鋼筋混凝土結構加固設計的常用方法

付明芳

(晉中市建筑勘察設計院，山西 晉中 030600)

鋼筋混凝土在建筑結構中扮演著重要的角色，它是一種常見的建筑材料。然而，因各種因素的影響，包括自然災害和事故、設計和施工問題、使用功能的改變等因素，鋼筋混凝土結構可能會遭受各種損傷和承載力不足的情況，從而影響其安全性和可靠性。為了確保建筑物在使用壽命內保持結構完整和安全，正確的加固設計和施工變得至關重要。將綜述常用的鋼筋混凝土結構加固方法，并介紹每種方法的原理、應用范圍、優缺點以及實際工程案例。通過對各種加固方法的綜合了解，希望能夠為工程師和相關從業人員提供有價值的參考和指導，以確保加固設計的有效性和可行性[1]。鋼筋混凝土結構加固設計是保障建筑物結構安全的重要措施，對于維護和延長建筑物的使用壽命具有重要意義。

1 常用方法

1.1 增大截面加固法

1.1.1 原理

增大截面加固法是根據工程要求和原結構構造及受力實際情況，選擇在受壓區或受拉區增設現澆鋼筋混凝土外加層的加固方式，以提高結構的承載能力。這種方法可以通過加大梁和柱的截面尺寸來提高其受彎和受壓承載力，通過向板中增加受拉和受壓區域的混凝土和鋼筋來提高其承載能力。

1.1.2 應用范圍

增加截面尺寸是一種廣泛適用于不同類型和規模的鋼筋混凝土結構的加固方法。其應用范圍包括但不限于以下4個方面。

(1)梁加固，增加截面尺寸常用于加固受彎梁。當原有梁的截面尺寸不足以滿足設計要求或承載能力不足時，通過在梁的下方增加混凝土或加固鋼筋，提高梁的截面面積和承載能力。

(2)柱加固，在柱底部或上部增加截面尺寸可以提高柱的承載能力和剛度。對于受力較大、需承受更高荷載或處于破壞邊緣的柱，增加截面尺寸的方法可以有效地提高其抗彎、抗壓和抗剪能力。

(3)梁柱節點加固，梁柱節點是結構的重要部位，常常存在著較大的彎矩和剪力傳遞。當節點的截面尺寸不足以承受荷載時，通過增加截面尺寸，可以提高節點的受力性能和承載能力，確保節點的安全穩定。

(4)框架結構加固，增加截面尺寸廣泛應用于鋼筋混凝土框架結構的加固設計，包括多層建筑的柱、梁、節點等部位。通過增加截面尺寸，可以提升整體框架的抗震能力和整體承載力，確保結構在地震等外力作用下的安全性。

1.1.3 優缺點

優點：1)提高承載能力，通過增加截面尺寸，增加了結構的有效受力面積，從而提高了承載能力。這可以使原本不足以滿足荷載要求的結構，在加固后承受更大的荷載，保證結構的安全性；2)提高剛度和穩定性，增加截面尺寸可以提高梁或柱的剛度，增加其抗彎和抗壓能力。這對于提高結構整體的穩定性和抗震能力非常重要，能夠減小結構的撓度和變形；3)延長使用壽命，通過增加截面尺寸，可以提高結構的強度和耐久性。這有助于減緩結構的劣化過程，延長結構的使用壽命；4)施工相對簡單，相比其他加固方法，增加截面尺寸的施工比較簡單，一般不需要拆除原有結構，只需在梁或柱下方增加新的混凝土或加固鋼筋[2]。這可以減少工程的施工難度和時間。

缺點：1)空間限制，增加截面尺寸需要具備足夠的空間，這對于一些空間有限的結構來說可能不太適用，可能需要采用其他加固方法；2)增加自重，增加截面尺寸會增加結構的自重，可能導致對原有基礎和支撐條件的要求增加。這需要結構工程師在設計時進行綜合考慮，確保加固后的結構能夠承受自身的重量；3)結構變形問題，增加截面尺寸可提高結構的剛度，但可能導致結構的變形和開裂問題。因此，在設計和施工過程中，需要注意合理控制變形，避免出現過大的裂縫和變形情況；4)施工現場的濕作業工作量大，工期長。

1.1.4 加固方法

施工之前，需要將原構件混凝土表面的缺陷清理到密實部位，并使用鑿子將表面鑿毛，將梁柱的棱角打掉。需要將混凝土表面上的浮灰和碎渣清除掉，然后將其沖洗干凈。如果構件表面有積水在凹處，就需要使用麻布吸去。為了保證新舊混凝土之間的結合力，在原有混凝土結合面上涂刷1層界面結合劑，然后再澆筑混凝土。為提高新舊混凝土粘接強度，增強結合面的抗剪能力，必要時還可再結合植入短鋼筋。在新澆筑的混凝土中，應當選擇堅硬的碎石作為粗骨料加入，其最大粒徑不應超過20mm。對于厚度小于100mm的混凝土，應使用細石混凝土或灌漿料進行澆筑。

1.2 粘貼碳纖維復合材料法

1.2.1 原理

粘貼碳纖維復合材料法原理是通過將高強度、高剛度的碳纖維片或布粘貼在結構的受拉區表面，并利用膠粘劑將其與混凝土表面結在一起，以提高結構承載力的黏合能力。

1.2.2 應用范圍

粘貼碳纖維復合材料是鋼筋混凝土結構加固設計中廣泛適用的方法之一。其應用范圍十分廣泛，包括但不限于以下5個領域。

(1)鋼筋混凝土梁的加固：對于存在承載力不足的鋼筋混凝土梁，可以通過粘貼碳纖維復合材料在梁底面或梁支座處加固來增加梁的抗彎承載力，用以提高結構的抗彎性能。

(2)鋼筋混凝土柱的加固：鋼筋混凝土柱在長期使用或遭受外力作用后可能出現彎曲、開裂或承載力不足等問題。通過在柱子外表面采用沿其全長無間隔地環向連續粘貼纖維織物的方法進行加固，柱子的抗彎和抗剪承載能力可以增加，提高其抗震性能。

(3)鋼筋混凝土板的加固：鋼筋混凝土板在使用過程中可能會出現裂縫、撓度過大等問題，影響其承載能力和使用安全性。在板的底面粘貼碳纖維復合材料，可以提高板的剛度和承載能力，減小撓度，增加結構的穩定性。

(4)鋼筋混凝土墻的加固：鋼筋混凝土墻體在抗震性能方面可能存在不足，需要進行加固以滿足抗震要求。粘貼碳纖維復合材料在墻體的表面，可以有效地提高墻的抗震、抗剪等性能，增強墻體的整體穩定性。

(5)鋼筋混凝土框架結構的加固：鋼筋混凝土框架結構在使用過程中可能出現柱-梁節點開裂、梁柱連接不牢固等問題。通過粘貼碳纖維復合材料在節點區域加固，可以增強節點的剛度和承載能力，提高框架結構的整體抗震性能。

1.2.3 優缺點

優點：1)高強度和輕質特性：碳纖維復合材料具有比傳統鋼材更高的拉伸強度和彎曲強度，同時重量輕，增加基本上尺寸和自重不會改變構件的原結構，有助于提高結構的承載能力和剛度；2)耐腐蝕性能優越：碳纖維復合材料具有較好的耐腐蝕性能，不會受到水、氧氣、酸堿等環境因素的侵蝕，能夠延長結構的使用壽命；3)黏結性能良好：粘貼膠粘劑具有良好的附著性能，能夠將碳纖維布與結構表面充分黏結在一起，形成緊密的結構整體，提高結構的整體穩定性；4)施工方便快捷：粘貼碳纖維復合材料的施工過程相對簡便，不需要進行大規模的拆除和重建，可以在短時間內完成加固工作，減少對使用者的影響。

缺點：1)受溫度影響較大：碳纖維復合材料對高溫敏感，長時間高溫環境下會導致材料性能下降，當環境溫度超過60℃時，應該采取有效的防護措施。要在高溫環境下使用碳纖維復合材料來加固時，需要仔細考慮材料的選擇和使用限制；2)要求表面準備工作較為繁瑣：粘貼碳纖維復合材料需要對結構表面進行充分清潔和處理，以確保黏結膠粘劑的附著力。表面預處理工作的要求比較嚴格，可能增加施工的難度和耗時；3)強度難以預測：粘貼碳纖維復合材料的加固效果與黏結膠粘劑、碳纖維布及施工質量等因素密切相關，強度難以預測[3]。因此，在設計和施工過程中需要進行充分的試驗和評估，確保加固效果符合設計要求；4)可見性問題：粘貼碳纖維復合材料相對于其他加固方法可能會對結構外觀產生一定影響，特別是在一些對外觀要求較高的情況下。這需要在加固設計過程中進行充分的考慮。

1.2.4 加固方法

在進行混凝土表面處理和碳纖維復合材料之前，應當在加固設計的部位進行放線定位。施工單位應在施工過程中對混凝土表面進行處理，清除任何混凝土缺陷，使混凝土結構層露出，并進行平整修復。在清理干凈后，對較大的孔洞、凹陷和露筋等部位，需要使用黏結能力強的修復材料進行修補。應該打磨平整被粘貼的混凝土表面，去除表層浮漿、油污等雜質，直到完全露出混凝土結構新面。在轉角粘貼處，應該進行導角處理，并將其打磨成圓弧狀。而且，圓弧曲率半徑不應小于20mm。對于已經加固完畢的結構表面，應該進行防護處理。碳纖維片材表面涂刷的膠粘劑應與防護材料的黏結性能相容，并能夠可靠黏結，同時還需要符合相應的防火要求。

1.3 外粘型鋼加固法、粘貼鋼板加固法

1.3.1 原理

這種方法可用于對鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構件進行加固。在這個方法中，在混凝土結構的受拉或受壓區域的表面上粘貼型鋼或鋼板，用以提高結構的承載能力。型鋼或鋼板加固可以在結構加固設計中起到重要的作用，特別適用于柱、梁和節點等位置。

1.3.2 應用范圍

鋼筋混凝土結構加固設計中常常采用型鋼或鋼板加固的方法。它的應用范圍廣泛，通常包括以下4個方面。

(1)梁和柱的加固：型鋼或鋼板加固常用于加固梁和柱，特別是在受彎構件和受壓構件的加固設計中應用較多。當原有的梁和柱的截面尺寸不足以滿足設計要求或承載能力不夠時，可以通過加固鋼板的方式，在梁和柱的表面增加強度和剛度，提高其承載能力和抗震性能。

(2)墻體加固：鋼板加固也適用于鋼筋混凝土墻體的加固。有時候墻體會承受外部荷載或內部壓力導致的變形和破壞，通過在墻體表面粘貼或焊接鋼板，可以增加墻體的剛度和強度，提高抗荷載和抗震能力。

(3)屋面和地板加固：在屋面和地板結構加固方面，鋼板也是常用的加固材料。在屋面或地板的底部或頂部添加鋼板可以提升結構的承載能力和剛度。特別是在需要增加樓板荷載承載能力的情況下，鋼板加固是一種有效的解決方案。

(4)梁柱節點加固：結構的節點是其弱點之一，也是容易發生破壞的部位。在梁柱節點的加固中，常采用鋼板加固的方法[4]。通過在節點處添加鋼板，可以提高節點的剛度和強度，增強連接部位的承載能力。

1.3.3 優缺點

優點：1)簡單可靠，傳力直接，加固效果可靠，耐久性好。通過鋼板加固，可以顯著提升結構的承載能力；2)施工便捷，鋼板加固的施工工藝簡單，并且施工周期也較短。現場沒有濕作業，或者只有一些抹灰等少量的濕作業。通常情況下，只需要在結構表面安裝和連接鋼板，不需要拆除和改動原有結構，從而降低了工程對業主和使用者的影響；3)經濟高效，鋼板加固相對于其他加固方法，成本較低。鋼板材料本身價格相對較低且易獲取，在加固設計和實施時，能夠快速且經濟地提升結構性能。

缺點：1)空間限制，鋼板加固需要在結構表面預留空間安裝和連接鋼板。在原有結構空間受限的情況下，可能存在難以安裝和加固的局限性；2)修改外觀，鋼板加固涉及對結構表面的改動，可能會對建筑外觀產生影響。在對外觀要求較高的建筑中，需要在加固設計中進行考慮；3)當溫度超過60℃、相對濕度超過70%或存在化學腐蝕環境時，該方法使用必須采取有效的防護措施；否則，不應該使用該方法。此外，對于混凝土強度等級低于C15的構件，不適宜采用該方法；4)結構性能限制，鋼板加固的效果受到鋼板的尺寸和連接方式的限制。在設計過程中需要準確計算和模擬，確保鋼板加固后的結構能夠滿足設計要求。

1.3.4 加固方法

構件加固前需要對結合面進行處理，包括打掉構件的抹灰層。處理構件表面局部破損的步驟是先鑿毛，然后用高強度水泥砂漿修補，最后進行處理。將混凝土構件的結合面進行打磨處理，使其表面變得平整，并使用清水將其沖洗干凈。必須選擇未生銹或微銹蝕的鋼板進行粘貼，然后使用噴砂、砂紙或干砂輪將其打磨，直到可以看到金屬的光澤為止。擦洗鋼板表面時，應盡量增加打磨粗糙度，并使打磨紋理與鋼板受力方向垂直。在加固前，應該先卸載，以減輕和消除后沾鋼板的應力和應變滯后現象。在使用粘鋼之前，需要對粘結劑進行現場質量檢驗，只有質量檢測合格才能使用。將配制好的粘結劑用抹刀同時涂抹在已處理好的混凝土表面和鋼板上，以確保粘合劑能充分浸潤、滲透、擴散并附著在結合面上。在進行粘貼之前，需要確保粘貼面沒有空洞，如果出現空洞，則需要將鋼板剝下來進行膠水補充，然后重新進行粘貼。最好用膨脹型錨栓固定，鋼板粘貼后應立即用夾具夾緊或支撐。要達到保護效果，應對進行粘鋼加固的鋼板進行表面防腐處理，可以使用水泥砂漿對鋼板進行粉刷。

1.4 增設支點法

1.4.1 原理

增設支點是鋼筋混凝土結構加固設計中常用的方法之一，該方法適用于加固梁、板和桁架等結構。這個方法根據支承結構受力性能的不同可以分為2種，即剛性支點加固法和彈性支點加固法。在設計時，應該根據被加固結構的構造特點和工作條件選擇其中1種。通過改變結構的受力路徑，可以減小原有結構受力的程度，以此來提高結構的承載能力和穩定性。

1.4.2 應用范圍

預應力技術是鋼筋混凝土結構加固設計中常用的方法之一。它的應用范圍非常廣泛，適用于以下3個方面。

(1)梁的加固，當梁的跨度過大或荷載較重時，可能會出現撓度過大、裂縫或承載力不足等問題。通過增設支點，可以在梁的中間或其它適當位置添加新的支點，減小梁的跨度，改變受力狀態，提高梁的承載能力和剛度。

(2)桁架結構的加固，桁架結構在長期使用或遭受外力作用后可能出現節點開裂、連接處松動等問題。通過增設支點，可以在桁架結構的相應位置增加新的支點，改變受力路徑，減小各單元材料的受力，提高整體結構的穩定性和承載能力。

(3)屋面的加固，對于存在屋面下沉、開裂或變形的情況，可以通過增設支點來提供額外的支撐和穩定[5]。通過在適當的位置增加新的支點，可以改變屋面的受力分布，減小原有結構的荷載，增加屋面的剛度和穩定性。

1.4.3 優缺點

優點：1)提高結構的承載能力，通過增設支點，可以將原有結構的荷載分散到新的支點上，減少原有結構受力的集中程度，從而有效提高結構的承載能力；2)增加結構的剛度和穩定性，新的支點可以形成額外的支撐力路徑，增加結構的剛度和穩定性。可以減少結構的撓度、變形和震動，提高結構的整體穩定性；3)節約材料和工程量，相比其他加固方法，增設支點通常不需要大量的材料和拆除重建工程，可以在原有結構基礎上進行調整和改善，從而節約了材料和工程量；4)施工相對簡單，增設支點的施工過程相對簡單，不需要進行大規模的結構改造，可以在較短時間內完成加固工作。這降低了施工風險和對使用者的影響。

缺點：1)空間影響，對需要增設支點部位可能會影響到原有建筑物的使用空間；2)工程結構影響，為保證增設支點支撐傳力明確，其下端連接可能需要新增基礎，需按一般的基礎構造進行處理；3)施工措施保證，對需施加預加力的構件，為保證支點能夠有效發揮作用，需要在施工過程中施加預加力需預加力的大小較難控制，否則可能會造成被支頂構件的破壞。

2 案例分析

本文所述的工程案例為1座8層框架結構辦公樓。因業主使用功能的改變和增加層數的需要，將結構類型改造為框架剪力墻結構。經計算復核，主體結構出現一部分不滿足現有承載力需求的構件，需要對存在問題的結構構件進行加固，本文僅列舉梁加固方法。結構工程師通過綜合考慮建筑物的使用目的、現狀和預算等因素，主要采用了增大截面加固法和外粘型鋼、粘貼鋼板加固法。

在實際應用中，設計師需要根據加固后的鋼筋混凝土結構構件的加固效果來選擇合適的加固方法。如果加固后的正截面受彎承載力提高幅度超過40%，還需要驗算其受剪承載力，以避免構件在受彎破壞之前因受剪力過大而破壞。其中對彎矩提高超過40%或者趨近于40%的梁采用型鋼加固或者增大截面加固。對彎矩提高幅度遠小于40%的梁構件采用粘鋼加固法。

增加截面尺寸：結構評估發現某些梁截面尺寸不滿足設計要求。為了加固這些梁，工程師決定在現有梁的下側增加100mm并配置鋼筋。通過增加梁截面的有效寬度，提高了梁的承載能力和剛度。

型鋼或鋼板加固：在一些承載能力不足的梁上，工程師采用型鋼或鋼板加固的方法。首先，對結構進行評估和計算，確定加固所需的鋼板尺寸和位置。然后，將鋼板固定在梁的表面并與之焊接或螺栓連接，以增加結構的承載能力。

通過以上加固方法的綜合應用，成功提升辦公樓的結構強度和穩定性。在施工過程中，需要充分考慮結構的特點和施工難度，確保加固工程的質量和安全。該案例已投入使用多年，實際表明加固成果良好，滿足了業主的使用要求。

3 結語

鋼筋混凝土結構加固設計是保障現有建筑物安全的重要措施。通過以上方法，可以提升結構的承載力和抗震能力。在實際工程中，應根據具體情況選取合適的加固方法，并進行綜合評估和設計，以確保加固效果達到預期目標。