空鼓，進(jìn)行補(bǔ)救比較困難。

5.外包鋼加固法

以角鋼外包于原構(gòu)件四角，角鋼間用扁鋼焊接形成整體鋼構(gòu)套的加固方法，提高構(gòu)件的承載力和延性。

一般是在要求不顯著增大構(gòu)件截面，同時(shí)又可以大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力的情況下采用，特別是結(jié)構(gòu)柱周圍裹鋼，結(jié)構(gòu)受力比較可靠，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的工作量也較小，結(jié)構(gòu)截面增加也不大。主要缺點(diǎn)是較大的鋼材用量，加大工程成本；在節(jié)點(diǎn)處理上有難度。

6.修補(bǔ)加固方法

濕式外包鋼加固法：濕式外包鋼加固，鑿除混凝土構(gòu)件結(jié)合面的酥松層、碳化層、銹裂層及嚴(yán)重污染層等，打磨修理平整，四角磨出小圓角，并用鋼絲刷刷毛吹凈。角鋼（鋼扳）及扁鋼箍除銹和粗糙處理，后用丙酮清洗。

采用環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿粘結(jié)時(shí)，先將型鋼和連接綴板焊接，在預(yù)留的灌漿孔中壓入環(huán)氧樹脂，雖然該方法加固效果較理想，但材料費(fèi)用相對(duì)較高，且不適合在環(huán)境溫度較高時(shí)采用。其改進(jìn)方法是用無骨料灌漿料替代環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿，由于無骨料灌漿料的粘結(jié)效果和強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂基本相同，而材料的收縮率及耐高溫性能卻優(yōu)于環(huán)氧樹脂，不但加固、效果相當(dāng)理想，且施工成本也大為降低。

7.對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，在選擇加固方法的同時(shí)還需選擇相應(yīng)的配套技術(shù)。其中施工技術(shù)一般有：

（1）托換技術(shù)。該技術(shù)系托梁（或析架，以下同）拆柱（或墻，以下同）、托梁接柱和托梁換柱等技術(shù)的概稱。托換技術(shù)屬于一種綜合性技術(shù)，由相關(guān)結(jié)構(gòu)加固、上部結(jié)構(gòu)頂升與復(fù)位以及廢棄構(gòu)件拆除等技術(shù)組成，適用于已有建筑物的加固改造。與傳統(tǒng)做法相比，具有施工時(shí)間短？費(fèi)用低、對(duì)生活和生產(chǎn)影響小等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)技術(shù)要求比較高，需要由熟練工人來完成，才能確保安全。

（2）植筋技術(shù)。該技術(shù)系一項(xiàng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)捷、有效的連接與錨固技術(shù)，可植入普通鋼筋，也可植人螺栓式錨筋，已廣泛應(yīng)用于已有建筑物的加固改造工程。

（3）裂縫修補(bǔ)技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)混凝土裂縫的起因、性狀和大小，采用不同封護(hù)方法進(jìn)行修補(bǔ)，使結(jié)構(gòu)因開裂而降低的使用功能和耐久性得以恢復(fù)；主要適用于已有建筑物中各類裂縫的處理，但對(duì)受力性裂縫，除修補(bǔ)外，尚應(yīng)采用相應(yīng)的加固措施。（4）碳化混凝土修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)系指通過恢復(fù)混凝土的堿性（鈍化作用）或增加其阻抗而使碳化造成的鋼筋腐蝕得到遏制的技術(shù)，目前這一技術(shù)還不夠成熟。（5）混凝土表面處理技術(shù)。該技術(shù)是指采用化學(xué)方法、機(jī)械方法、噴砂方法、真空吸塵方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油跡、殘?jiān)约捌渌街锏膶ｉT技術(shù)。

三、結(jié)構(gòu)加固的新方法及發(fā)展

由于自身的局限性，并不能滿足具體某種程度的耐久性和美觀需求，或受施工條件的限制而無法實(shí)施。全新的加固技術(shù)，如粘貼纖維復(fù)合材料加固法、鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固法、纖維材料的嵌入式加固法等，這些技術(shù)從一開始引進(jìn)和在國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用，以其優(yōu)異的性能、特點(diǎn)和加固效果取得工程界的廣泛認(rèn)可。以下重點(diǎn)說明粘貼纖維復(fù)合材料加固法：

八十年代末到九十年代初，在發(fā)達(dá)國(guó)家興起的纖維材料（FRP）加固修補(bǔ)土建結(jié)構(gòu)技術(shù)，因優(yōu)點(diǎn)多，效果顯著，已成為廣泛使用的一項(xiàng)技術(shù)，并徹底產(chǎn)業(yè)化。

根據(jù)纖維材料的差異，分為玻璃纖維材料、碳纖維材料和阿拉米德材料。其中，又以碳纖維材料CFRP最具代表性，其性能特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）性能優(yōu)良的物理力學(xué)：其抗拉強(qiáng)度為普通鋼材的10 倍以上，彈性模量相當(dāng)于普通鋼材的1.1～2.4 倍；而且纖維片材重量輕，比重僅為鋼材的1/ 4；厚度小，一般片材增強(qiáng)層厚度在0.1mm～0.2mm 之間，因此基本上不增加結(jié)構(gòu)截面尺寸和自重。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工方便：沒有濕作業(yè)和明火施工，占用場(chǎng)地小，也無需大型施工機(jī)具，因此施工方便、工效高、施工質(zhì)量容易得到保障。

（3）使用范圍廣：可用于梁、板、柱及橋梁、隧道、煙囪等多種結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)。特別是在曲面殼體和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的加固中，具有其它加固方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)，與混凝土的有效接觸面積可達(dá)100 %。

（4）良好的耐久性和耐腐蝕、抗磁性等性能特點(diǎn)。

該材料技術(shù)始于上世紀(jì)80 年代中期的土建結(jié)構(gòu)加固。1991年歐洲首先用CFRP完成了國(guó)際第一座橋梁加固后，該項(xiàng)技術(shù)在世界上迅速推廣，特別是在上世紀(jì)90 年代中期日本阪神大地震后的重建過程中，該項(xiàng)技術(shù)得到大量的應(yīng)用。

四、粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固方法

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer或Fiber Reinforced Plastics，簡(jiǎn)稱為FRP）是一種高強(qiáng)度的纖維復(fù)合材料，F(xiàn)RP材料種類主要包括碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱為CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱為GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱為AFRP），三種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，應(yīng)用最廣泛的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要為碳纖維布和碳纖維板。

1.表面粘貼纖維片材加固法

表面粘貼纖維片材加固是指用纖維片材（包括纖維布和較寬的纖維板）和配套的結(jié)構(gòu)膠將纖維片材粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的加固方法。表面粘貼纖維片材加固加固法具有施工速度快，施工干擾小，附加荷載小，不改變形狀，高強(qiáng)高效，綜合造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性，如抗火能力差，惡劣環(huán)境因素容易降低界面粘結(jié)性能，不易與相鄰構(gòu)件錨固，遭受意外荷載易損傷等缺點(diǎn)。

2.纖維板（筋）嵌入式加固法

纖維板嵌入式加固法是近幾年才提出的一種新形式的加固方法，是指將纖維板（筋）放入到結(jié)構(gòu)需加固表面預(yù)先開好的槽中，并向槽中注入粘結(jié)劑使之成為整體，以此來提高結(jié)構(gòu)性能的方法。該工法通常的作法是：在混凝土表面剔槽，在槽內(nèi)先注入約1/2的粘結(jié)劑，將纖維板放入槽中并輕壓，使纖維板被粘結(jié)劑充分包裹，再在槽內(nèi)注滿粘結(jié)材料并將其表面修復(fù)平整。與表面外貼法相比，纖維板嵌入式加固法具有施工操作簡(jiǎn)便、材料用量少、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易與相鄰構(gòu)件錨固，遭受意外荷載不易損傷等特點(diǎn)。

五、結(jié)語

目前，重大的任務(wù)是土建結(jié)構(gòu)的加固改造。伴隨建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，其加固、維修、改造的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也逾廣，各類全新的加固技術(shù)將取得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)的加固是建筑工程質(zhì)量安全保障體系的重要組成部分。嚴(yán)格遵循規(guī)范要求是建筑工程加固的前提。

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