建筑結構加固設計綜述

沈壘　蘇予

摘 要：本文從加固的原因、特點、基本原則、常用加固方法等幾方面對建筑結構加固設計進行論述，并指出了建筑結構加固設計的注意事項，最后對建筑結構加固需要完善的地方提出了幾點看法，以期為相關學者提供借鑒。

關鍵詞：結構加固；加固方法；加固設計

中圖分類號：TU746.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0103-03

Summary of the Design of Building Structure Reinforcement

SHEN Lei1 SU Yu2

（1.SIPPR Engineering Group Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450006；2. Henan Design & Research Institute of National Defence Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： This paper discussed the reinforcement design of the building structure from the reinforcement of the reasons， characteristics， basic principles， common reinforcement method， and pointed out that strengthening design of building structure， and need to be perfected and put forward some views on building structure reinforcement， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： structure reinforcement；strengthening methods；reinforcement design

改革開放以來，我國建筑工程行業得到快速發展，各種建筑工程的建設極大地推動了祖國的現代化。但同時我們也應當看到，目前我國很多建筑在使用多年后出現了不同程度的材料劣化和結構損傷，無法滿足結構的安全性、適用性及耐久性的要求。既有建筑的鑒定加固已然成為熱門，相應的建筑結構加固設計也逐漸獲得重視。

1 建筑結構加固的原因

建筑結構需加固的原因主要有以下幾個方面[1]：①設計失誤、施工不當、功能變化及維護缺失等原因導致建筑結構無法正常使用；②建筑結構遭受突發災害（如地震、爆炸、火災、風災等）；③長期在不良的工作環境中作用，導致結構內部發生變化（如處于高溫、酸、堿、溫差、凍融循環等）；④相關部門對設計標準和使用要求的變化。

2 建筑結構加固的特點

①建筑結構加固受到原有結構設計的制約。建筑結構加固是對固有的建筑結構進行改造，因此，在進行結構加固設計時，必然會受到原有設計參數的制約，如截面尺寸、截面形式等。這就要求設計人員根據加固結構的檢測結果與現場條件提出合理的加固方案，并與其他施工人員密切配合，互相協調，只有這樣，才能保證結構加固實現安全、合理、經濟及適用的目標。

②應力、應變的滯后性[2]。結構在加固前已存在荷載作用，構件存在一定的彎曲變形和壓縮變形，截面應力及應變一般來說均處于較高水平。而此時，新施加部分只有在新增加荷載時受力才開始，這會引起新施加部分相對于原結構在應力、應變上有所滯后，致使新舊結構應力峰值不能同步。因此，加固應力指標超過一定限值的結構時，需要采取有效的卸荷措施，否則將達不到預期的加固效果。

③加固結構可以理解為疊合結構，新舊結構兩者間存在協同工作時的同步受力問題[3]。結構協同工作的關鍵取決于新舊結合面的構造處理與施工方法，因為結合面混凝土的粘結強度一般總低于混凝土本身的強度，因此，一般來講，疊合結構相比于全現澆結構的承載力要差一些。在結構加固設計中，必須采取措施保證新舊部分之間的有效結合。

④在結構設計過程中，為保證結構具有良好的工作和受力性能，結構設計理論及相關設計規范對構件之間的剛度比都有一定的要求。在進行結構構件的加固時，不能僅僅考慮局部受損構件的加固設計，而應基于整體結構進行結構受力后工作性能的分析，保證結構的薄弱部位不因發生變化而產生安全隱患。

3 建筑加固設計基本原則

3.1 結構可靠度鑒定先行的原則

在進行結構加固設計前，首先需要進行結構鑒定工作。具體操作時應對既有結構進行材料力學性能驗證、材料質量核驗及承載力調研，也就是說要充分搜集既有結構在最初建造時的設計和施工的相關資料。通過現場對工程實體所做的各種檢測驗證搜集的各項資料，做好數據記錄及對比，如果現場檢測表明搜集到的一些資料與實際情況不符，則需要對此進行再次核實。若核實后仍不滿足需要，則應以實測數據為準。在此基礎上，依據調查所得數據對結構進行可靠性鑒定，準確評定出結構的現狀和加固的范圍。

3.2 荷載取值與承載力驗算的原則

加固設計時，必須遵循荷載取值與驗算承載力的原則[4]。

一般來說，加固結構的荷載驗算應按照結構實際所承受的荷載進行驗算。進行結構加固設計計算時，加固結構的荷載取值可依據現行國家規范《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）的相關條文取用。

進行結構承載力核算時，計算簡圖的確定應按照現有結構的實際構件尺寸及受力狀態取用，構件的截面積應按照實際構件的有效面積取用（也即考慮構件的銹蝕損傷缺陷等各種不利作用）。計算時，還必須考慮結構加固時的真實受力狀態、加固部分與原結構的協同工作效應和加固部分的受力滯后特點等因素，對加固部分的各種材料強度設計值進行相應折減。

3.3 材料的選用和取值原則

為使加固設計后結構協同工作良好，選用的加固材料的性能和種類應盡量與原有結構相適應[5]。鋼筋優先采用HPB300、HRB335級別的，扁鋼、鋼板、型鋼和鋼管優先采用Q235號鋼或者16號錳鋼。加固用的水泥宜優先選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，水泥標號不小于32.5號，優先選用微膨脹型水泥。加固用的混凝土標號應比原有結構構件高出一級，若原構件、結構混凝土標號較高（如大于C40）時，加固用混凝土標號可與原結構標號一致，但需要采取相應技術措施使新舊混凝土充分結合。加固所采用的化學灌漿材料和粘結材料的強度（粘結強度）應超出被加固結構混凝土的強度。

3.4 結合抗震設防的原則

多數因年代久遠而需加固的結構在設計階段并未考慮抗震設防，為使建筑結構在發生地震時具有一定的安全儲備，應結合抗震規范進行加固，使結構具備抗震性能。

3.5 整體分析的原則

加固設計時應對原有結構的實際受力狀況和加固完成后的受力特點進行全面分析，將加固后的結構作為一個整體進行計算分析，而不是僅僅分析加固部分，以保證新舊結構連接可靠、傳力明確。

4 常用加固方法

常用的結構加固方法可分為三類：直接加固方法、間接加固方法和綜合加固方法。盡管不同的加固方法有不同的計算理論和計算方法，但其本質都是依據結構狀態函數進行分析研究，如公式（1）所示[1]：

Z=R-S （1）

式（1）中，Z表示功能函數；R代表結構的抗力；S代表荷載的效應。

結合式（1），為使功能函數大于0，可采取以下三種方法：①保持荷載的效應S恒定，提高結構的抗力R，這就是直接加固方法的思路；②保持結構的抗力R恒定，降低荷載的效應S，這就是間接加固方法的思路；（3）同時提高結構的抗力R和降低荷載的效應S，這是綜合加固方法的思路。

4.1 直接加固法

用以直接提高建筑結構的節點或者構件的承載能力的方法稱為直接加固法。直接加固法的明顯特征是加固后結構將進入二次受力狀態。加固后新結構的承載能力并非簡單的新舊結構抗力的疊加。

4.1.1 增大截面法。增大截面法是借助提高構件配筋率或者加大構件截面積的方法來提升結構的強度、剛度、穩定性。該方法工藝簡單、適應性強、后期維護成本低，故實際工程中應用較為普遍。該方法的不足之處包括現場有大量工作需要濕作業，較長的養護時間，截面增大對構件外觀和建筑凈空也有一定影響。

設計時要注意對結構整體進行分析，不能僅考慮局部加強，避免導致結構局部薄弱層的出現。此外，由于構件質量和剛度的變化較大，應注意使結構固有頻率的變化處于合理區間。

4.1.2 外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固方法是在鋼筋混凝土柱、梁等構件四周采用型鋼（槽鋼或角鋼）進行加固。該方法具有截面尺寸增加不多、構件承載力大幅提高、施工簡便、工期短的優點。但是，外包型鋼需做好防腐處理，以提高其耐久性。

4.1.3 預應力加固法。預應力加固法是使用外加型鋼撐桿或預應力鋼拉桿對結構進行加固處理。該方法兼具改變結構內力、卸荷和加固三種效果，特別適合對大跨結構進行加固和常規方法處理不好的高應力狀態加固。撐桿或拉桿的連接是其關鍵技術，錨固承載力不能小于撐桿或拉桿自身的承載能力。

4.1.4 增設支點加固法。該方法是借助增加支點來降低構件計算跨度，最終實現降低構件內力及提升構件承載力。該法適用于板、梁、網架、桁架等水平向結構的加固。

4.1.5 粘貼碳纖維布加固法。該方法是借助膠結材料將碳纖維布粘貼在混凝土構件表面，與原有結構成為整體并共同受力，提高原有結構的抗剪能力和抗彎能力，達到結構補強的目的。碳纖維布非常適合在高酸、堿、鹽及大氣腐蝕的環境中使用。

4.2 間接加固法

間接加固方法是通過改變結構整體布置，轉換或削減結構內力。其本質是通過減少外界作用達到提高結構安全度的目的。

4.2.1 改變使用功能法。使用功能不同，則荷載不同，可借助此法減少荷載的輸入，以提高結構安全度。例如，將倉庫（5kN/m2）改為常規房間（2kN/m2）。

4.2.2 減隔震法。利用減隔震的相關技術，減少或阻止對結構或構件的外力作用，稱為減隔震法。例如，在結構中增設約束屈曲支撐、機床上樓采用隔震加固法、打樁工程采用隔振溝。

4.3 綜合加固法

綜合加固法就是同時借助若干種加固方法提高結構構件的某項性能。該方法的優點是可以利用不同加固方法之間的長處。利用這種方法是獲得加固最優性價比的合理途徑。其基本思路如下。①借助某一種方法的優勢。例如，預應力加固法可克服其他方法所不能克服的應力應變滯后等問題，甚至可使裂縫閉合。②彌補某一種加固方案的缺點。例如，增加支點及托梁拔柱可有效減小構件所受到的內力，提高安全度和構件性能，但該方法將造成使用上的不便，需要借助其他方法彌補該缺陷。

5 結語

建筑結構加固設計是否合理對最終工程質量和經濟效果影響重大。目前，我國建筑結構加固設計已進入了新階段，但結構加固還存在著諸多需要注意的問題：①加強對加固設計基礎性理論的研究；②完善混凝土結構加固的技術標準；③加強結構加固專業軟件的開發。

參考文獻：

[1]黃春華，胡新麗.結構加固的現狀與探討[J].廣東建材，2008（2）：13-16.

[2]張益多，劉榮桂.混凝土結構加固技術研究及應用綜述[J].江蘇大學學報（自然科學版），2003（6）：91-94.

[3]杜秀潔.混凝土結構加固設計分析[J].包鋼科技，2006（1）：74-76.

[4]劉凌云.混凝土結構加固技術研究及工程實踐[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[5]郭健.鋼筋混凝土結構加固改造方法的研究及工程應用[D].長沙：湖南大學，2005.