建筑结构加固改造技术发展进程及工程应用

建筑结构加固改造技术发展进程及工程应用武汉大学土木建筑工程学院工程加固结课论文摘要：本文对建筑结构加固改造技术重要性进行了分析，并对国内外建筑加固行业发展现状做了综合阐述，指出了我国工程建设中的现状，存在的问题及面临的挑战。通过对需要加固改造建筑的原因进行分析，找出从勘测设计施工及使用上各方面潜在的问题，并从根源上提了实际可行的建议，针对我国的具体国情和实际管理体系提出了具体的改进方案。同时文章对建筑结构加固的基本方法做了系统的介绍，并分析了各种方法的适用范围，优缺点及经济效益。对于建筑纠偏本文亦有一定篇幅的讨论。最后对建筑结构加固改造技术的发展趋势做出展望。关键词：建筑检测；建筑加固；结构改造；加固应用；纠偏；1建筑结构加固改造的意义1.1建筑结构加固改造的重要性国内外结构工程的发展过程表明，当工程建设进行到一定阶段后，工程结构的维修改造将成为主要的建设方式。我国的工程结构，特别是建筑物则因为特殊的历史和发展方式，在许多方面更需要对既有建筑物进行加固与维修改造。建筑物加固与维修改造的前提是对其进行鉴定，然后根据鉴定结果采取相应的加固处理措施。由于城市化进程加快，设计、施工和管理使用存在先天不足，同时由于地震、火灾等灾害的影响，建筑结构鉴定与加固改造已成为我国基本建设急需解决的重大问题。当前国内发展生产，提高生产力的重心，已从新建工业企业转移到对已有企业的技术改造，以取得更大的投资效益。同样，对民用建筑进行改造的要求，在我国也日益迫切。1.2实际工程中建筑需要加固改造的原因随着经济、社会和科技的发展，越来越多的建筑物会出现变更用途，改变业主，工业建筑的更新改造等。还有如建筑的质量问题或者使用环境恶化，接近或超过使用年限，这些都是建筑物需要进行加固改造的原因。1.2.1建筑物接近或超过其设计年限据1986年国家统计局和建设部的调查，我国城镇民用建筑面积达46.76亿m2，使用期限超过20年的约占64%；工业建筑13.5亿m2，使用期限超过30年的约占65%，越来越多的建筑物进入老龄化。1.2.2先天性缺陷、使用不当及环境劣化建筑物在施工中出现问题造成先天缺陷或者由于使用不当及环境变化都有可能导致建筑物需要经过检测加固改造后方能投入正常使用。1.2.2.1勘察引起的缺陷结构的先天不足首先表现在地质勘察不能准确反映地基土、地下水的真实情况，如勘察布点过稀、钻孔深度不够等，造成建筑物施工中、竣工后出现地基沉降等。1.2.2.2设计引起的缺陷设计人员在设计建筑物时，虽然尽量考虑了影响建筑结构安全和使用的各种各样的因素，然而在建筑物竣工使用后，每个结构实际上都有自己的特性，它不可能完全被设计时采用的数学模型所描述。原先的设计构思总是与实际使用中发生的情况有一定距离。尽管建筑技术有了很大的进步和发展，但结构仍有可能由于先天不足而出现各种缺陷。同时，我国建筑结构设计冗余度较低，为其安全使用留下隐患。1.2.2.3施工造成的缺陷结构的先天不足还来源于施工。造成这类隐患的原因虽然很多，但当前最引起人们关注的是低素质队伍施工所造成的建筑物低质量的现状。众所周知，随着建筑队伍的迅速发展，特别是农村建筑队伍的迅猛扩大，建筑队伍的技术和管理素质普遍下降，在管理方面也存在混乱和违纪问题，这些都给建筑物正常使用留下大量隐患。1.2.2.4使用不当及环境劣化建筑物的缺陷还来自恶劣的使用环境：如高温、重载、腐蚀、粉尘、疲劳、潮湿……，以及由于缺乏对建筑物正确的管理、检查、鉴定、维修、保护和加固的常识所造成的对建筑物管理和使用不当，致使不少建筑物出现不应有的早衰。如建筑物使用过程中，未经鉴定而增加荷载，装修时增加荷载，增设设备等；未经相关单位鉴定或加固即拆除承重构件，造成周围或上部构件承载力不足等。1.2.3自然灾害我国是一个自然灾害多发的国家，历次地震都在不同程度上对建筑物造成了损坏，而且风灾、水灾年年不断，仅风灾平均每年损坏房屋30万间，经济损失十多亿元，每年水灾损失更难准确统计。另外，随着国民经济的发展和城市化进程的加速，人口和建筑群的进一步密集，建筑物的火灾概率大大增加。这些意外的灾害，使不少建筑物受到严重损伤或者提前夭折。综上所述，不论是对建筑物先天不足，还是对后天管理不善、使用不当；不论是为抗御灾害所需进行的加固，还是为灾后所需进行的修复，不论是为适应新的使用要求，而对建筑物实施的改造，还是为建筑物进入中老年期而进行的正常诊断、处理，都需要对建筑物进行检查和鉴定，以对其可靠性做出科学的评估，都需要对建筑物实施正确的管理维护和改造加固，以延长其使用寿命。由此可见，建筑物鉴定与加固改造的任务，不仅量大面广，而且任重道远，对国力薄弱的我国来讲有着极其重要的现实意义[1]。2建筑结构鉴定与加固改造技术在国内外的发展2.1建筑结构鉴定与加固改造技术在国外的发展对建筑物进行评估和维修、加固和改造，是伴随着人类房屋建设而出现的，但其真正的发展还是在20世纪中叶以后。20世纪人类历史上的两次世界大战，对建筑物的毁坏是空前的，战后对房屋建筑的大量需要，刺激了建筑业的发展，而其时建造的房屋规模大、标准低，致使这些建筑在使用不到30年，就不得不进行大修、改造，有了这样的市场需求，使得鉴定加固行业迅速发展起来[2]。同时，科技水平的提高，也为本行业的发展奠定了基础。西欧、美国和日本等国以及相关国际行业协会对已有建筑的维修、改造的研究十分重视，已经制定了相应的法规，各国投入到建筑物维修改造的资金占房屋建筑投入资金的比例也越来越高。2.2建筑结构加固改造技术在国内的发展在我国，由于战争和其他历史原因，大规模的基建建设比世界晚了几十年。建国年以来，我国经历了三个建设高潮期：一是解放初期的50年代；二是改革开放后的80年代、90年代；三是进入新世纪以来。我国同样也遵循了新建、新建与维修加固、改造并重的这样一个发展道路建筑结构检测鉴定行业从个别从业者率先进行鉴定加固和改造工作，到队伍越来越大，渐成规模；从无章可循，到各种标准对检测、鉴定、加固各个阶段越来越规范；从依赖专家经验的“传统经验法”，到专家经验与现场实测数据、复核鉴定相结合并原则性采用统计概率的“实用鉴定法”；从注重可靠性(安全性、正常使用性)鉴定，到可靠性、耐久性评价并重；加固技术从注重单个构件的加固，到注重结构整体加固效果，发展的过程同样充满曲折。3建筑结构检测方法及加固改造技术对建筑结构的调查和检测是进行加固改造的基础，其目的在于了解结构的使用历史、使用环境、对各类荷载分布、结构的几何参数和工作性能以及损伤、变形和裂缝所造成缺陷和损坏的原因，做出贴切的分析，并进行加固计算，提出加固设计方案，进行施工，最终达到使用要求。3.1检测技术建筑结构检测技术主要可分为材料强度、缺陷、损伤和变形、钢筋位置等检测技术[3]。对于不同的结构材料及连接技术，可采用不同的强度检测技术。对于不同的结构材料，其缺陷和损伤检测的项目有所不同。对于缺陷和损伤，应确定其原因，检测其损伤深度、面积等指标。一般尚应进行变形(倾斜、挠度)、尺寸偏差、构造等其他项目的检测。对于混凝土结构，应检测钢筋位置(保护层)、锈蚀等项目的检测；钢筋位置可采用电磁法、混凝土雷达等进行检测；钢筋锈蚀可采用电位差法进行检测[4]。3.2加固技术加固施工及加固方案的制定十分重要，对于需要加固的建筑物，应根据构筑物的不同情况制定不同的加固方案。方案的确定要遵循安全、经济、快捷、施工方便的原则，以达到良好的社会效益和经济效益。对于建筑物维修和加固改造，可能有不同的改造思路和实施方案，在具体进行维修加固时，应结合建筑物结构的特点、当地的具体条件等因素综合判断。此外，现有加固应与结构和构件性能要求相结合，不同结构、构件应采用不同性能水平的加固方法和加固深度，应在充分进行经济性、技术性和可靠性等多方面分析比较后，选择出满足多目标（不同性能目标）、多水准（不同性能水平）要求的合理加固方法和加固程度。优秀的加固方案具体体现在其施工作业方便、施工技术先进、经济效果好、加固质量高等四方面的特点。3.2.1混凝土结构加固3.2.1.1增大截面加固法增大原构件截面面积或增配钢筋，以提高其承载力和刚度，或改变其自振频率的一种直接加固法，适用于混凝土受弯、受压构件的加固。3.2.1.2置换混凝土加固法用高强度等级的混凝土置换原结构中受压区强度偏低或局部有严重缺陷的混凝土的一种加固方法，适用于承重构件受压区混凝土强度偏低或严重缺陷的局部加固。本方法的关键是新旧混凝土结合面的处理效果必须达到使新旧混凝土协同工作的要求。3.2.1.3外加预应力加固法通过施加体外预应力，使原结构、构件的受力得到改善或调整的一种间接加固法。原来主要采用普通钢筋施加体外预应力，近些年无粘结钢绞线在体外预应力加固中得到了应用。本方法注意对预应力钢筋、钢绞线的防火保护。3.2.1.4外粘型钢加固法对钢筋混凝土梁、柱外包型钢、扁钢焊成构架并灌注结构胶粘剂，以达到整体受力、共同约束原构件要求的加固方法，适用于需大幅度提高截面承载力和抗震能力的钢筋混凝土梁、柱结构的加固。3.2.1.5粘贴纤维复合材加固法通过粘贴主要承担拉应力作用的纤维复合材料(如碳纤维、玻璃纤维等)对钢筋混凝土受弯、受拉构件、大偏心受压构件等的加固。其基材混凝土强度不低于C15，纤维复合材表面应进行防护处理，处于高温(高于60℃)时或特殊环境时，可采用无机胶粘结剂。近些年采用了预应力纤维复合材进行加固处理的研究和工程实践，将进入修订的《混凝土结构加固设计规范》。3.2.1.6粘贴钢板加固法在钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件等的表面通过粘贴钢板进行加固的一种加固方法。与粘贴纤维复合材加固法类似，其基材混凝土强度不低于C15，处于高温(高于60℃)时或特殊环境时，可采用无机胶粘结剂。3.2.1.7增设支点加固法增设支点加固法是通过增设支点以减小被加固结构、构件的跨度或位移，来改变结构不利受力状态的一种间接加固方法，是一种传统的加固方法，广泛适用于对外观和使用功能要求不高的梁、板、桁架、网架等的加固。其支点根据支承结构、构件受力变形性能的不同，可分为刚性支点加固法和弹性支点加固法。3.2.1.8其它方法钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固法、绕丝加固法等[5]。3.2.2砌体结构加固3.2.2.1增设扶壁柱加固法在原砌体一侧或两侧增设砖扶壁柱或混凝土扶壁柱，来提高墙体承载力或改善其构造措施，应采取措施保证新增扶壁柱与原墙体的共同工作。3.2.2.2钢筋网水泥砂浆加固法通过敷设钢筋(丝)网，外抹水泥砂浆来提高墙体承载力或改善构造措施。3.2.2.3增大截面法采用混凝土面层或四周外包混凝土的方法来加固墙体或柱，来提高墙体或柱的承载力或改善其构造措施。3.2.2.4外包角钢在砖柱四周设置角钢，角钢间通过缀板连接，来加固柱的方法。3.2.2.5其它加固方法如采用增加构造柱、圈梁等措施的整体性加固；对过梁采取钢筋砖过梁、增设角钢、更换为钢筋混凝土过梁的加固等[6]。3.2.3钢结构加固3.2.3.1改变结构计算图形加固法采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固。3.2.3.2加大构件截面的加固法通过增大钢结构构件的截面宽度、厚度来提高其承载力或改善其构造措施。3.2.3.3连接的加固焊缝可通过增加焊缝长度、有效厚度或两者同时增加的办法实现[7]。3.2.4木结构加固3.2.4.1下撑式拉杆加固梁梁构件的挠度超过规定的限值、承载能力不够以及发现有断裂迹象时，可采用增加下撑拉杆组成新的受力构件。在加固前，要特别注意检查木梁两端的材质是否腐朽、虫蛀，只有在材质完好的条件下才能保证拉杆固定牢靠。3.2.4.2采用夹接、托接方法加固梁木梁在支承点入墙端易腐朽、虫蛀等损坏，可采取夹接，或接换梁头。当用于木夹板加固构造处理或施工困难时，可采用型钢托接的方法。3.2.4.3墩接法加固柱当柱角腐朽严重，但自柱底面向上未超过柱高的1/4时，可采用墩接柱角的方法，墩接材料可采用木材、钢筋混凝土或石材。3.2.4.4