结构加固在既有建筑改造中的应用

2022-06-03伏立志

工程建设与设计 2022年9期

关键词：型钢粘贴支点

伏立志

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 100024）

1 引言

既有建筑结构改造是延长建筑物使用寿命的重要方式。既有建筑的结构受到老化等因素的影响，稳固性变差，会增加该建筑存的安全隐患。因此，研究既有建筑结构加固，逐渐受到相关人员的重视。

2 既有建筑结构加固改造原则

2.1 整体性原则

在应用既有建筑结构加固改造技术时，方案设计人员需遵循整体性原则制订建筑结构加固方案。首先，整体分析既有建筑的原始结构，以此为基础确定建筑结构加固改造方案，使改造方案满足结构加固需求并具有可行性，为实际技术应用创造基础条件。其次，了解该既有建筑内各构件的情况，明确构件的数量并分析构件对建筑稳定性的影响程度。若设计人员未仔细检查所有构件，难以发现构件中存在的问题，会导致改造方案的实际应用效果难以达到预期标准。最后，考察待加固建筑的实际情况，结合原有结构特点确定加固方案，减小加固改造对原有建筑结构的影响。遵循整体性原则制订改造方案是解决既有建筑结构不稳定问题的主要方式，可降低既有建筑材料老化对建筑安全性的消极影响，为技术应用创造良好的基础条件并优化技术应用效果。

2.2 合理性原则

合理性原则是制订既有建筑结构加固改造方案需遵循的原则之一。为保证改造方案的科学性，相关人员应将该原则与整体性原则相结合确定改造方案，实现提高建筑结构稳定性的目标。制订科学合理的改造方案可改善既有建筑原结构的性能，强化既有建筑的结构质量。

制订科学的改造方案前，需开展以下工作：首先，分析既有建筑结构的受力情况，找出既有建筑结构的薄弱点，将薄弱点结构加固改造作为改造工作的重点，使改造方案满足既有建筑的结构加固需求[1]。其次，严格按照计算步骤与计算公式得出建筑结构加固改造的具体规格，以计算结果为依据对改造方案进行细化，提高结构加固改造方案的合理性。

合理性原则与整体性原则是在建筑结构加固改造方案制订中必须遵循的原则，也是合理应用技术高质量地完成建筑加固改造项目的基础，可使改造方案满足既有建筑结构加固改造的需求，又提高改造方案的整体可行性，使改造后的建筑具有较强的稳定性。

3 既有建筑结构加固技术

3.1 加大截面加固法

加大截面是加固既有建筑结构的主要方法，这种加固方法常用于建筑混凝土结构外层加固。应用该方法加固后的建筑构件截面扩大，原有部件材料与加固材料形成统一的整体，实现结构加固的目标。使用增大截面加固法，需要计算待加固部位的抗剪承载力。抗剪承载力Vu由承载立柱提供，将建筑物承受的荷载传递给基础结构，再通过基础结构传递给地基，其承载力在一定程度上取决于横断面尺寸和材料强度。其数值通过式（1）计算：

式中，μ 为摩擦系数；Avf为穿过加固面的钢筋总面积；fy为钢筋屈服强度。

求得的抗剪承载力对确定扩大面积有重要参考作用。可以采用扩大建筑结构受拉主筋面积，提高建筑结构部件的抗弯能力与刚度的方法进行加固法。应用该加固方法时，需保证加固板厚度超过4 cm，加固梁厚度超过6 cm，且加固材料的强度高于原部件材料强度。在实际应用技术之前，需将原有部件表面凿毛，并保证深度在6 mm 以上，彻底清除原部件的密实部分。除此之外，还应注意新增钢筋与原结构钢筋保持2 cm以上的距离，减少原有结构对技术应用效果的影响。

3.2 置换混凝土加固法

置换混凝土法是大多数既有建筑结构加固改造的常用方法，该方法通过使用新材料替换原有混凝土，以改善原有建筑结构的稳定性。混凝土是建筑结构的主要组成部分，因此，置换混凝土技术被广泛应用于建筑结构加固项目中。置换混凝土技术应用流程图如图1 所示。技术应用人员需熟练掌握技术应用流程，保证技术应用效果。

图1 置换混凝土技术应用流程图

在选择置换材料时，技术应用人员需遵循以下原则：（1）检验建筑原有混凝土的性能，确保置换材料的性能高于原材料，应用该技术后可有效提高原有建筑结构[2]；（2）既有建筑结构加固改造工期短，在技术应用期间保持建筑内的空气质量至关重要，因此，所用新材料需具备较高的环保性与安全性，在完成加固改造工作的同时减少改造工作对建筑周围环境的不良影响。

3.3 黏结外包型钢加固法

黏结外包型钢加固法是一种新型建筑结构加固法，这种加固法是通过在固定位置粘贴型钢构件提高原有建筑结构的稳定性，对提高建筑结构整体性具有重要作用。该技术应用流程如图2 所示，技术人员需掌握各环节的技术要点，保证技术应用效果与加固要求相符。

图2 黏结外包型钢加固工艺流程

刚度是材料在受力时抵抗弹性变形所具备的能力，计算黏结外包型钢的截面刚度EI 近似值的公式为：

式中，Ec0为原建筑构件混凝土的弹性模量；Ic0为原构件截面惯性矩；Ea是加固型钢的弹性模量；Aa加固型钢一侧截面面积；aa是型钢两侧截面之间的间距。

在采用湿式外包钢加固法时，需考虑二次受力的影响，并确定折减型钢的强度，折减系数取值一般为0.9，有助于提高计算结果的准确性。在使用黏结外包型钢加固技术时，需维持周边环境低于60 ℃，空气相对湿度小于70%，且原结构混凝土强度等级高于C15。与此同时，所选型钢的材料厚度应在2～6 mm，厚度超过标准会提高型钢粘贴的难度。除此之外，当钢板表面用水泥抹面且型钢粘贴位置为梁时厚度小于2 cm，当粘贴位置为板时，厚度不应超过1.5 cm。

3.4 粘贴碳纤维加固法

粘贴碳纤维也是既有建筑结构常用加固方法之一，在应用这种加固技术时，技术人员将备好的碳纤维材料粘贴到原有建筑结构中，常用于加固建筑结构中的薄弱部位。粘贴碳纤维加固建筑结构的具体流程如图3 所示，技术应用人员需按照该流程开展既有建筑结构加固改造工作，充分发挥该技术的建筑结构加固作用。在应用该技术时，技术人员要掌握以下技术要点：（1）粘贴碳纤维的厚度需与建筑结构加固改造项目实际需求向适应，并在裁切碳纤维时使用钢直尺与壁纸刀。（2）将树脂与固化剂按照标准比例调配并装入适当盛放容器中进行搅拌，保证调和量可在时间范围内使用完毕[3]。调和剂第一次涂抹称为下涂，当碳纤维的规格为200 g/m2时，涂量应为400～500 g/m2，碳纤维规格为300 g/m2涂量为500～600 g/m2。第二次涂抹也称为上涂，所用调和剂的量分别为100～200 g/m2与200～300 g/m2。粘贴碳纤维加固后，既有建筑结构的抗压强度应大于40 MPa，抗剪强度大于10 MPa，抗拉强度大于30 MPa。

图3 粘贴碳纤维技术应用流程图

3.5 预应力结构加固技术

预应力结构加固技术是一种新型的建筑结构加固工艺，应用该技术时技术人员通过加固结构中的水平杆使其形成轴向张力达到加固目标，这种技术能够克服加固施工产生的部分外荷载效应，相较于其他技术加固效果更好。该技术应用过程中如若出现水平拉杆与构件紧密贴合的现象，需将二者共同绕曲，两杆处非紧密贴合状态时不能进行绕曲，会对技术应用效果产生消极影响。该技术需要对构件与水平拉杆组成的复合超静定结构体系的内力进行计算，并在此基础上求出截面承载力，水平杆的拉力由预应力与新增荷载共同组成。下撑式拉杆加固的原理为将拉杆的轴向力传递至被加固构件，借此抵消部分外力荷载，并将原有构件变为偏压构件。在实际既有建筑结构加固改造工作进行中，应用该技术加固效果明显，但由于发展时间短，技术尚未成熟且大部分技术人员不能熟练掌握技术要点，影响技术的实际应用效果。

3.6 增设支点加固技术

增设支点加固技术也是加固既有建筑结构的有效方法，这种技术通过增强原有结构的支撑力实现结构加固的目标，提升既有建筑的安全性与稳定性。常用的增设支点加固技术有刚性支点加固与弹性支点加固两种，技术人员在实际工作中需结合项目的实际情况合理选择增加支点的方式。选择增加支点方式后，技术人员需确定项目所需添加的支点数量，计算建筑结构承受的实际压力，以此得出各截面的承载力，依据计算结果确定增设支点的方案，提高原有建筑结构的支撑力。除此之外，技术人员在计算压力数值时，需考虑支撑结构的竖向变形，得出合理的建筑结构承受压力波动范围。