淺談建筑結構加固設計

文／劉紅麗 中機中聯工程有限公司 上海 200135

引言：

哪些情況下會涉及到建筑結構加固設計呢？簡單總結一下：（1）已有建筑已達到其設計使用年限，想繼續使用，經過結構鑒定需要做加固設計的情況；（2）建筑結構出現一定程度上損壞，如結構出現裂縫、結構碳化、腐蝕等經過結構鑒定需要做加固設計的情況；（3）建筑使用功能發生改變或增加，如增加電梯、設備房間等，需要在原結構上增開洞口、增設新的結構構件的情況；（4）工業建筑工藝設計調整，荷載增加，荷載分布改變，原構件不滿足設計要求的情況；（5）施工過程中失誤或錯誤，造成如材料強度等級不滿足設計要求的情況等。導致建筑加固的原因有很多，在進行加固設計之前一定要全面細致的了解。

1.加固設計的意義

1.1 提升建筑物的耐久性

房屋建筑都是有一定的使用年限的。受人們的日常生活習慣及外界因素的影響，建筑物的壽命也會因此縮短。在日常使用中，建筑物的結構會在一定程度上被損壞，導致其外表和最初的樣子不一樣，也會產生，例如裂縫，鋼筋混凝土結構的碳化和腐蝕，建筑物的整體沉降等問題，這些問題都會影響人們的日常生活，甚至威脅人民的生命財產安全。通過對建筑物進行合理的加固設計，可以提高建筑的耐久性，延長建筑物的使用年限。

1.2 提升建筑物整體性和穩定性

隨著人民對于房屋建筑的質量要求越來越高，全面提升房屋建筑的抗震性能就越為重要，特別是在我國一些地形復雜的地方，一些特殊的地形地貌，尤其是在地震活動區域，對于房屋的防震性能有著很高的要求。因此，我們要對房屋建筑的關鍵結構進行技術改造，使其抗震性能持續提升，從而使人民群眾的財產和生命得到更多的保障。

1.3 提升建筑物的經濟價值

通過對建構筑物的加固與改造，可以使原有建筑物價值得到提升。隨著社會的進步，人們對物質生活，生產，功能使用等方面需求的提高，我們可以對既有建筑物的外觀、結構、生產工藝、周邊環境進過規劃、鑒定、設計、改造與加固施工后，改變原有的業態（使用功能），比如：經過市場調研，在某城市區域不適合設立商城的可以通過改造與加固改成酒店、寫字樓、住宅等；亦或是某工廠由于生產工藝過時，產能低下，不能滿足市場需求需要轉型升級或進行工藝和技術改造，比如：引進高科技先進生產線替代既有工藝，或總體轉型升級，工改商（將既有工廠改成商業價值的商場、辦公樓、寫字樓等）、工改住（將既有工廠改成住宅樓）、工改工（將既有工廠轉型改成其它產業的工廠）等。總之，通過對既有建筑物的改造與加固，即節約工期、成本、資源再利用減少亂費，價值升級快，滿足了環境改善、功能需求、價值提升等多方面的需求。

1.4 與周邊環境的融合

加固改造工程除了給人民提供一個合適的居住環境，還要兼顧城市發展的協調性，因為老舊建筑與現代化風格有所不同，工程要保證改造后的建筑符合現代化城市的新面貌。另外，建筑行業除了建造新建筑外，還對老建筑加固結構改造，特別是對文物建筑進行修繕，是建筑行業應該承擔的責任，對于時代來說也具有重要的意義。

2.加固設計原則

在混凝土結構加固前，應進行結構鑒定，確定是否需要加固及加固方案。結構鑒定包括可靠性鑒定和抗震鑒定，可靠性鑒定側重于結構的安全性和正常使用性；抗震鑒定側重于房屋的綜合抗震能力及整體性。在建筑結構加固設計的過程中，應遵循以下幾個方面：（1）要提高對建筑物整體性的重視，確保加固設計的各方面參數都符合現行規范要求；（2）要重視經濟性與合理性。加固設計不僅需要對具體的加固方法進行慎重考慮，保證加固設計的合理性，同時還需要控制成本造價，使得經濟效益能夠達到理想水平；（3）要遵循必要性的原則。加固設計中要考慮施工作業的難度，結合造價成本因素，在評估結構是否需要采取加固處理措施的過程中，應遵循必要性的原則。針對不同構件分層實施必要加固措施、需要加固及不需要加固這三種不同等級的措施，同時應優先考慮必須要加固構件的位置，從而提高建筑的整體性、穩定性。（4）要遵循先檢測后加固的原則。在施工作業開始之前，需要對房屋整體結構的質量展開檢測，一般情況下是要檢測需要加固結構和建筑物構件兩個方面內容，借助專業檢測技術和設備確定其中存在問題，并制定有效的解決措施。在實際檢測工作中，檢測人員必須要了解房屋建筑材料構件和房屋的具體結構設計，針對結構中容易出現破損或者已經破損嚴重的位置，采取科學的技術手段展開加固處理，提高房屋建筑整體的穩定性。

3.加固設計程序

加固工程工作程序進行：原結構可靠性和抗震鑒定、加固方案選擇、加固施工圖設計、施工圖審查、施工、竣工驗收。

3.1 原結構可靠性鑒定

結構加固前，應收集現有設計圖紙、計算書、詳細的巖土工程勘察報告竣工驗收原始資料等；調查建筑結構現狀與原始資料符合程度、施工質量和維護狀況、并進行必要的檢測；當資料不全時，應根據鑒定的需要警醒補充和實測。

3.2 原結構抗震鑒定

按照建筑結構的特點、結構布置、構造和抗震承載力等因素，采用相應的鑒定方法，進行綜合抗震能力分析并做出評價，對不符合抗震鑒定要求的建筑提出相應的抗震減災對策和處理意見。

3.3 加固方案的選定

加固方案應按照結構鑒定結論，結合結構特點及施工條件，按照安全性、可靠性、經濟性合理原則確定。結構的靜力加固著重于提高結構構件的承載能力；抗震加固著重于提高結構的延性和增強房屋的整體性；地基基礎加固成本較高，施工復雜，宜采取措施不動或少動地基礎。

3.4 施工

加固施工應采取措施避免或減少損傷原結構構件。施工前應按設計要求及結構特點編制施工組織設計，施工嚴格按相應工藝標準進行質量控制。

4.加固設計計算原則

混凝土結構加固設計應采用線彈性分析方法計算結構的作用效應。設計加固混凝土結構時，需要進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的設計及驗算。結構的計算模型應與實際受力和構造狀態相符。結構、構件的尺寸，對原有部分應采用實測值；對新增部分，可采用加固設計文件給出的設計值。驗算結構、構件承載力時，應考慮原結構在加固時的實際受力狀況，包括加固部分應變滯后的特點，以及加固部分與原結構共同工作程度。加固后改變結構傳力路線或導致結構質量增大時，應對相關結構、構件及建筑物地基基礎進行必要的驗算。有抗震設防要求的結構、構件的加固，除應滿足承載力要求外，尚應復核其抗震能力；不應存在因局部加強或剛度突變而形成的新薄弱部位；同時，還應考慮結構剛度增大而導致地震作用效應增大的影響。

5.加固方法

加固方法的選擇應根據實際條件和使用要求，進行多方案比較，按技術可靠、安全適用、經濟合理、方便施工的原則擇優選用。混凝土結構常用的加固方法如下：

5.1 增大截面加固法

采用這種加固方法，其主要方式就是增大原結構構件的截面面積或增配鋼筋，進而增強了構件的抗彎、抗剪、抗扭剛度，提高了其承載力能力和穩定性。該方法在墻、柱、梁、板及一般構筑物的加固中應用范圍較廣。增大截面加固法主要包括以下幾方面應用優勢：此法適應性強，施工工藝簡便。另外，該法發展較早，具有成熟的施工經驗。但是，在具體的施工中，也要注意這種方法的弊端，它施工工期長，屬于濕作業，構件尺寸的增大會減少房屋的凈空也會影響其他構件的受力性能。

5.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固就是用結構膠粘劑將薄鋼板粘貼在原構件的混凝土表面，使之形成具有整體性的復合截面，進而提高其承載能力的一種加固方法。該法適用于鋼筋混凝土構件的正截面受彎、斜截面受剪、受拉及大偏心受壓構件的加固。當鋼筋混凝土構件截面內力有拉壓變換時，不建議采用此法加固。與其他加固方法相比，粘貼鋼板加固法優點如下：第一，此法施工簡單技術操作也比較成熟，不需要占用太多的空間，所以在實踐中具有很好的操作性；第二，此法縮短了施工時間，可以應用于結構比較復雜的加固環境；第三，用此法加固原構件，構件自重增加小，且不改變結構構件的外形，不影響建筑物的使用空間；最后，粘貼鋼板加固技術在實際應用中也具有很好的經濟效益，而且其成本低廉，可拓展其應用范圍。但其弊端也比較明顯，一是對環境溫度和濕度的要求較高，比鋼筋混凝土截面加大加固法的溫度和濕度要求標準要高，鋼板需要進行防腐和防火處理，膠黏劑有機膠也要滿足耐久性和耐火性的要求；其次，在澆注鋼膠時，要防止漏水導致的內部充填不良，在實際操作中，不能保證鋼板與鋼板之間的焊接是否因為高溫而損壞，從而導致黏合結構的損壞。因此，對于鋼板的受力程度，不能準確地判定，所以，在具體的施工中，需要根據具體的情況來確定。從鋼結構本身的特性出發，采用粘貼鋼板加固可以在一定程度上提高房屋建筑結構的總體強度，避免施工中由于疏忽引起的混凝土荷載不足而產生裂縫。采用粘貼鋼板加固技術，可以極大地提高混凝土結構的承載力，而且在加固工作結束后，還可以盡量減少新的裂紋，同時，利用鋼板本身的抗拉強度特性，可以提高建筑的承載力和抗剪性能，進而達到更好的加固效果。

5.3 粘貼碳纖維復合材料加固法

粘貼碳纖維復合材料加固技法就是將碳纖維布或碳纖維板用結構膠黏劑貼于鋼筋混凝土構件表面，使之形成具有整體性的復合截面。從而提高結構的承載力和延性的一種直接加固法。該法適用于鋼筋混凝土受彎、受壓及受拉構件的加固。說說該法的優缺點，該加固方法施工成本低，經濟效益高，由于其自身的高強度和耐腐蝕性，可以有效地減少外部環境對整個房屋的破壞。且對整個結構的影響很小，在不增大截面面積的情況下，可以改善構件的承載能力。加固后的混凝土構件抗腐蝕、耐久性等性能得到了明顯的改善。該法同樣有有機膠的耐久性和耐火性的問題。粘貼碳纖維復合材料加固，因其施工簡便、易于操作、實用性強而成為工程中比較理想的加固方法，在實際房屋建筑加固工程中使用此法加固的較多。

5.4 置換混凝土加固法

這種結構加固方法是剔除原構件強度低或有缺陷區段的混凝土，同時澆筑砼品種但強度等級較高的混凝土進行局部加強，使原構件的承載力得到恢復的一種直接加固法。置換混凝土加固法用于受壓混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的梁、柱等承重構件的加固；使用中受損傷、高溫、凍害、侵蝕的構件加固；由于施工錯誤導致混凝土強度不能滿足設計要求的構件加固。此方法由于是在置換部位注入一定數量的新混凝土，新老混凝土之間粘結能力較差，且剔鑿易傷及原構件的混凝土和鋼筋，屬于濕作業施工。但用此法加固后能恢復原貌，不影響使用。

5.5 增設支點加固法

在房屋建筑結構加固設計中，增設支點加固法也比較常見，此法就是用增設支撐點來減小結構構件的計算跨度，達到減小結構構件內力及相應提高結構整體承載力的加固方法。適用于對適用空間和外觀效果要求不高的網架、桁架、梁、板等水平結構構件的加固。增設支點加固法在網架等相關水平結構的加固工程中應用的比較多，支點包括柔性和剛性兩種類型。應用增設支點加固法必須要按照建筑實際需求選擇合適的支點，確保此法能夠起到有效的加固作用。設計時應加強對結構內力的科學把控，盡量減少原結構構件的二次受力、使得建筑結構的承載性能得到有效增強。

5.6 外加預應力加固法

外加預應力加固法是通過體外預應力，使原結構、構件的受力得到改善或調整的一種間接加固法。原理是在預應力與外力的聯合作用下，在拉桿中產生軸向拉力，該拉力由桿端錨偏心地傳遞給受彎構件，由此產生偏心壓力，該壓力的產生能消除局部外荷載所引起的彎矩，由此增加了受彎構件的彎矩，減小了外荷效應，有效地控制了裂縫的產生和發展。適用于原構件剛度偏小，改善正常使用性能，提高極限承載力的梁、板、柱和桁架的加固。此法優點是基本不影響結構使用空間，便于在使用期內檢測、維護和更換。缺點是施工工藝復雜，新增的預應力構件需要進行可靠的防腐、防火處理。

以上所述，是實際工程中常用的結構構件的加固方法。在房屋建筑結構的加固設計中還有對結構體系的加固，例如，對由于概念設計不合理、不規范的多、高層建筑及工業廠房建筑結構進行的加固和對提高結構抗震能力的加固。

6.加固工程案例

6.1 工程案例一

某項目聯合廠房一，結構形式是鋼筋混凝土框架，層數為四層。主體結構已施工完畢。由于業主使用工藝改變，造成建筑防火分區改變，多處區域的室內房間格局以及房間功能改變，荷載分布與原設計變動較大。按照新的建筑圖紙，建模復核原設計圖紙，結果顯示：部分框架梁支座及底部鋼筋不滿足承載力要求，故只要提高構件的承載力能力即可。對梁的加固可以采用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維復合材料加固法。考慮是連續的框架梁且有框梁支座鋼筋和底部鋼筋同時不滿足的情況，最后，框架梁采用了粘貼鋼板加固法。

圖1 梁底粘鋼加固圖

圖2 梁頂粘鋼加固圖

6.2 工程案例二

某項目綜合站房，結構形式是鋼筋混凝土框架，地下一層，地上二層。主體結構已施工完畢。由于設備布置調整，一層局部區域荷載分布改變，按照新的建筑圖紙，建模復核原設計圖紙，結果顯示：有兩根次梁底部鋼筋不滿足承載力要求，故只要提高構件的承載力能力即可。因承載力不足構件所在區域地下為消防水池，考慮僅是底部鋼筋不滿足承載力要求，最后，采用了增大截面增配底部鋼筋加固方法。

圖3 梁加大截面增配鋼筋加固圖

結語：

綜上所述，在建筑加固設計過程中，不同的構件加固方法適用范圍以及加固作用存在差異，因此加固方法的選擇應該根據建筑實際情況而定。對加固方法進行比較優化，選擇合理的加固方法能達到縮短加固施工周期，減少投入，保證達到加固效果的目的。