建筑结构加层改造方法研究及应用

摘 要：随着企业的高速发展，原有建筑设施无法满足使用要求，大规模的新建将耗费企业大量资金和时间，对既有建筑进行改造是比较经济的选择。合理地对旧有建筑进行改造，不仅可以加快建设进程节约建设资金，还可以减少大规模新建带来的土地资源紧张、资金量大、回收期长等不利因素，这不仅对企业本身有利，对社会和国家都具有重大意义。本文主要研究和介绍了目前常用的加层及加固方法。

关键词：加层改造；加固改造；工程应用；效果评定

引 言：在我国经济迅速发展的今天，城市的结构性和功能性衰退将日益成为我国旧城改造的关键。综合改造不是推倒重建，这既不经济也不现实，而是立足于现有条件，新建与改造并重。近年来，许多城市在规划上采取两条出路：一是占用郊区大量农田和耕地建新房，二是拆除旧的低层楼房，重新建高层楼房的大拆大建。据相关部门统计，截止1985年底，我国拥有城镇房屋面积46亿平方米，按设计基准期50年计算，这些建筑物已进入了“中老年”服役阶段，其中约一半需分批分期鉴定、修缮、加固才能延长其使用寿命。另外，过去相当多的城乡建设缺乏整体规划，环境设计、房屋布局、层高不合理等现象比比皆是，特别是随着生产力的提高，建筑功能已经越来越不能满足人们的需要。因此，对占地多而层数低的房屋进行加层改造的同时改善其使用功能是很有现实意义的举措。

加层改造对缓解城市建设用地紧张，改善人民居住条件，加快城区改造都具有现实意义。因此，近年来，既有房屋的加层改造以其独特的技术经济优势赢得了人们的青睐，成为既有房屋修缮改造中占比例很大的一块，加层改造的优势是显而易见的。

我国既有房屋加层改造实践起步较早，比较有代表性的是建于1915年的上海工艺美术品服务部的加层改造工程。它是我国最早的既有建筑加层改造工程之一，同时也是加层次数最多的建筑物，它由最初的两层现浇钢筋混凝土框架结构，先后进行了三次加层改造，逐步成为4～6层结构，均在1949年以前完成，该工程为加层改造的理论研究和工程实践提供了宝贵的资料。随后，我国既有房屋加层改造的发展速度较为缓慢，直到上世纪七十年代初，既有建筑物的加层改造工程才迅速发展起来，全国各地纷纷开展对旧房的挖潜、改造、加固、加层工作。上海、广州、武汉等地先后将旧房屋改造列入城市发展规划，并颁布了有关旧城区现代化改造的文件和规定。据不完全统计，全国已经建成的加层改造工程数千例，遍布二十余个省会、三大直辖市和众多的大中城市。尤其是全国的政治、经济和文化中心――北京，加层改造工程成绩蔚为大观。原纺织工业部办公楼、北京日报社办公楼、中国石油天然气总公司（原石油部）办公楼、西单商场等这些包括国家政府机关在内的办公楼的颇具影响的加层改造工程为今后加层改造工作起到了良好的示范和推动作用。

一、加层改造方法

1.直接加层法

直接加层法是指在原有房屋上不改变结构承重体系和平面布置直接加层的方法。其适用条件是原结构和地基基础的承载力和变形满足加层的要求或仅局部加固处理即可直接加层。直接加层可比较充分地利用原建筑的承载潜力，因此直接进行加层改建是扩大使用面积最为经济和便利的手段。但是由于这种加层方法受原建筑的制约较多，当建设单位希望将层数提高较多时，往往不能采用这种方法。

2.外套结构加层法

外套结构加层法[8]是直接加层法不可行情况下唯一的选择。外套结构的形式很多，但本质上分别属于分离式或整体式两种。其中分离式是指新旧结构完全脱开，新旧结构之间留有足够宽的抗震缝，各自独立地承担竖向荷载和抵抗侧力。分离式加层具有传力路径明确，计算简图明晰，增加的结构平面布置灵活，不受原结构的限制等优点，因而应用较广。整体式外套结构，即将新旧结构采用某种连接构造连接起来形成整体，旨在通过连接的作用使新旧结构互相制约，彼此传递能量，共同抵抗侧力，改善结构整体抗震性能。

二、现行主要加固方法

1.加大截面法

加大截面法是采用同种材料的钢筋混凝土对原钢筋混凝土柱、梁、板等进行加固，增大原构件的截面面积，并配以适量钢筋，从而达到提高构件承载力及刚度的目的，还能改变构件的自振频率。如常见的叠合梁、下加厚、三面围套、钢骨混凝土组合梁等均属于加大截面法。该方法主要特点是施工工艺简单、适用面广、加固效果好、新旧加固断面结合紧密、经济，能广泛适用于梁、板、柱、屋架构件等的加固。缺点是现场湿作业工作量大，养护期长，对外观、层间净高、结构外观等有一定影响。加大截面法的加固效果与原结构在加固时的应力水平、结合面构造处理、施工工艺、材料性能及加固是否卸荷等因素直接相关。

采用加大截面法在提高构件承载力的同时，在一定程度上可能使原来的强梁弱柱结构改变为强柱弱梁结构，通过对加密区的处理可以提高构件的延性，此外也能在一定程度上提高结构的刚度。以往在采用加大截面法加固时，由于在梁柱节点核芯区梁高范围内的柱横向箍筋无法封闭，在该重要部位加固的实际效果并不是很好。近年来随着混凝土钻孔设备及高性能结构胶的出现，使得这一问题得以解决。试验表明，在核芯区增加一至两道封闭箍筋，将有效地减缓节点区混凝土的开裂，提高节点的抗震能力。采用外包现浇混凝土材料的增大截面法是厂房柱加固的最佳方法，不仅可以提高其承载力和刚度，而且提高柱的抗高温、抗腐蚀的能力。

2.外包钢板加固法

外包钢加固方法是通过沿混凝土梁、柱的四角或两角包以角钢，横向用扁钢作箍板或钢筋螺栓并焊接形成整体钢构套以提高构件的承载能力和延性的加固方法。与加大截面法相比，外包钢加固可以大幅度提高构件的抗压和抗弯性能，由于采用型钢材料，施工周期相对较短，占用空间也不大，比较广泛地应用于截面刚度满足要求，不允许增大截面尺寸，而又需要大幅度地提高承载力的轴心受压和小偏心受压构件。缺点是焊接要求较高，使用环境温度不应高于60℃，且不能用于腐蚀性强的环境。

根据角钢与原构件结合方式又分为干式法和湿式法两种。干式法是指角钢与原构件之间无任何粘结，结合面不能确保剪力和拉力的有效传递，外包型钢自成一钢构架（型钢套箍），型钢构架与原构件均能够独立承受荷载的方法；湿式法是指角钢与构件之间采用乳胶水泥粘贴或环氧树脂化学灌浆等方法粘结，以使型钢构架与原构件能够整体工作共同受力的一种方法。在工业厂房加固中，通常对钢筋混凝土排架柱及吊车梁采用外包钢法以提高厂房结构的承载能力和延性。需要注意的是，排架柱外包角钢必须从基础通至柱顶，在梁柱节点处不允许中断。

3.外包钢板加固法

碳纤维布加固是一种新兴的结构加固技术。碳纤维材料的抗拉强度高于普通钢筋的10倍、弹性模量是钢筋的数倍，利用结构胶将碳纤维织物（布、板）粘贴于构件表面，使它们成为一体共同受力，从而提高待加固构件的承载能力，减少变形及控制裂缝的进一步加大。试验表明，采用碳纤维加固，按通常的粘贴层数（如三层），梁的抗弯剪能力提高在50%以上，柱正截面承载力和延性性能可提高70%；碳纤维布质轻且薄，加固后对原结构构件截面、荷载增加均不大，不影响原有建筑使用功能，因此极适合于钢筋混凝土梁、板、柱、屋架等钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固。

采用碳纤维材料加固方法具有如下优点：

（1）该方法具有很高的材料抗拉强度，自重又很小。

（2）碳纤维材料具有很高的弹性模量，可达钢材的2～3倍，变形能力较强，利于提高构件的承载力和延性。

（3）碳纤维材料具有很强的抗腐蚀能力，耐久性能好。

（4）碳纤维材料具有很强抗疲劳能力。

（5）几乎对结构的外观和尺寸不发生任何的改变。

（6）施工过程简便，施工周期短。

（7）该法加固后的体系维修费用低。

（8）采用碳纤维材料加固方法缺点是对受压构件加固效果不明显，不能有效提高构件的刚度，对施工及粘接胶的性能要求较高，造价稍高。

4.预应力加固法

预应力加固法是一种采用外加预应力钢拉杆（分水平拉杆、下撑式拉杆和组合拉杆或撑杆），对结构进行加固的方法。当对梁、板等受弯构件进行加固时，预应力能消除或减缓后加杆件的应力滞后现象，使后加杆件有效地参与工作。预应力产生的负弯矩可以抵消部分荷载弯矩，减小构件的挠度，缩小原构件的裂缝宽度，甚至可以使裂缝完全闭合。当对柱等受压构件进行加固时，对加固用的撑杆施加预顶升力，从而卸除原柱所受部分外力并减少撑杆的应力滞后。

预应力加固法广泛应用于混凝土梁、板等受弯构件及屋架的受拉杆件加固。该加固法具有施工简便、几乎在不改变构件截面尺寸、不占用建筑的使用空间的前提下，就提高了构件的承载能力等特点。缺点是预应力拉杆或者压杆与被加固构件的连接处理较复杂、难度较大，以及还存在施工时的侧向稳定和加固后预应力筋的防腐等问题。不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。

三、加层改造技术的应用前景

加层改造对缓解城市建设用地紧张，改善人民居住条件，加快城区改造都具有现实意义。因此，近年来，既有房屋的加层改造以其独特的技术经济优势赢得了人们的青睐，成为既有房屋修缮改造中占比例很大的一块，加层改造的优势是显而易见的：

（1）增加单位土地面积住房的容积率[3]，缓解当前住房紧张，充分利用城市空间，有效地保护耕地。

（2）充分利用现有的城市设施，节省城市配套设施费；节省拆迁、建筑垃圾运输和征地费用，而且审批程序简单快捷，施工周期较短。

（3）将过去的简易住房改造成标准房，改善居住条件；加层改造的同时对建筑平、立面进行调整和室内外装修，使旧房焕然一新，既保持了原建筑的特色和风貌又美化了城市市容。

（4）我国是一个地震频发的国家，有170多个城市位于7度以上的地质构造活动带。七十年代以前的房屋大多未考虑抗震设计，因此可将抗震加固和加层改造结合起来，既增加了使用面积，又增强了房屋抗震能力，延长建筑物使用年限，获得一举两得的效果。

（5）充分利用旧房屋在长期荷载作用下地基承载力的增长值，在地基不需要处理或略微处理的情况下，实现房屋的直接加层，其经济效益十分显著。

（6）对于生产生活急需扩大房屋使用面积的单位，在不影响正常生产、办公、居住的条件下进行施工，可很好地解决住户临时安置问题。

综上所述，加层改造是适合我国国情和经济技术条件的一项利国利民的技术政策。

参考文献：

[1] 李安起，陈萍.建筑物鉴定抗震加固的历史、现状及展望[J].建筑技术开发，2005.

[2] 程绍革. 钢筋混凝土框架结构抗震加固方法综述[J].建筑科学，2001.

[3] 高剑平.国内外既有房屋加层改造发展概况，[J]华东交通大学学报，2006

[4] 高剑平；王茜.我国既有房屋加层改造工程实践和研究现状，[J]华东交通大学学报，2004

[5] 凌程建.工业厂房加固方法研究与实际应用.[硕士学位论文]四川大学，2006