浅析结构加固技术在改造工程中的运用

2020-01-05李志刚

科学技术创新 2020年10期

李志刚

（哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江哈尔滨150000）

建国初期，由于国内工业基础薄弱，国家集中建设了大量工业建筑，由于当时建筑材料、设计水平、施工能力、功能局限等因素限制，很多厂房在后期工艺改造中多数已经翻新或重建，在工艺改造过程中，国内的加固技术也开始萌芽发展。20 世纪90 年代，随着改革开放的深入，我国迎来了建筑物的高速发展期，各种建筑风格和建筑功能的建筑应运而生，从以砌体结构为主逐步向以钢筋混凝土结构为主转变，同时大力发展钢结构房屋建筑，工程建设取得了令世界瞩目的成绩，但由于自然灾害、工程设计、施工质量、施工管理、功能改造等原因，导致部分建成建筑物需要进行加固处理，在这个时期，结构加固技术伴随着加固材料的发展而得到快速发展。

1 结构加固技术的基本原理

1.1 结构加固的受力特点

加固构件受力与原结构构件受力不同，多数加固方法属于二次受力，由胡克定律可知，只有当后增加的结构构件发生被压缩或拉伸变形时，新增加的材料产生应力后方与原结构构件共同工作，因此，被加固构件在后续加载受力过程中，新加部分材料的应力始终滞后于原结构构件的累计应力，当原构件达到应力极限时，新增部分的材料应力还比较低，易发生逐一破坏，因此加固设计不能完全等同于新建设计，应考虑其特殊性，采取适当卸荷等措施，使新增材料部分与原结构材料共同受力，以此来保证结构安全。

1.2 新增部分与原有构件共同工作措施

新老结构的结合面处理好坏是加固工程成败的关键因素之一。结合面主要承担剪力和拉力，因此，结合面能否承担并传递这部分应力是加固效果的关键所在。

以增大截面法为例，影响新老结合面应力传递的主要因素有混凝土强度、结合面的粗糙度、界面剂的使用、以及抗剪摩擦筋的设置。（1）混凝土强度影响。根据国内外研究成果，当原有构件混凝土强度较高时，新增混凝土采用高标号混凝土可以提高结合面的粘结性能，一般提高1～2 个标号，当混凝土强度提高幅度较大时，结合面粘结性能提高并不明显。（2）结合面粗糙度影响。根据国内外研究人员对结合面的粗糙程度研究结果可知，结合面的处理方式对粘结强度影响非常大，当结合面粗糙度大时，新老结合面能够获得较好的粘结效果，但当继续增加构件粗糙度，对提高粘结性能影响不大。（3）界面剂的影响。界面剂的主要作用是通过粘结剂增加范德华力，从而提高界面结合效果。根据国内实验结果可知，环氧类对新老结合面的粘结力提高明显，水泥基类效果一般，整体来看，界面剂的使用对新老结合面均有所提高。（4）抗剪摩擦筋的设置。设置抗剪摩擦筋可有效提高结构延性和抗剪能力，有效传递结合面应力，保证结构新老构件共同受力。

2 结构加固的原因和目的

结构加固的原因主要有以下几个方面：（1）设计、施工缺陷；（2）建筑改造；（3）自然灾害、火灾等；（4）结构耐久性降低；（5）保护建筑移位。

其中建筑改造与结构缺陷处理是既有建筑改造中最常遇到的问题，既有建筑改造主要包括，增层改造、改扩建工程、加固托换工程、移位工程、纠倾工程、结构裂损加固处理等。

结构加固的目的主要是增强结构构件的强度、刚度和稳定性，保证结构改造及裂损处理的安全性，延长结构的使用期限，保证结构能够可靠工作。

3 结构加固的基本原则

为保证结构加固安全可靠、经济合理、保质保量，须遵守如下基本原则：（1）结构加固前需进行结构可靠性鉴定。根据可靠性报告确定结构损伤情况、结构材料强度、加固设计、使用年限，明确加固范围及加固内容。（2）尽量保留原有构件，避免或减少拆除。（3）制定合理有效的加固方案，缩短加固周期，减少因加固对生产工作的影响。（4）结构加固应秉持先治理后加固的原则，应先消除导致结构缺陷的因素，后加固处理。（5）在地震工况下，应避免因加固后结构局部刚度增加而产生的薄弱层转移，形成新的薄弱层和薄弱部位，影响抗震安全。（6）新老构件应保证连接可靠，结合面粘结良好，保证共同工作，协调受力。（7）加固卸载时，必须采取有效支撑措施，避免结构倾斜、开裂、坍塌，应做好相应预案。

4 结构加固方法的选择

目前国内常用的加固方法有增大截面法、外粘型钢加固法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法、增设支点加固法、预应力加固法、置换混凝土法等等，每种方法都有着其自身的适用性，加固方法的选择对整个加固工程来说至关重要。应该注意的是，静力加固主要是提高结构构件的承载能力，需要重点考虑二次受力的影响；抗震加固主要是提高结构体系的延性和整体性，加固重点在于体系加固，一般可不考虑二次受力。

增大截面法是通过增大原构件截面面积，增加纵筋和箍筋，提高构件承载力、刚度和稳定性，被广泛用于梁、板、柱、墙的加固中，尤其对于改善结构轴压比效果明显，施工简单，适应性强，当原构件混凝土强度低于C10 时，不在计入原混凝土强度，缺点是工期长，自重增加较大，结构刚度增加较多，影响室内净空和美观。

外粘型钢法是对钢筋混凝土梁、柱外包型钢、扁钢并焊成钢构架，后灌结构胶与原构件形成整体，并达到共同受力的效果，主要用于梁、柱、桁架等构件的加固处理，受力可靠，对空间影响小，缺点是耗钢量大，需要进行防火防腐处理。

粘贴钢板法是用结构胶将薄钢板粘贴于原结构表面，形成一体共同受力。主要用于梁、板加固，施工速度快、自重轻，不影响净空，使用环境温度不超过60℃，原构件混凝土强度不低于C15，缺点是需要进行防火防腐处理。

粘贴纤维复合材法是将纤维布粘贴于原构件上，与原构件形成一体，共同受力，该方法对混凝土基材强度有所要求，基材强度不应低于C15，主要适用于受弯、受剪、受拉等构件的加固，对空间影响小，施工速度快，缺点是有机胶的耐久性和耐火性问题，需要进行防火防腐处理。

增设支点法是通过设置支撑，减小结构构件计算跨度，降低内力，从而提高构件承载力，该方法受力清晰，构造简单，缺点是对建筑空间影响较大，适用于对空间不敏感的建筑。

外加预应力法是通过对钢绞线、钢拉杆、型钢施加外力，使外加钢材直接参与工作，消除应力滞后，达到与原构件共同工作的目的，适用于改善结构构件刚度，减小变形、提高梁、板、柱承载力的加固，不影响净空，使用环境温度不超过60℃，缺点是施工工艺复杂，需要进行防火防腐处理。

置换混凝土加固法是将强度低的混凝土或者孔洞、疏松较为严重的位置采用高标高混凝土替换的一种加固方法，适用于局部强度低或缺陷严重的混凝土构件，缺点是新旧混凝土粘结较差，剔凿损伤钢筋，应做好支顶措施。

以上加固方法仅为部分加固方法，还有很多加固方法，如绕丝加固法、钢绞线网片- 聚合物砂浆加固法、结构体系加固法、增设拉结体系加固法等等。

5 卸载对结构加固技术的影响

从结构加固的受力原理可知，新增部分主要是二次受力，这就影响到新增部分的承载力贡献，甚至存在发生逐个击破的风险，影响结构加固的安全性，因此，在加固施工之前，有效的卸载便成了加固效果好坏的关键因素之一。卸载加固的结构构件的承载力计算，虽然仍然是二次受力，但当将原结构恒荷和活荷通过反向作用抵消时，结构可以按一次受力进行计算。

卸载方式主要分为两种，直接卸载和间接卸载。直接卸载主要是通过减轻结构上的活荷，仅在结构自重的情况下进行加固施工；间接卸载是通过外部施加预应力反力，抵消或大幅降低结构构件上的全部荷载（包含自重），加固完成后新老构件工作受力，这种加固效果非常明显，但施工工艺相对复杂。

加固前卸载可以有效保证和提高结构加固的效果，保证新老构件的共同受力，避免发生新老构件因为应力差异而发生的逐一击破的现象。