既有建筑结构加固技术方法探讨

2011-08-15宋凯

科学之友 2011年9期

宋凯

（1.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024；2.山西省人防建筑设计研究院，山西太原 030013）

1 引言

随着我国经济建设的快速发展以及建筑规模的不断扩大，现有城市土地将不能有效满足经济发展的要求，建筑加层加固行业也随之变为一门热门的新兴产业。合理开展加层加固技术的工程实践，有其重要的社会意义和经济意义。由于加固技术的特殊性和科学技术发展的限制，建筑加层加固行业在近几十年才被人们熟知且成熟壮大起来。

现阶段，国内外建筑物加层加固改造项目日益增多，加固技术不断创新，建筑物加层加固改造具有历史必然性。就我国而言，加固改造业已经成为国家和人民日益重视的新行业，这是由我国的国情和经济建设水平决定的。

（1）地震作用影响严重。中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震及其他自然灾害的严重性构成中国的基本国情之一。如5.12汶川大地震造成汶川及周边地区破坏严重，给人民群众生命和财产造成严重损失。2009年国家审议通过了《全国中小学校舍安全工程实施案》，决定在全国范围内实施中小学校舍安全工程，即对全国中小学校舍进行检测鉴定及加固维修。

（2）城市建筑用地紧俏，经济建设要求高回报率。在我国许多大中型城市，为了延长既有建筑的使用寿命，改变建筑使用功能和增加建筑抗震能力，投资商也将目标转向建筑加固。建筑加固将比重新兴建或出现事故再建节省了大量人力、物力和财力。

（3）偶然作用影响（如火灾、自然灾害等）。通过加固技术对建筑物改造比重新修建能节省资本，且减少财产损失。

（4）建筑物超出其本身经济意义。一些古遗址、遗迹和重要建筑等日趋老化，需要加固措施使其延长寿命。

2 加固研究现状[1]

加固技术是为了保证受损建筑物的安全使用，使其结构抗力恢复或超过原设计的理论，包括结构检测鉴定、结构设计方法、加固技术、加固施工工艺，以及方案选择与投资优化等，是一门理论与实践相结合的综合性技术。

加固技术是加固理论在加固工程中的具体应用，加固技术可大致分为以下几类：按加固方法分为直接加固、间接加固、综合加固；按功能因素分为结构功能性加固和使用功能性加固；按作用因素分为一般性加固和灾后加固；按时间因素可分为临时加固、中期加固和长期加固；按结构受力因素分为静力加固、动力加固和抗震加固。现阶段我国已颁布的混凝土加固规范及规程有《混凝土结构加固设计规范》（GB50367－2006），《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECSl46－2003），另外还有《砖混结构房屋加层技术规程》（CECS78－96），《钢结构加固技术规程》（CECS77：96），《钢结构检测评定及加固技术规程》（YB9257－96）等其他结构的加固规程。

3 加固原则

（1）既有建筑加固前必须进行结构可靠性鉴定或抗震鉴定，加固设计方案应依据鉴定结论来确定。

（2）加固计算应根据结构上的实际受力状况确定，截面面积应采取实际有效截面积，并考虑加固的应力滞后特点，以及加固部分与原结构协同工作的程度。

（3）加固应减少对原有结构的损伤，并尽量利用原有结构的承载能力。

（4）加固方案应技术可靠、经济合理、便于施工，并注意减少对生产、生活的影响。

（5）确定加固方案时，除了要研究加固范围的局部效果，还应考虑与之相关的整体效应。

4 加固方法

下面介绍几种常用的加固方法。

4.1 加大截面加固法

加大截面加固法，就是在处理原构件表面的基础上，再浇筑新的混凝土及增加钢筋来增加构件的承载力[2]，以满足加固的要求，也称为外包混凝土加固法。

加大截面加固法的主要特点是施工工艺简单、适用面广，能增大构件的刚度、承载力和变形能力[3]，可广泛应用于混凝土梁、板、柱的加固，也可用来修补开裂截面；其缺点是现场湿作业工作量大、养护期长，结合面如果处理不当就会大大降低其承载力，另外对结构外观及房屋净空也有不同程度的影响。该方法的技术特点是，在设计构造方面必须注意解决好新旧截面的整体工作、共同受力问题。加固结构在受力过程中，结合面会出现拉压弯剪等各种复杂应力，其中主要是拉力和剪力[4]。在弹性阶段，结合面的剪切应力和法向拉应力主要是靠新旧混凝土的黏结承担；出现裂缝之后直至承载力极限状态时，主要通过贯穿结合面的新增锚固钢筋或者螺栓来传递。

4.2 改变传力路径法

改变传力路径法，是将结构的内力通过加设柱、梁、墙、支撑等构件的方法，将作用在原构件上的力分担给新增构件以达到增加承载力的要求。改变传力路径法的优点是在原构件损坏程度较大的情况下能对结构进行加固，安全性较高，缺点是对建筑功能影响较大，适用面较窄。

在汶川地震之后，震后灾区的许多框架结构都有不同程度的损坏，不经过加固是无法继续使用的，所以许多房屋通过改变传力路径法进行加固。如通过加抗震墙加固框架结构，由抗震墙承重。

4.3 预应力加固法

预应力加固法，是采用高强钢筋或型钢，通过施加预应力迫使加固材料与原结构共同受力。预应力加固法特别适合于大跨度结构以及高应力、应变状态下的大型结构的加固，其优点是能改变原结构的内力分布、降低原构件的应力水平、减少原构件的裂缝宽度和挠度、消除新加杆件的应变滞后现象并显著改善结构的使用功能；缺点是在有生产热源且表面温度经常大于60℃的环境使用时，其防护处理较难，且费用较高[5]，也不适用于混凝土收缩徐变大的结构。

4.4 外包型钢加固法和粘贴钢板加固法

外包型钢加固法和粘贴钢板加固法主要用于梁、桁架、梁和一般构件需要加固的部位上，以提高承载力和刚度的加固方法。这两种方法的优点是受力可靠、能显著提高结构和构件的承载力、加固后几乎不影响使用空间、施工周期短且易操作；缺点是加固费用高且对使用环境温度有限制。使用包钢加固法时需要性能稳定且质量可靠的黏结剂，一般采用改性环氧树脂胶黏剂。加固效果很大程度上取决于胶黏工艺与操作水平。我国的结构黏结用胶生产和研制起步较晚，但发展比较快，现在很多厂家都可以生产性能优良的结构用胶，比如大连化学物理研究所、苏州混凝土制品研究院等等。目前对结构用胶的动力性能、温度影响和疲劳特性研究较少，故而黏钢加固法还局限于承受静力作用的一般受弯、受压及受拉构件的加固，且湿度比较小及环境温度不超过60℃的地区。

4.5 喷射混凝土技术加固法

喷射混凝土加固法是借助喷射机械，利用压缩空气将一定配合比的水泥、石子、砂及外加剂等拌和料，通过喷管喷射到被加固结构表面，在较短的时间内凝结硬化，达到增强的目的[6]。喷射混凝土一般使用高强混凝土外加速凝剂，可在短时间内达到较高的强度和良好的耐久性。喷射混凝土最早应用在地下结构的护壁施工，但随着喷射混凝土技术的逐步发展，喷射混凝土与混凝土、砖石、钢材都可以很好地黏结，可以在结合面传递应力并填补裂缝。

4.6 纤维复合材料加固法

纤维复合材料加固是一项比较新的应用外黏高性能复合材料的加固方法，现在应用比较多的是将碳纤维片材用专用黏结胶（环氧树脂等）粘贴与构件收拉区表面，使其与被加固构件截面共同工作以达到对结构进行加固增强的目的。

该方法显著的特点是具有耐腐蚀、潮湿、几乎不增加结构的自重、轻质高强、能适应混凝土截面弯曲的粘贴要求，在几乎不增加构件刚度和截面积的情况下大幅度提高构件的抗震性能和变形能力。缺点是要做专门的防火处理、易受人为损坏，如果黏结剂的性能不够好或者操作不当则会显著降低加固效果，并且由于该方法应用时间不长，使用经验比较少。随着生产碳纤维的技术水平越来越高，碳纤维的价格也在逐渐下降，该方法有着很广阔的应用前景。