既有结构加固技术分析

摘要：改造工程具有节约投资,短期收效的优点，已发展成了一项新兴产业。本文从混凝土结构和砌体结构的加固原因、加固设计原则等方面分析了加固设计应注意的问题，同时针对不同的改造目的、受力体系、结构自身的损伤及缺陷情况提出了混凝土结构和砌体结构的不同加固方法和使用范围，分析了每种加固方法需要注意的事项及相应特点。

关键词：优化设计；加固；混凝土结构；砌体结构

Abstract: The reconstruction project has the advantages of saving investment, short-term results, has developed into a new industry. This article from the concrete structure and masonry structure reinforcement causes, principles of strengthening design are analyzed from the aspects of design problems should be paid attention to strengthening, at the same time for the damages and defects of different transformation goal, stress system, the structure of the concrete structure and masonry structure with different reinforcement method and scope of application, and analyzed the corresponding characteristics of each method the matters needing attention.

Key words: optimization design; reinforcement; concrete structure; masonry structure

中图分类号：TU74

0 概述

随着我国经济的迅猛发展，许多原有建筑已不能满足现在的使用功能要求，于是旧房改造工程愈来愈多，已发展成了一项新兴产业。已建钢筋混凝土结构和砌体结构由于种种原因需要加固，以保证其使用安全，延长使用年限或者改变使用用途。合理选择加固方案是关键，加固方案的优劣，不仅影响资金的投入，更重要的是影响加固工程的质量。对于需要加固的结构，由于结构的构成(包括结构型式、结构布置、构件的尺寸及连接构造等)、材料(包括材料组成、力学性能等)、结构的损伤及缺陷(、包括程度、原因和范围等)和作用历史情况及结构上的作用等因素的影响，所用的加固方案就不能一概而论，所以针对不同的工程采用较合理的加固方案一直是工程人员所努力的。因而对加固方案进行优化设计就显得尤为重要。

1．加固原因

已建成的房屋结构常由于下述原因出现损伤、缺陷或隐含不安全因素，往往不能满足结构安全性，适用性、耐久性的要求，需要进行鉴定和加固：①结构设计有人为错误或材料选择不当，使结构建成后，发现有不安全隐患；②未严格控制施工质量，出现裂缝等损伤、缺陷；③结构长期受环境作用，使用、维护不当，结构性能老化或出现损伤；④结构变更使用性能，如加层、使用荷载发生改变等；⑤重要结构的超期服役。对于具有文物价值的工程需要通过加固尽可年能延长其寿命。⑥结构遭受突然灾害，如火灾、风灾、震灾、爆炸等。只有确定结构加固的原因，才能对症下药进行相应的加固设计。

2．加固设计原则

在现有结构的维修、加固设计中，首先应保证原有结构的性能得到有效的改善和提高，满足可靠度要求，同时还应考虑施工条件、施工工期、使用要求、加固成本等因素，设计步骤一般包括问题分析、方案拟定、可行性论证、加固后的力学分析和校核、详细设计等。为了使结构的维修加固最终取得良好的综合效益，设计中应遵守以下原则：

2.1加固方案制定的总体效应原则

在制定建筑物的加固方案时，除考虑可靠性鉴定结论和委托方提出的加固内容及项目外，还应考虑加固后建筑物的总体效应，尽可能使加固措施发挥综合效应，同时还应注意尽可能减小设计方案的负面效应，充分考虑加固措施对结构体系、未加固构件、地基等可能造成的不利影响。

2.2 荷载设计原则

对加固结构承受的荷载，应作实地调查和取值。一般情况下，建筑物一经鉴定确定需要加固，则加固验算应按现行的《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)规定取值。对于现行的《建筑结构荷荷载规范》(GB50009—2012)中规定的永久荷载，可根据情况进行抽样实测确定。对于工艺荷载和吊车荷载等，应根据使用单位提供的数据取值。

2.3承载力验算原则

在承载力验算时，结构的计算简图应根据结构实际受力状况和结构的实际尺寸确定。构件的截面面积应采用实际有效截面面积，即应考虑结构的损伤、缺陷、锈蚀等不利影响。验算时，应考虑结构在加固时的实际受力程度及加固部分的应力滞后特点，以及加固部分与原结构协同工作的程度，并对加固部分的材料强度设计值进行适当的折减；还应考虑实际荷载偏心、结构变形、局部损伤、温度作用等造成的附加内力。当折减后使结构的重量增大时，尚应对相关结构及建筑物的基础进行验算。

2.4 与抗震设防结合的原则

我国是一个多地震的国家，为了使建筑物遇地震时具有相应的安全储备，制定承载能力和耐久性加固、处理方案时，应与抗震加固方案结合提出。

2.5 其他原则

结构的加固应综合考虑其经济性，尽量不损伤原结构，并保留其有利用价值的结构构件，发挥原结构的潜力，避免不必要的构件拆除或更换；尽可能减小对建筑物使用功能的影响。对于民用建筑，应尽可能避免降低房屋的净高，缩小使用空间，影响房屋的采光、通风、保温隔热等性能；对于工业建筑，尽可能避免对生产工艺、生产流程、物料运输等造成的不利影响。

3现有常用加固方法的适用范围和特点

房屋结构加固方法多种多样，既有使用已久的传统方法，也有才开发出来的新型加固技术。这里总结分析了在当前加固实践中应用最为广泛、最为成熟的一些加固方法。

3.1 混凝土结构改造加固方法

3.1.1加大截面加固法

加大截面法，也称为外包混凝土加固法，是用增大混凝土结构或构筑物的截面面积和配筋进行加固的一种方法。它可以提高被加固构件的承载能力，还可加大其截面刚度、稳定性和抗裂性，使正常使用阶段的性能在某种程度上得到改善。这种加固方法广泛用于加固混凝土结构中的梁、板、柱、屋架等。该方法的优点是工艺简单，技术要求不高，适用面广。

3.1.2外包钢加固法

外包钢加固法是一种在混凝土结构构件四周包以型钢进行加固的方法，分干式外包钢和湿式外包钢两种形式。这种方法适用于使用上不允许过大地增大构件截面尺寸，而又需要大幅度提高承载力、增大延性和刚度的混凝土结构的加固。一般用于混凝土柱、梁、屋架，特别是大型结构和大跨度结构的加固。该方法的优点是施工方便，现场工作量少，工期短，受力可靠，对房屋外观和净空影响小。

3.1.3预应力加固法

预应力加固法是采用外加预应力的钢拉杆(分水平拉杆、下撑式拉杆和组合式拉杆)或型钢撑杆，对结构进行加固的方法，适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后所占用空间小的混凝土承重结构。该法特别适用于高应力状态下的结构，尤其是大型结构的加固。预应力加固法几乎可不缩小使用空间，不仅可提高构件的承载力，而且可减小原构件的挠度，缩小原构件的裂缝宽度甚至可使裂缝完全闭合。所施加的孔、应力能消除或减缓后加杆件的应力滞后现象，使后加杆件的材料强度得到充分利用。预应力加固法是一种加固效果好而经济的加固方法，并且可以基本不影响正常的生产生活。

3.1.4改变结构传力途径加固法

改变结构传力途径加固法是通过增设支点(柱或托架)或采用托梁拔柱的办法去改变结构的受力体系(即计算简图)的加固方法。增设支点可以减少结构构件的计算跨度，降低计算弯矩，大幅度提高结构构件的承载力，减小挠度，缩小裂缝宽度。该法适用于梁、板、析架等水平构件的加固，其施工简单、受力可靠，但较多地影响了使用空间。

3.1.5外部粘钢加固法

外部粘钢加固法是一种用胶粘剂把钢板粘贴在构件外部，以提高承载力的加固方法。该方法的优点是被加固构件基本不受损伤，可以充分发挥原构件的作用；加固后几乎不改变构件的外形且不影响建筑功能；施工关键工序较多，施工工期短。

3.1.6外部粘碳纤维布加固法

外部粘碳纤维布加固法一种用胶粘剂把碳纤维布粘贴在构件外部，以提高承载力加固方法，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。该方法具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐化学腐蚀、耐久性好、维护费用较低等优点，施工质量易保证，即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到很高的有效粘贴率。

以上各加固方法各有其优缺点和适用范围，不能简单地评定其优劣，应根据具体情况予以灵活的应用。

3.2砌体结构改造加固方法

3.2.1墙体承载力不足时的加固方法

3.2.1.1墙体置换法

对强度过低的原墙体可拆除重砌；重砌的材料可采用砖或砌块，也可采用现浇钢筋混凝土。墙体拆除要制定墙体拆除方案，应对原构件加以有效的支顶，拆除时保证保留的墙端为马牙槎形，新砌的墙与原墙马牙槎砌成一个整体。

3.2.1.2砌体裂缝修补和灌浆法

在进行裂缝修补前，应根据砌体构件的受力状态和裂缝的特征等因素，确定造成砌体裂缝的原因，以便有针对性地进行裂缝修补或采用相应的加固措施。

3.2.1.3面层和板墙加固法

面层和板墙加固是指在墙体的一侧或两侧采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层或现浇钢筋混凝土板墙加固。这种方法不仅可用于加固抗压承载力不足的砌体，还可以用于加固抗震能力不足的砌体。

3.2.2.结构整体性和抗震性不能满足要求时的加固方法

3.2.2.1外加柱加固法

改造工程中横墙的抗震能力不足时，采用外加钢筋混凝土柱是个较好的加固方法。外加柱一般布置在内外横墙交接处、房屋四角、楼梯间和不规则平面的转角处；外加柱应由底层设起，并应沿房屋高度贯通，不得错位。

3.2.2.2增设砌体抗震墙加固法

当增设砌体抗震墙加固房屋时，抗震墙的材料和构造应符合下列要求：砌筑砂浆的强度等级应比原墙体的砂浆强度等级高一级，且不应低于M2.5；墙厚不应小于190mm；墙体中沿墙体高度每隔0.7~1.0m可设置与墙等宽的细石混凝土现浇带，其纵向钢筋可采用3φ6，横向系筋可采用φ6，其间距宜为200mm；当墙厚为240mm或370mm时，可沿墙体高度每隔300~700mm设置一层焊接钢筋网片，钢筋网片的纵向钢筋可采用3φ4，横向系筋可采用φ4，其间距宜为150mm；墙顶应设置与墙等宽的现浇钢筋混凝土压顶梁，并与楼、屋盖的梁（板）可靠连接，可每隔500~700mm设置12的锚筋或M12的胀管螺栓连接；压顶梁高不应小于120mm，纵筋可采用4φ12，箍筋可采用φ6，其间距宜为150mm；抗震墙应与原有墙体可靠连接，可沿墙体高度每隔500~600mm设置2根直径为6mm且长度不小于1m的钢筋与原有墙体用螺栓或锚筋连接；当墙体内有混凝土带或钢筋网片时，可在相应位置处加2根直径12mm拉筋，锚入混凝土带内长度不宜小于500mm，另一端锚在原墙体或外加柱内，亦可在新砌墙与原墙间加现浇钢筋混凝土内柱，柱顶与压顶梁连接，柱与原墙应采用锚筋、销键或螺栓连接；抗震墙应设基础，基础埋深宜与相邻抗震墙相同，宽度不应小于计算确定的宽度的1.15倍。

3.2.2.3增设圈梁、钢拉杆加固法

当圈梁设置不符合鉴定要求时，应增设圈梁；外墙圈梁宜采用现浇钢筋混凝土，内墙圈梁可用钢拉杆或在进深梁端加锚杆代替。

4结构加固方案的优选

结构加固方案优选的目的在于从众多初步可行方案中选择出一个最佳加固方案。为达到这一目的，应该实现结构加固所要求的一系列目标，这些基本目标可概括为：技术可行、效果可靠、经济合理、施工简便和确保质量的要求。为实现这些基本目标，应分析与之相关的基本要素，把基本目标分解为一些具体的期待达到的结果。结合结构加固的特点和技术要求，具体分析基本目标的影响因素，可概括出影响结构加固方案选择的影响因素如下所示。

4.1结构加固方案的效果可靠性主要是分析加固方案所达到的加固效果是否能满足要求。每一种加固方案都有其一定的适用范围，以满足某种加固需要，其适用范围主要是由可靠性鉴定结果、结构功能降低情况及其它加固原因，结合结构特点、当地具体条件，尤其是对加固后结构的功能要求来决定的。所以，为保证加固方案效果可靠，就必须要求加固方案达到如下目标：采用该加固方案满足加固后结构的功能要求，包括强度、刚度、稳定性等:该加固方案能否适应新、旧结构的协调工作要求:该方案能否尽量少地对原构件产生不利影响。

4.2结构加固方案的经济合理性主要是指所采用的结构加固方案的造价和工期应该在满足加固效果可靠的前提下，能够做到造价低、工期合适。同时，加固设计应尽量保留和利用有价值的原结构，避免不必要的拆除。因此，其子目标为造价低、工期合理，对原结构的利用程度好和加固后可能花费的维修费用少。

4.3结构加固方案的技术可行性指以下几个方面：所采用的加固方案是否技术先进；所选方案经过了丰富的工程实践检验，证明其技术是成熟的；所选加固方案与被加固结构、构件的特点相适应；所选加固方案与导致结构加固的原因相适应；所选结构加固方案应与结构所在地的具体条件相适应。

4.4结构加固方案的施工是否简单方便取决于三方面的制约因素：结构加固方案本身的技术复杂程度；客观条件的制约；施工单位水平的高低。众所周知，由于不同加固方案所采用的施工方法、施工程序、施工设备等不一样，其施工的难易程度显然不同。而结构加固施工场地条件的区别、结构类型的不同对施工的进展也有明显的影响。

4.5所采用的结构加固方案应能避免或尽量少地对周围结构、构件产生不利影响，包括引起其内力、刚度的不利变化，可把之视为不产生不利的整体效应(把相邻的结构、构件看作一种环境)。

按照以上的讨论，本文明确了结构加固方案优选的总目标、分目标和子目标，它们构成了层次分明、次序明确的目标树。

5小结

目前，在房屋结构加固设计中，对于加固方案的选择，主要是依靠专业人员的经验进行决策，因而不免带有一定的主观性，而且由于加固设计涉及到新、旧两类材料，受到多种因素、条件的影响，要使加固后结构的综合效应最佳是非常困难的。目前对于建筑物加固方案优化问题，没有完整的理论著述。还需要从理论上进行针对性的系统研究，从工程上进行大量的实践，建立更加完善的优化模型，结合计算智能技术，使建筑物加固方案优化走上智能化的道路。

参考文献

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