建筑結(jié)構(gòu)損傷與修復(fù)加固的研究進(jìn)展

佘　思

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院, 云南昆明 650201)

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建筑結(jié)構(gòu)損傷與修復(fù)加固的研究進(jìn)展

佘思

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院, 云南昆明 650201)

文章主要針對建筑結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)問題進(jìn)行總結(jié)，概述了近年來的建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測以及修復(fù)加固的方法，從損傷原因、檢測方法、修復(fù)加固技術(shù)、加固原則、對未來的展望等五個主要方面對建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固方法進(jìn)行了闡述和概括。

工程結(jié)構(gòu)；損傷原因；檢測方法；修復(fù)加固技術(shù)

在新中國現(xiàn)代化建設(shè)歷史上，建筑領(lǐng)域占著不容小覷的比例。建筑結(jié)構(gòu)在中華五千年發(fā)展歷程中有著悠久豐厚的歷史，從天壇、故宮屹立百年、風(fēng)雨不摧到如今現(xiàn)代化發(fā)展，各色高樓林立于中華故土。這些建筑要經(jīng)受自然災(zāi)害、使用年限、意外事故、人為因素等各項嚴(yán)苛條件的考驗。由于建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用要求的變化，為響應(yīng)中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建筑結(jié)構(gòu)的損傷檢測、修復(fù)加固應(yīng)用也日益重要。

1　國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀問題

我國既有建筑項目近百萬個，建筑面積約數(shù)十億平方千米。隨著大量現(xiàn)代化建筑的出現(xiàn)，一些古老文明的標(biāo)志性建筑的保留、原有建筑物的改造加固問題隨之而來。在國外，如丹麥用于加固改造和新建工程的投資比例已經(jīng)是6∶1；據(jù)美國勞工部門的調(diào)查，加固改造業(yè)正在成為該國最受歡迎的9個行業(yè)之一；瑞典自1983年后，建筑業(yè)總投資的50 %以上用于建筑的診斷與維修加固改造業(yè)；英國1978年用于建筑物維修、加固改造的投資是1965年的3～8倍[1]，近年增長更快。因此建筑物結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)和加固問題，日益成為世界建筑領(lǐng)域關(guān)注和研究的焦點。

2　建筑結(jié)構(gòu)損傷的原因及檢測應(yīng)用

2.1損傷的原因

建筑結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)重、尺寸大的特征。我國房屋設(shè)計使用年限一般為50年，房屋極易隨自然變化、人為因素等影響損傷破壞。我國有2/3[2]的大城市處于地震區(qū)，風(fēng)災(zāi)平均每年毀壞房屋超過30萬間，水災(zāi)損失更是難以準(zhǔn)確統(tǒng)計，火災(zāi)平均每年發(fā)生火災(zāi)超過6萬起[3]，建筑物火災(zāi)就占火災(zāi)總數(shù)的60%，這些災(zāi)害使不少建筑物提前毀壞。地形地質(zhì)條件勘測不完整，地基勘測和建設(shè)過程中的誤差，后天的使用和管理不當(dāng)，均會折減建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。舊建筑物的改建、擴建和古老建筑的整體遷移等都會使建筑結(jié)構(gòu)受到損壞。

2.2損傷檢測方法與應(yīng)用

2.2.1基本方法

建筑結(jié)構(gòu)損傷的檢測是進(jìn)行可靠性鑒定的基礎(chǔ)，目前在現(xiàn)場檢測方面有表1所列的技術(shù)。

2.2.2建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測的研究進(jìn)展

近十幾年來，若干國際大型會議如IMAC(國際模態(tài)分析會議)、國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測專題學(xué)術(shù)討論會(每兩年一次在斯坦福大學(xué)召開)、英國的工程體系識別國際會議、歐洲新材料和結(jié)構(gòu)專題學(xué)術(shù)討論會[6]等都把結(jié)構(gòu)的損傷診斷和健康監(jiān)測作為研究重點，世界各國的建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)之路將繼續(xù)延伸。張傲、唐朝暉、柴波[7]基于以往研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易損性的經(jīng)驗總結(jié)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法,考慮了落石災(zāi)害強度(速度、能量和軌跡)，提出了定量的易損性分析流程與方法；焦敬品、孫俊俊[8]等根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷機理和信號特征的理論分析，優(yōu)化出試件差頻分量和頻分量幅值隨著激勵信號變化的混頻檢測參數(shù)，得出結(jié)構(gòu)微裂紋混頻非線性超聲檢測方法，在優(yōu)化檢測參數(shù)的基礎(chǔ)上混頻檢測可以很好的做到結(jié)構(gòu)微裂痕的檢測與定位；岳健廣、錢江[9]通過結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值計算分析真實損傷破壞細(xì)節(jié)，用有限單元耦合模型，基于能量平衡原理，正確反映出整體結(jié)構(gòu)的承載力、變形情況和局部損傷破壞細(xì)節(jié)。許煌昊、劉朝等[10]針對框架結(jié)構(gòu)在地震作用絕對加速度響應(yīng)部分能觀測部分，通過采用擴展卡爾曼估計和遞推最小二乘法對一層以上擴展?fàn)顟B(tài)和未知力進(jìn)行遞推，再用結(jié)構(gòu)頻率特征方程對一層結(jié)構(gòu)參數(shù)估計，最后用數(shù)值求解微分方程，能很好地識別結(jié)構(gòu)參數(shù)和地震輸入，并成功識別出未觀測的地震作用。

表1　現(xiàn)場檢測技術(shù)

3　建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的基本方法

隨著我國建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種新技術(shù)與新材料應(yīng)用層出不窮，目前基本方法應(yīng)用如表2所示。

表2　我國建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固基本方法

3.2加固技術(shù)的研究進(jìn)展

建筑結(jié)構(gòu)的加固和改造，是在20 世紀(jì)中葉以后[11]真正發(fā)展的。1976年唐山地震后頒布了TJ 23-77《工業(yè)與民用建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》、GBJ 117-88《工業(yè)構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》、YBJ 219-89《鋼鐵工業(yè)建(構(gòu))筑物可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》等； 20世紀(jì)90年代以后頒布的CECS 77:96《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》、JGJ 116-98《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》等一系列標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程，1908年后修訂了GB 50144-2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》等[3]。20世紀(jì)80年代航天領(lǐng)域提出 “智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”概念[12]：將碳纖維或?qū)щ娂{米材料摻入水泥漿，從而具有自感知特性[13]，可以在原有建筑在使用進(jìn)程中自動“報告”自身狀況，以便及時作出補救和修復(fù)。中國建筑科學(xué)研究院自20世紀(jì)90年代起[14]，開展了結(jié)構(gòu)加固與防護(hù)材料研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究，有力地推動了混凝土結(jié)構(gòu)加固保護(hù)材料的長足發(fā)展。碳纖維[15]、玻璃纖維、玄武巖纖維等纖維材料的應(yīng)用研究在近年發(fā)展迅猛。魯效堯[16]在框架梁、板、柱節(jié)點的加固修復(fù)方面，將碳纖維加固與角鋼結(jié)合，演變更有效的加固方法，證明了增加碳纖維的層數(shù)也能提高節(jié)點的承載力；黃鏡渟等[17]用有限元分析軟件，提出了有角度玻璃纖維加固純混凝土柱的屈服應(yīng)力應(yīng)變和屈服時柱軸向、徑向位移的計算公式，在理論上取得突破；許向南[18]通過理論實驗推導(dǎo)，提出了經(jīng)過玄武巖纖維布加固后的鋼筋混凝土連續(xù)梁的抗彎承載力公式與剛度公式。萬福磊[19]用有限元評估各加固方案的技術(shù)可靠性；祝百茹[20]對加固前后砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的全過程進(jìn)行仿真模擬，增強了結(jié)構(gòu)抗震能力；李冉[21]用PKPM計算分析砌體結(jié)構(gòu)受力特點，選擇了適合的加固方案等。

4　建筑結(jié)構(gòu)改造加固進(jìn)展方向和展望

4.1國內(nèi)外建筑產(chǎn)業(yè)進(jìn)展方向

當(dāng)前我國發(fā)展生產(chǎn)已從興建轉(zhuǎn)移到對已有技術(shù)改造階段。據(jù)資料統(tǒng)計，我國改建比新建節(jié)約投資約40 %，工期縮短50 %，收回投資的速度比新建產(chǎn)房快3～4倍，民用建筑的改造和修復(fù)需求也日益迫切。無房、缺房和不便用戶仍然達(dá)20 %以上， “一五”期間，我國更新改造資金只占同期建設(shè)投資的4.2 %，逐年倍增，到“七五”期間為54 %[3]。由此看來，國家用于舊建筑物的修復(fù)加固和改造費用是逐漸增加的。

4.2結(jié)論和展望

多年以來，建筑結(jié)構(gòu)的檢測鑒定、修復(fù)加固與改造技術(shù)日趨發(fā)展完善，但仍然存在諸多問題有待解決：

(1)在建筑結(jié)構(gòu)的損傷檢測中，單一的檢測方法或者單音頻的超聲大法控制已不能滿足研究要求，需要深入混合檢測的研究，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化組合；

(2)由于現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的特殊需求，建筑物增層、改擴建、抽柱托換、砌體結(jié)構(gòu)承重墻托換等方面的技術(shù)以及建筑物整體位移技術(shù)、糾傾技術(shù)還缺乏系統(tǒng)的研究，應(yīng)對改建、擴建工程合理結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)方案的研究更加深入；

(3)纖維加固法是新興領(lǐng)域，尤其玄武巖纖維的研究進(jìn)展還處在起步階段，還需更多穩(wěn)步成熟的研究。

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佘思(1992～)，女，碩士，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)與加固。

TU746.3

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[定稿日期]2016-05-10