結構加固與修復技術-鋼加固綜述

許凱龍

(廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著社會的進步和科技的發展，現代建筑也在不斷進步，對建筑的結構要求也越來越高，但是對于已建成的建筑來說，不可能全部推倒重建，所以對于原有的建筑結構進行加固是必然選擇。我國自然災害多，地震、風災、洪水自然災害幾乎每年都發生，對土木工程結構的安全構成嚴重威脅。地震具有很大的破壞力，可以使大量建筑物在瞬間損壞或倒塌，并造成各種次生災害，造成人員傷亡，帶來破壞與恐慌，是迄今人類尚難以抵御的自然災害。在地震災害調查中發現，在地震中，受損的工程結構對人類的生命和財產構成了更大的威脅。因此，對地震破壞后的結構抗震性能進行評價，研究加固修復技術具有重要的工程價值。

5·12汶川地震中，大量建筑結構遭受地震損傷。根據地震災區的調查結果，除少數地區建筑物倒塌和嚴重損壞外，受影響地區輕度或中度損壞的建筑比例相當高，特別是根據我國地震規范進行抗震設計和正常施工與使用的建筑，即使強度過大，損壞程度不同，仍能達到“中震可修，大震不倒”。對于能夠再次修復的建筑物，無論是從解決災區人民問題的緊迫性還是從災后重建的經濟角度來看，“加固、修復”比“推動重建”更合理。所以在未來的數十年內，加固勢必成為建筑業內的重要角色。在我國已成熟的各項加固技術中，鋼材料應用到加固結構在后期使用過程中都體現出了優良的抗震性能，所以本文結合鋼加固的特征具體概述幾項在實際工程中經常使用到的鋼加固技術。

1 結構鋼加固的需要

鋼材料在結構加固中無論是從應用面還是施工展現出來的優勢有很多，重要的是它在后期的結構耐久或抗震方面都起到了重要的作用，這也就是鋼材料本身優良的力學性能的體現。下面就具體的描述鋼加固的幾項特點。

1.1 適用范圍廣

現代建筑結構種類較多，其中有框架結構、混凝土結構、鋼結構等。對于這些結構進行加固的技術也有很多種，但很多由于材料或施工不能通用，但是鋼加固卻沒有這方面的限制。經過實際調查，目前在國內所有的加固結構中，均可用鋼材進行加固。相比于混凝土加固或是碳纖維布加固，鋼加固的應用面更廣。

1.2 施工方便

鋼加固的施工工序是先對所需加固的型鋼進行設計和制造，然后再對結構進行加固，所以對于鋼加固來說，簡化了在實際結構場地的加固施工工序，也節省了工地的物力和人力，尤其對于搶險工程來說，更是大幅節約了施工資源和施工時間。并且如果加固方案不滿足，很容易進行變更，只需在工廠重新制造加固所需的鋼構件，無需對原有結構改造，避免了對結構的二次破壞。

1.3 力學性能

由于鋼材本身就具有良好的力學性能，尤其體現在彈塑性能上，具有良好的變形能力。在抗震中，它良好的耗能變形能力可以發揮很大的作用，無論是抗拉或是抗壓，鋼材都能夠滿足。在地震中，建筑物所受到的力是多向的，結構所受到的約束力也必須是多向的，在力學上，鋼材加固后力學分析也正是多向的。相對于混凝土加固只能提供抗壓力和碳纖維布所提供的抗拉力，鋼加固在力學性能上的優勢是顯著的。

1.4 加固后耐久性能

建(構)筑物在長期自然環境和使用環境作用下會逐漸受到破壞，這是一個不可逆的客觀過程，見圖1曲線①。如果結構設計出現錯誤，施工維護質量較低劣，或設計時使用環境和荷載條件比預期差，結構的承載力會隨著時間急劇下降，縮短結構的使用壽命。加固、修復老化和損壞的鋼筋混凝土結構可以延長建筑物的使用壽命，如曲線①和曲線②分別代表老化和損壞的建筑物的使用壽命曲線，它們的使用壽命分別為OA和OB；在C點時同時用鋼材和混凝土進行加固修復，則形成了曲線③和曲線④，使建筑物的使用壽命延長至OE或OD，可以明顯看出，在修復后，鋼材的使用期限明顯比混凝土修復要長。所以在加固中，鋼加固的耐久性能良好。

圖1 鋼結構加固與修復耐久性示意圖

2 鋼加固在實際加固工程中的應用方法

2.1 粘鋼加固法

粘鋼法，如圖2，3所示，就是將鋼板或是鋼條通過粘貼高強建筑結構膠使其原加固結構結合成為一個整體，從而提高結構承載力的加固方法。在這種加固方法中，加固上的鋼板或鋼條代替橫向的箍筋或是縱向的鋼筋。可以提高結構的承載力和耐變能力，但對于結構的剛度幾乎不增加。

圖2 結構梁粘鋼(鋼條)法示意圖

但是在粘鋼加固中，對于加固效果影響較大的則是鋼板或鋼條和構件之間的粘結錨固性能，因此，加固構件的錨固破壞機理與如何采取措施避免錨固破壞等則是該加固方法的關鍵所在。該加固方法適用于各種缺筋少筋的鋼筋混凝土梁結構，它的優點是施工簡單，用鋼量少，對于構件的截面積影響小，缺點則是加固后的受力依賴錨固強度，效果相對來說不可靠。

2.2 外粘型鋼加固法

外粘型鋼的加固方法又稱包鋼,是通過膠栓和高強度無機粘結材料將角鋼和鋼板箍與原混凝土柱可靠連接，為了達到整體受力，共同約束原始構件，改進承載力能力要求的加固方法。

此外，因其新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱產生良好的三軸應力狀態，從而可以大幅度提高柱子的承載力。在對柱、桁架、梁和一般構筑物加固時，具有受力可靠的優點，結構和構件的承載能力可得到顯著提高，對使用空間的影響較小，施工簡單,濕作業少。

外粘型鋼和鋼板的加固方法適用于受靜力作用的受彎構件、受拉構件，不允許增加使用中構件的截面尺寸，它可以大大提高鋼筋的承載力和剛度。其優點是施工方便，現場工作量少，工期短，受力可靠，對建筑物外觀和凈空影響不大；缺點是鋼材用量大，加固維護成本高。

2.3 鋼構套加固法

鋼構套加固就是把鋼板或是型鋼包在被加固的構件(梁或柱)外側，如圖4所示。通過結構膠或是焊接的方式把型鋼以及鋼板緊密的和被加固構件結合在一起，然后在外包鋼板與構件之間充分注膠，使結合后形成的鋼構套與加固構件共同作用，從而達到提高加固構件承載力和剛度的目的。該種方法主要通過約束原有構件以提高耐變形能力，同時它也可增加構件的受彎和受剪能力。

圖4 結構柱、梁鋼構套法示意圖

鋼構套加固的優點是加固后框架柱占用的使用面積小，不改變結構外形，不影響美觀，并且加固效果很明顯，加固后對各項力學性能都能夠提升，不足是它的施工相對復雜，尤其在有焊接的時候，需要注意不能在焊接時破壞被加固的構件。缺點同樣也有用鋼量大，加固費用相對偏高。

2.4 繞絲加固法

繞絲加固法是通過纏繞退火鋼絲使被加固的受壓構件混凝土受到約束作用，進而增加其極限承載力和延性，具有增加重量少、截面形狀和尺寸變化小、對構件的環境空間要求少的優點。但缺點是矩形截面混凝土構件承載力的增加不顯著，限制了該方法的應用，其加固法常用于薄壁圓筒構件。

2.5 高強鋼筋網及復合砂漿外層加固

高強度鋼筋網片—復合砂漿外層加固法則是間接使用鋼進行加固的方法，該種加固方法用于鋼筋混凝土受彎構件和大偏心受拉構件時，具有對原有構件的修復與界面處理比較簡單，網孔力學性能較好的優點，如果使用高強度不銹鋼鋼筋，也能抵抗腐蝕性介質的作用。

3 結構鋼加固與修復的工序

加固前的鑒定。包括資料收集、整理分析、現場檢測、實驗室實驗、抗力驗算和鑒定報告的編寫等內容。

確定鋼加固的具體方案。在選擇加固修復方案時, 需要聽取使用和施工單位的意見, 選擇技術可靠、經濟合理、對使用功能影響不大、施工方便的加固和修復方案，例如選擇粘鋼、包鋼或是鋼構套。

型鋼構件的設計和加固材料的控制。根據已確定的加固和修復方案選擇型鋼材料, 進行結構計算、構造處理和繪制鋼構件圖。設計人員應該把設計的型鋼構件的力學性能交代清楚, 有利于加固后對整個結構力學性能效果的估算，同時要充分考慮到施工時型鋼構件對建筑物正常使用時的吻合性。并且在方案確定后，對于各種鋼材焊接技術要嚴格控制，并且在對鋼材粘貼時所使用的膠水反應后的粘合強度進行計算控制，保證在加固時鋼材加固在結構上的應有效果。

鋼加固的施工。其因為施工場地狹小, 受到設施管道和原有構件的限制, 施工時需要考慮到復雜性和特殊性, 做好施工組織設計, 嚴格按照計劃方案施工, 保證加固的結構膠的質量。

加固后工程驗收。加固和修繕工程完工后, 由使用單位或其主管部門驗收，對一些重要加固部位和施工質量或是鋼構的材料產生懷疑時, 需要采取必要的檢測手段對加固和修復效果進行檢驗，主要包括加固后鋼的質量和結構膠水的粘合性進行檢驗。

4 鋼加固修復的注意事項

原構件表面不平整的，先將原有的基層清理干凈，直到露出新的密實底層，如果還不平整就設法將其填補平整。

各加固方法的各種型鋼的下料必須與現場的實際情況吻合，嚴格控制型鋼尺寸，將其與加固構件匹配。

在加固時使用到建筑結構膠也要嚴格控制粘結質量，并且在施工時要注意使其黏貼緊密，在粘結完后注意要加緊錨固，使其膠水與構件充分反應，粘結牢固。

在鋼構件的焊接時，必須嚴格控制焊接的質量，并且避免在焊接時對加固構件造成的熱破壞。

在鋼構套或包鋼加固時，鋼構件的封邊必須要嚴密牢固。

5 結 語

與目前我國的經濟技術水平適宜，結構的加固和修復主要是以傳統的方法與技術為主。但是鑒于建筑結構加固修復技術的發展，特別是鋼材料為代表的加固修復技術的發展已成為主要方向，我們應該從結構的檢測、鑒定和評價到所有的加固設計、施工和工程質量相應的各個環節，建立起具體鋼加固方案，應將所有的鋼加固方法歸納分類，建立一個以鋼加固為主的適應各種結構的加固體系。從國內發展來看，土木工程結構加固上，鋼材料和鋼加固技術都得到了廣泛的關注，其發展和應用具有非常廣闊的前景。因此，在后期的結構加固與修復中鋼材料的使用成為了重要組成部分。