建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固技術(shù)概述

占羅龍，揭建剛，陶武金 （豐和營造集團股份有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的日益發(fā)展，建筑工程結(jié)構(gòu)的檢測與加固已經(jīng)成為建筑科學的重要工作。當今涌現(xiàn)了許多新型材料及新型結(jié)構(gòu)，這使得高層、超高層、大跨度建筑項目日益增多。建筑結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土和鋼材，在使用過程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足會引起結(jié)構(gòu)性能的劣化[1]，鋼結(jié)構(gòu)會銹化腐蝕，防火涂料也會脫落，也會引起鋼結(jié)構(gòu)不同程度的劣化[2]。對具有剪力墻的高層結(jié)構(gòu)，剪力墻工作過程中的偏移、剛度下降，會影響整個建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中由于外荷載、沉降以及人為等因素會使得結(jié)構(gòu)不再具有原有的工作能力，這時就需要對結(jié)構(gòu)進行安全檢測評定，對一些破壞嚴重或者不能繼續(xù)工作的結(jié)構(gòu)就需要采取加固措施。Hai-qing等[3]在結(jié)構(gòu)加強檢測中采用了光纖光柵傳感原理；Giurgiutiu等[4]在用FRP材料對混凝土結(jié)構(gòu)加固檢測中采用壓電晶片活躍傳感器技術(shù)；M.Saafi[5]采用壓電換能器對結(jié)構(gòu)健康進行檢測。我國的檢測與加固技術(shù)起步比較晚，這些技術(shù)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到全面、從局部構(gòu)建到整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，這也使得檢測技術(shù)和加固技術(shù)在不斷更新，以便滿足現(xiàn)代建筑質(zhì)量的新要求。我國20世紀50年代興建的房屋、碼頭等建筑已經(jīng)進入老齡服役期[6]，結(jié)構(gòu)檢測與加固技術(shù)對保證建筑質(zhì)量安全起到了積極的作用，也為節(jié)約社會成本及資源起到了一定的作用。

2 建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固的目的

建筑物是日常生活和社會發(fā)展不可或缺的部分，它應滿足在規(guī)定時間內(nèi)，在正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維修的條件下，應滿足安全性、適用性、耐久性的要求。當建筑在使用的過程中，不能滿足上述要求或?qū)ι鲜鲆螽a(chǎn)生疑惑時，就應該及時對建筑結(jié)構(gòu)進行檢測。因此，建筑結(jié)構(gòu)檢測的目的就是了解建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性是否滿足相應要求，以便為日后結(jié)構(gòu)維修加固提供依據(jù)，以便延長建筑的使用壽命。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)檢測的主要任務

在了解檢測依據(jù)、標準及相應技術(shù)資料的情況下，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的強度及材料的工作性能進行檢測，還應將結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻對結(jié)構(gòu)進行合理對照，檢測建筑結(jié)構(gòu)是否按照設(shè)計文獻進行施工的。對建筑整體或部分結(jié)構(gòu)的位移、變形進行檢測，同時也要對結(jié)構(gòu)的剛度、強度及穩(wěn)定性進行相關(guān)檢測，從而對建筑的結(jié)構(gòu)有一個整體認識。已建成建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計文件是否一致，人為因素的不利影響，施工中的缺陷及程度。

我國大批工業(yè)廠房、公共建筑和民用建筑，已經(jīng)進入中老壽命期，加固改造任務已提上日程。上述檢測的延續(xù)工作就是結(jié)構(gòu)的維修加固，建筑結(jié)構(gòu)維修加固的目的主要是提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性，并滿足結(jié)構(gòu)的使用功能和安全性，降低事故發(fā)生的概率，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，結(jié)構(gòu)加固也是對原有受力結(jié)構(gòu)進行加固補強，從而滿足新的使用要求及安全性，并節(jié)約成本，減少投資。在保障建筑延續(xù)使用、國家財產(chǎn)安全和人民生命財產(chǎn)安全方面起到了積極的作用。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)檢測的主要任務

檢測對象按結(jié)構(gòu)類型可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測、砌體結(jié)構(gòu)檢測、鋼結(jié)構(gòu)檢測、木結(jié)構(gòu)檢測等[7]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測可采用混凝土強度回彈法（采用洛氏硬度為60±2的剛鉆上）、取芯法、超聲波法、超聲回彈綜合法。砌體結(jié)構(gòu)檢測可采用原位單剪法、軸壓法、原位單磚雙剪法、筒壓法。鋼結(jié)構(gòu)檢測可采用表面硬度法、超聲波無損檢測法、結(jié)構(gòu)性能實荷檢測與動測、射線檢測、渦流檢測、結(jié)構(gòu)靜力實荷試驗法（不適用于冷彎型鋼、壓型鋼板、鋼——混組合、普通抗彎疲勞檢測）。木結(jié)構(gòu)檢測可采用木材抗彎強度試驗法、木材含水率測定法。對于有些需測定建筑結(jié)構(gòu)整體受力性能，則可進行結(jié)構(gòu)的整體使用性能、承載力、破壞性的靜力實荷檢驗。其中，使用性能的檢測主要用于驗證結(jié)構(gòu)在規(guī)定荷載的作用下不出現(xiàn)過大的變形和損傷。承載力檢驗主要驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的承載力是否達標。破壞性檢驗主要用于確定結(jié)構(gòu)的實際承載力。此外，還有對建筑結(jié)構(gòu)撓度檢測、結(jié)構(gòu)傾斜檢測、結(jié)構(gòu)不均勻沉降檢測、裂縫檢測。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)加固的任務

校正結(jié)構(gòu)變形后的位移及變形并盡可能恢復結(jié)構(gòu)原有的工作特性。對有損傷或不滿足現(xiàn)有工作能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用加固技術(shù)維修；整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)加固應盡量保證結(jié)構(gòu)的實際工作特性；原有建筑物使用功能和要求的改變，需要對其進行改造與加固[8]。

2.4 常用結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

近10年來結(jié)構(gòu)維修加固飛速發(fā)展，逐漸發(fā)展成為一門新的學科，許多加固技術(shù)逐漸走向成熟。目前，我國采用的傳統(tǒng)加固技術(shù)[9]如下。

加大截面法。加大截面加固技術(shù)（也稱外包混凝土加固技術(shù)），此方法是加大構(gòu)件（同種材料）的截面面積，以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，從而達到提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的目的。加大截面法在我國是一種傳統(tǒng)的加固方法，可廣泛用于混凝土、磚混結(jié)構(gòu)的梁、板、柱、墻等構(gòu)件的加固。此加固方法的優(yōu)點是可靠性強，工藝簡單，缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量很大，養(yǎng)護期較長，對生產(chǎn)和生活有很大影響，對原有結(jié)構(gòu)的外形和房屋使用空間會造成一定影響。根據(jù)不同的加固目的和要求，此技術(shù)又分為加大斷面為主的加固和加配筋為主的加固，或者兩者兼?zhèn)涞募庸獭?/p>

體外預應力加固技法。體外預應力加固法（也稱無粘結(jié)預應力加固法），就是在混凝土體外設(shè)置拉桿或撐桿對混凝土結(jié)構(gòu)施加預應力。這樣對結(jié)構(gòu)強制施加力后，改變了原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、降低結(jié)構(gòu)原有的應力水平，使得結(jié)構(gòu)加固中所特有的應力應變滯后現(xiàn)象得到很好的消除。這種加固方法具有加固、卸載、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的效果，主要用于大跨度結(jié)構(gòu)加固或者采用一般方法無法加固（或加固不是很理想）的較高應力應變狀態(tài)下的大型結(jié)構(gòu)加固。其有施工方便、經(jīng)濟可靠，預應力束可以單獨防腐或可以更換等優(yōu)點。

外包鋼加固法。外包鋼加固（也稱粘結(jié)外包型鋼加固法）是以型鋼（一般為角鋼、扁鋼）外包構(gòu)件四角或兩角的加固方法。分為濕式和干式兩種情況，外包型鋼與構(gòu)件之間是采用乳膠水泥粘貼或環(huán)氧樹脂化學灌漿等方法粘結(jié)，使型鋼與原結(jié)構(gòu)共同受力稱為濕式外包鋼加固法。外包型鋼與構(gòu)件之間沒有任何粘接，外包型鋼與元構(gòu)件不能共同工作，只能單獨受力稱為干式外包鋼加固法。外包鋼加固方法受力比較可靠、施工簡便，適用于柱、梁及高層建筑加固。但是，這種方法用鋼量較大，二次維修費用較高。

托梁拔柱加固技術(shù)。托梁拔柱是托屋架拔柱、托梁拆墻及托梁拔柱的統(tǒng)稱，是在不拆或少拆上部結(jié)構(gòu)的情況下實施拆除中部柱或墻的一項綜合性技術(shù)[3]。還包括相關(guān)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)、上部結(jié)構(gòu)頂升技術(shù)、斷柱技術(shù)及預應力技術(shù)。主要適用于一些因生活及生產(chǎn)需要改變平面布局、使用空間的老房屋和老廠房的改造工程。這比傳統(tǒng)去頂蓋改造相比，具有改造時間短、對生活和生產(chǎn)影響小、費用較低等優(yōu)點，其缺點是技術(shù)要求較高，安全措施要相當嚴格。

增設(shè)支點加固法。增設(shè)支點加固法是通過增加支撐點來減少受彎結(jié)構(gòu)的計算跨度，達到減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力和提高結(jié)構(gòu)的承載水平的加固方法。該方法簡單可靠，但容易損害原建筑使用空間，需根據(jù)實際工程情況采用此方法。分為剛性支點和彈性支點兩種情況。

粘貼纖維復合材料加固法。這種加固方法類似于外包鋼加固法，只是把鋼材換成纖維材料。近10年來，隨著對纖維材料的不斷研究，纖維材料用于建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)也日漸成熟。最具代表性就是復合高強纖維材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱 FRP），其應用較廣，技術(shù)也比較成熟，F(xiàn)RP在加固混凝土結(jié)構(gòu)中主要有三種破壞形式[10]：片端剝離（張開型破壞）、純彎段剝離（滑移型破壞）、彎剪段剝離（混合型破壞）。除此之外還有玻璃纖維（GFRP）、碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）等加固材料。相比于傳統(tǒng)加固材料，纖維材料具有強度高、耐腐蝕、不改變原有結(jié)構(gòu)的自重和外形、施工簡便，適用于很多類型結(jié)構(gòu)的加固，不過這種加固方法成本較高，有些關(guān)鍵性技術(shù)還有待突破。

3 我國在建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固領(lǐng)域存在的問題

①建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固整個體系還不完善。我國在這方面起步比較晚，理論基礎(chǔ)較薄弱。隨著建筑行業(yè)不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固工程逐漸趨向成熟，并向?qū)W科化、專業(yè)化邁進。但是整個體系還不夠完善，有待進一步加強提高相關(guān)細部的粘合度。建立結(jié)構(gòu)檢測與加固準則、標準及建立較為完善的數(shù)據(jù)庫，這些都有待進一步的研究和探索。

②建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固采用的設(shè)備也相對陳舊老化，以至于不能很好地滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)檢測與加固的需求。質(zhì)量好、精度高、性能穩(wěn)定、操作方便的儀器是高質(zhì)量檢測與加固工作的保證。在這方面，我們國家與一些發(fā)達國家有著明顯的差距，特別是在數(shù)字化檢測儀器設(shè)備方面。加大對建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固的投入顯得很有必要。

③我國結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力驗算仍在沿用設(shè)計規(guī)范，在擬建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)的分項系數(shù)及組合系數(shù)選擇上存在很大不同，這直接影響到結(jié)構(gòu)的工作能力。因此，對既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)準則應考慮既有結(jié)構(gòu)的工作特點，并進行新的模擬分析和理論研究。一些舊的設(shè)計理論與標準不再適用于現(xiàn)在的建筑設(shè)計中，亟待修訂。

④建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固相關(guān)的資料很缺乏。在結(jié)構(gòu)檢測與加固技術(shù)相關(guān)的資料文獻相對較少，沒有明確的劃分領(lǐng)域?，F(xiàn)在可查的一些資料也相對較為陳舊，技術(shù)在不斷地更新，建立該領(lǐng)域完善的資料庫是一個值得探討的問題。

⑤加快對新型材料的研究與運用。國外在對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測過程中采用纖維感應技術(shù)，這些仿生材料的發(fā)展前景很廣。現(xiàn)在用的FRP加固材料，很難測得其在混凝土表面加固端破壞的類型，F(xiàn)RP-混凝土界面的破壞的模型有待改進。我國生產(chǎn)的一些新型加固材料在質(zhì)量方面也有很多不足，特別是強度得不到保證。

4 結(jié)語

目前，我國加大了對建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固工程的投入，這會刺激其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與突破。建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固是建筑工程領(lǐng)域中重要的一個分支，也是維護結(jié)構(gòu)正常工作、延續(xù)建筑使用壽命的重要手段。應對我國的現(xiàn)狀，提高建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固水平，并在此基礎(chǔ)上不斷完善既有建筑結(jié)構(gòu)的檢測與加固規(guī)范，形成一個有理論深度、實質(zhì)數(shù)據(jù)齊全、可用性高的完善體系是很有必要的。