建筑结构加固设计综述

摘 要：本文从加固的原因、特点、基本原则、常用加固方法等几方面对建筑结构加固设计进行论述，并指出了建筑结构加固设计的注意事项，最后对建筑结构加固需要完善的地方提出了几点看法，以期为相关学者提供借鉴。

关键词：结构加固；加固方法；加固设计

中图分类号：TU746.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0103-03

Summary of the Design of Building Structure Reinforcement

SHEN Lei1 SU Yu2

（1.SIPPR Engineering Group Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450006；2. Henan Design & Research Institute of National Defence Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： This paper discussed the reinforcement design of the building structure from the reinforcement of the reasons， characteristics， basic principles， common reinforcement method， and pointed out that strengthening design of building structure， and need to be perfected and put forward some views on building structure reinforcement， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： structure reinforcement；strengthening methods；reinforcement design

改革開放以来，我国建筑工程行业得到快速发展，各种建筑工程的建设极大地推动了祖国的现代化。但同时我们也应当看到，目前我国很多建筑在使用多年后出现了不同程度的材料劣化和结构损伤，无法满足结构的安全性、适用性及耐久性的要求。既有建筑的鉴定加固已然成为热门，相应的建筑结构加固设计也逐渐获得重视。

1 建筑结构加固的原因

建筑结构需加固的原因主要有以下几个方面[1]：①设计失误、施工不当、功能变化及维护缺失等原因导致建筑结构无法正常使用；②建筑结构遭受突发灾害（如地震、爆炸、火灾、风灾等）；③长期在不良的工作环境中作用，导致结构内部发生变化（如处于高温、酸、碱、温差、冻融循环等）；④相关部门对设计标准和使用要求的变化。

2 建筑结构加固的特点

①建筑结构加固受到原有结构设计的制约。建筑结构加固是对固有的建筑结构进行改造，因此，在进行结构加固设计时，必然会受到原有设计参数的制约，如截面尺寸、截面形式等。这就要求设计人员根据加固结构的检测结果与现场条件提出合理的加固方案，并与其他施工人员密切配合，互相协调，只有这样，才能保证结构加固实现安全、合理、经济及适用的目标。

②应力、应变的滞后性[2]。结构在加固前已存在荷载作用，构件存在一定的弯曲变形和压缩变形，截面应力及应变一般来说均处于较高水平。而此时，新施加部分只有在新增加荷载时受力才开始，这会引起新施加部分相对于原结构在应力、应变上有所滞后，致使新旧结构应力峰值不能同步。因此，加固应力指标超过一定限值的结构时，需要采取有效的卸荷措施，否则将达不到预期的加固效果。

③加固结构可以理解为叠合结构，新旧结构两者间存在协同工作时的同步受力问题[3]。结构协同工作的关键取决于新旧结合面的构造处理与施工方法，因为结合面混凝土的粘结强度一般总低于混凝土本身的强度，因此，一般来讲，叠合结构相比于全现浇结构的承载力要差一些。在结构加固设计中，必须采取措施保证新旧部分之间的有效结合。

④在结构设计过程中，为保证结构具有良好的工作和受力性能，结构设计理论及相关设计规范对构件之间的刚度比都有一定的要求。在进行结构构件的加固时，不能仅仅考虑局部受损构件的加固设计，而应基于整体结构进行结构受力后工作性能的分析，保证结构的薄弱部位不因发生变化而产生安全隐患。

3 建筑加固设计基本原则

3.1 结构可靠度鉴定先行的原则

在进行结构加固设计前，首先需要进行结构鉴定工作。具体操作时应对既有结构进行材料力学性能验证、材料质量核验及承载力调研，也就是说要充分搜集既有结构在最初建造时的设计和施工的相关资料。通过现场对工程实体所做的各种检测验证搜集的各项资料，做好数据记录及对比，如果现场检测表明搜集到的一些资料与实际情况不符，则需要对此进行再次核实。若核实后仍不满足需要，则应以实测数据为准。在此基础上，依据调查所得数据对结构进行可靠性鉴定，准确评定出结构的现状和加固的范围。

3.2 荷载取值与承载力验算的原则

加固设计时，必须遵循荷载取值与验算承载力的原则[4]。

一般来说，加固结构的荷载验算应按照结构实际所承受的荷载进行验算。进行结构加固设计计算时，加固结构的荷载取值可依据现行国家规范《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的相关条文取用。

进行结构承载力核算时，计算简图的确定应按照现有结构的实际构件尺寸及受力状态取用，构件的截面积应按照实际构件的有效面积取用（也即考虑构件的锈蚀损伤缺陷等各种不利作用）。计算时，还必须考虑结构加固时的真实受力状态、加固部分与原结构的协同工作效应和加固部分的受力滞后特点等因素，对加固部分的各种材料强度设计值进行相应折减。

3.3 材料的选用和取值原则

为使加固设计后结构协同工作良好，选用的加固材料的性能和种类应尽量与原有结构相适应[5]。钢筋优先采用HPB300、HRB335级别的，扁钢、钢板、型钢和钢管优先采用Q235号钢或者16号锰钢。加固用的水泥宜优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，水泥标号不小于32.5号，优先选用微膨胀型水泥。加固用的混凝土标号应比原有结构构件高出一级，若原构件、结构混凝土标号较高（如大于C40）时，加固用混凝土标号可与原结构标号一致，但需要采取相应技术措施使新旧混凝土充分结合。加固所采用的化学灌浆材料和粘结材料的强度（粘结强度）应超出被加固结构混凝土的强度。

3.4 结合抗震设防的原则

多数因年代久远而需加固的结构在设计阶段并未考虑抗震设防，为使建筑结构在发生地震时具有一定的安全储备，应结合抗震规范进行加固，使结构具备抗震性能。

3.5 整体分析的原则

加固设计时应对原有结构的实际受力状况和加固完成后的受力特点进行全面分析，将加固后的结构作为一个整体进行计算分析，而不是仅仅分析加固部分，以保证新旧结构连接可靠、传力明确。

4 常用加固方法

常用的结构加固方法可分为三类：直接加固方法、间接加固方法和综合加固方法。尽管不同的加固方法有不同的计算理论和计算方法，但其本质都是依据结构状态函数进行分析研究，如公式（1）所示[1]：

Z=R-S （1）

式（1）中，Z表示功能函数；R代表结构的抗力；S代表荷载的效应。

结合式（1），为使功能函数大于0，可采取以下三种方法：①保持荷载的效应S恒定，提高结构的抗力R，这就是直接加固方法的思路；②保持结构的抗力R恒定，降低荷载的效应S，这就是间接加固方法的思路；（3）同时提高结构的抗力R和降低荷载的效应S，这是综合加固方法的思路。

4.1 直接加固法

用以直接提高建筑结構的节点或者构件的承载能力的方法称为直接加固法。直接加固法的明显特征是加固后结构将进入二次受力状态。加固后新结构的承载能力并非简单的新旧结构抗力的叠加。

4.1.1 增大截面法。增大截面法是借助提高构件配筋率或者加大构件截面积的方法来提升结构的强度、刚度、稳定性。该方法工艺简单、适应性强、后期维护成本低，故实际工程中应用较为普遍。该方法的不足之处包括现场有大量工作需要湿作业，较长的养护时间，截面增大对构件外观和建筑净空也有一定影响。

设计时要注意对结构整体进行分析，不能仅考虑局部加强，避免导致结构局部薄弱层的出现。此外，由于构件质量和刚度的变化较大，应注意使结构固有频率的变化处于合理区间。

4.1.2 外粘型钢加固法。外粘型钢加固方法是在钢筋混凝土柱、梁等构件四周采用型钢（槽钢或角钢）进行加固。该方法具有截面尺寸增加不多、构件承载力大幅提高、施工简便、工期短的优点。但是，外包型钢需做好防腐处理，以提高其耐久性。

4.1.3 预应力加固法。预应力加固法是使用外加型钢撑杆或预应力钢拉杆对结构进行加固处理。该方法兼具改变结构内力、卸荷和加固三种效果，特别适合对大跨结构进行加固和常规方法处理不好的高应力状态加固。撑杆或拉杆的连接是其关键技术，锚固承载力不能小于撑杆或拉杆自身的承载能力。

4.1.4 增设支点加固法。该方法是借助增加支点来降低构件计算跨度，最终实现降低构件内力及提升构件承载力。该法适用于板、梁、网架、桁架等水平向结构的加固。

4.1.5 粘贴碳纤维布加固法。该方法是借助胶结材料将碳纤维布粘贴在混凝土构件表面，与原有结构成为整体并共同受力，提高原有结构的抗剪能力和抗弯能力，达到结构补强的目的。碳纤维布非常适合在高酸、碱、盐及大气腐蚀的环境中使用。

4.2 间接加固法

间接加固方法是通过改变结构整体布置，转换或削减结构内力。其本质是通过减少外界作用达到提高结构安全度的目的。

4.2.1 改变使用功能法。使用功能不同，则荷载不同，可借助此法减少荷载的输入，以提高结构安全度。例如，将仓库（5kN/m2）改为常规房间（2kN/m2）。

4.2.2 减隔震法。利用减隔震的相关技术，减少或阻止对结构或构件的外力作用，称为减隔震法。例如，在结构中增设约束屈曲支撑、机床上楼采用隔震加固法、打桩工程采用隔振沟。

4.3 综合加固法

综合加固法就是同时借助若干种加固方法提高结构构件的某项性能。该方法的优点是可以利用不同加固方法之间的长处。利用这种方法是获得加固最优性价比的合理途径。其基本思路如下。①借助某一种方法的优势。例如，预应力加固法可克服其他方法所不能克服的应力应变滞后等问题，甚至可使裂缝闭合。②弥补某一种加固方案的缺点。例如，增加支点及托梁拔柱可有效减小构件所受到的内力，提高安全度和构件性能，但该方法将造成使用上的不便，需要借助其他方法弥补该缺陷。

5 结语

建筑结构加固设计是否合理对最终工程质量和经济效果影响重大。目前，我国建筑结构加固设计已进入了新阶段，但结构加固还存在着诸多需要注意的问题：①加强对加固设计基础性理论的研究；②完善混凝土结构加固的技术标准；③加强结构加固专业软件的开发。

参考文献：

[1]黄春华，胡新丽.结构加固的现状与探讨[J].广东建材，2008（2）：13-16.

[2]张益多，刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述[J].江苏大学学报（自然科学版），2003（6）：91-94.

[3]杜秀洁.混凝土结构加固设计分析[J].包钢科技，2006（1）：74-76.

[4]刘凌云.混凝土结构加固技术研究及工程实践[D].郑州：郑州大学，2010.

[5]郭健.钢筋混凝土结构加固改造方法的研究及工程应用[D].长沙：湖南大学，2005.

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