既有建筑结构加固改造原则及技术分析

摘要：目前我国经济社会的不断进步，更高、更大、更新的建筑层出不穷，这对部分中心城区或建筑密集地区的既有建筑在建筑使用功能、外立面更新、建筑空间利用等方面提出了更高的要求。基于此为了确保既有建筑建依然能够跟上城市建设提升的步伐，较好地继续为民众服务，既有建筑的结构加固改造得到了充分的重视。既有建筑的加固改造从建筑结构材料性能检测鉴定、抗震性能检测鉴定开始，以检测鉴定结果为依据进行合理的结构加固改造设计，之后由专业单位施工落实及检查验收，经过一整套系统工程后使其尽可能满足新的建筑使用功能、新的外立面效果、新的建筑空间要求。

关键词：建筑改造；结构加固；技术

既有建筑加固改造技术是基于建筑结构的总体效应原则的建筑技术，应遵循检测鉴定、加固设计、施工验收的总体流程，根据实际工程情况选定合适的一种或多种加固方法，有效利用原有结构体系和构件提升抗震性能，进而提高经济效益。随着科学技术的发展进步，更多的新型材料、新型技术会不断涌现，这些将源源不断地巩固、加强既有建筑的加固改造技术。当建筑材料美化建筑面貌，机电科技提升建筑内外部环境时，既有建筑结构加固改造技术也将助力一栋栋既有建筑跟上社会快速发展的步伐。

一、建筑结构加固的原因

钢筋混凝土结构或砌体结构在进行结构设计时是按照结构设计理论中的极限状态设计法设计的， 按照该方法设计必须满足结构设计的三大要求， 即结构要满足强度、刚度、耐久性的要求。但是由于设计施工中的种种约束和其它的一些原因， 会造成结构并不能满足上述要求， 比如： 设计方案选取不当、设计规范要求在建筑结构设计施工以后提高或由于施工过程中施工方案选取不当或者建筑材料指标没有达到建筑设计相关规范要求; 或者偷工减料导致建筑工程存在种种缺陷而造成的结构物承载能力以及结构刚度不能满足正常的使用要求， 甚至留有严重的安全隐患导致安全生产事故发生; 或者因为建筑物用途改变导致结构使用功能发生变化， 从而使得结构实际使用的荷载工况比如荷载大小和分布以及荷载的种类都与原设计方案不一致， 导致原结构的强度和刚度不能满足正常的使用要求。其次， 由于各种意外自然和人为的灾害比如地震、火灾、台风、洪水灾害、冰雪、冰冻灾害和人为的战争会造成建筑结构不同程度的损坏。根据建筑结构情况， 对现有基础设施进行鉴定， 根据鉴定结果对已有工业和民用建筑适合结构加固改造的建筑物及其他基础设施进行技术改造和维修不仅可以节约固定资产投资， 减少土地征用， 缓解在城市发展过程中产生的日趋紧张的城市用地矛盾， 同时对于减少某些不可回收利用的建筑垃圾， 降低工业产能， 均有着非常重要的现实意义。同时， 在我国建筑结构加固处理的新技术、新方法的研究与开发以及应用有着非常广阔的开发空间与运用前景。

二、既有建筑结构加固技术

1、外包钢加固法。外包钢加固法是采用横向缀板或套箍为连接件，将型钢或钢板包在原构件表面、四角或两侧，以减轻或取代原构件受力的一种加固法，如图。

采用外包钢加固，原结构构件截面尺寸增加不多，但承载力和抗震能力可大幅度提高。加固后原构件混凝土受外包缀板的约束变成三项受力的约束混凝土，从而增加了结构的延性；加固不需要模版；现场施工速度较快。该加固方法受使用环境限制，费用较高，有时需要特制的夹具；需进行防腐处理，以提高耐久性。适用于梁、柱承载力不足。

2、加大截面加固法。加大截面加固法是在原有混凝土构件外部重新构建另外一层钢筋混凝土结构或型钢结构。在加固设计原理上，通过对结构构件截面的加大和必要的结构构造措施保证加大截面部分的结构材料与既有结构材料形成有效连接，并且能够整体共同受力，最终达到补强结构的材料性能和提升抗震性能的目的。其在一定程度修复受损的混凝土结构，同时能够改善原有结构构件的耐久性。加大截面加固法通过提升单构件截面的抗弯、抗压、抗剪能力，进而提升整体结构的承载能力。在具体工程应用中，混凝土柱、墙、梁、板均可采用加大截面加固法进行加固。加大截面加固技术工艺成熟，便于施工，适应范围广，可靠性高，不过由于需要进行湿作业，施工工期较长，截面加大部分需占用较多原建筑空间，会增加结构自重，而且进行局部加固时，存在破坏原建筑的整体结构平衡的可能，所以在具体工程中应全面分析设计。加大截面加固法法是增大原构件截面面积并增配钢筋，以提高其构件承载能力和刚度的一种直接加固方法，如图。

采用加大截面法，可以大幅度的提高构件的承载力和刚度，增加结构的稳定性，加固后的结构可靠性好，但此法施工周期长；需要湿作业；构件尺寸、面积的增大很可能会影响其原有的使用功能；加固后易引起建筑薄弱层的转移。这种法适用于梁、板、柱、墙、基础和屋盖等部分结构构件的加固。

3、粘贴钢板加固法。该方法是一种比较成熟的加固技术，指的是在不改变建筑原有结构体系的前提下，使用诸如高性能环氧胶粘剂等结构胶粘剂，配合锚栓将钢板粘贴在需要加固的钢筋混凝土梁、柱结构之上，进而利用钢板良好抗拉性能对建筑结构进行针对性补强，达到加固的目的。粘钢加固法对使用空间影响小，具有人力成本低、经久耐用、经济合理等优势，能够基本保持结构原装，因此被广泛应用于既有建筑结构加固过程。如图所示。

在考察过工程现场条件之后，分析既有建筑环境温度为23度，相对湿度为55%，构件类型为承受静力作用的一般受弯及受拉构件，符合粘钢加固施工条件。在此基础上，遵循粘钢加固技术一般施工规范，对钢板粘接面和混凝土构件表面进行清洁处理，去除钢板粘接面的锈迹，以及混凝土构件粉饰层、油垢、污物，确保粘接剂发挥理想效果，避免因为二者粘接不牢现象而出现的二次事故现象；对粘接剂事前进行质量检查，严格按照搅拌标准进行加工；按照抹胶厚度1-3mm、中间厚、边缘薄的施工要求，按专门工艺要求将钢板与需要加固的建筑构件进行粘贴，促使二者形成一个整体，增强构件承载能力及刚度；粘接完成后立即用支撑固定，通过施工压力的方法将多余粘接剂挤出，对缺角的地方进行补充，降低钢板的滞后应变；为了延缓粘接剂胶层老化，延长钢板的使用寿命经过1-2小时后，进行相应的质量检验与成品保护工作，保证加固工程的质量。

4、置换混凝土加固法。置换混凝土加固法在既有建筑结构加固设计中的应用方式为把混凝土结构中的一些强度低、硬度低以及承载能力较弱的混凝土置换为强度高、性能高的混凝土。从加固原理上来看，置换混凝土加固技术主要通过受压区的混凝土材料性能的提升完成钢筋混凝土结构加固改造的目的。置换混凝土结构加固技术在具体应用中，施工技术和操作较为便捷，并且重新浇筑不会对整个建筑物结构自身净空造成影响，目前应用在具有一定缺陷的混凝土梁、柱、板部位。通过实际工程比较发现，置换混凝土加固法具有工程成本投入程度低、对结构卸载以及支撑措施施工要求偏高、施工工期较长的特点。

5、粘结外包型钢加固法。粘结外包型钢加固法是加大截面加固法的一种，在具体施工时与粘贴钢板加固法类似。在具体应用中，其是为钢筋混凝土结构外部重新增加一层型钢构件，具体可采用钢板或角钢等，外层型钢的增设对于原内部钢筋混凝土结构各项受力性能有着显著提高。在施工中，应用锚栓、灌注结构粘结材料的粘结技术把外层型钢同内部钢筋混凝土结构进行可靠连接，使其形成一个整体共同受力。该结构技术是在提升钢筋混凝土结构受力截面的基础上实现钢筋混凝土结构性能的改善。相比于混凝土加大截面加固法，粘结外包型钢加固法具有可靠性高、施工工艺成熟等特点，同时对建筑空间的占用较少，不过用钢量较大，在高温场所应用时有所限制，另外需对型钢采取防腐、防锈、防火处理。

6、粘贴复合纤维材料加固法。粘贴纤维加固法在加固设计原理方面也是通过新旧结构材料之间建立可靠连接，以形成整体共同受力，进而达到提升结构性能的目的。在加固改造中，纤维材料具有耐腐蚀、耐潮湿、自重轻、后期维护费用低等优点，但需进行防火处理，适用于受力性能提升较少的结构构件部位。高强度纤维片材是指由碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，按一定规则排列组成的纤维织物。补强修复时，在施工现场采用现场手糊工艺，用浸渍树脂将高强度纤维片材粘贴在结构构件表面上，固化后形成具有纤维增强效应的复合材料，如图。

粘贴纤维复合材料加固，施工简便、快速，不增加原结构重量和影响结构外形，但打磨混凝土表面时，粉尘和噪声较大。脆性较大，冲击、剪切强度低，耐高温和耐火性能差。该方法适用于钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压和受拉构件的加固；不适用于素混凝土构件，包括受力钢筋配筋率低于国家标准《混凝土结构设计规范》规定的最小配筋率的构件的加固。

三、工程应用

本项目结构加固设计与施工项目根据既有建筑加固工作流程，通过第三方权威机构的检测与鉴定，结论如下。①该工程基础筏板、地下室剪力墙柱混凝土设计强度等级均为 C35，实测混凝土批量抗压强度推定值分别为 30.0MPa、30.1MPa。②一层 ～ 三层剪力墙混凝土设计强度等级均为C35，实测混凝土批量抗压强 度 推定值分别为31.7MPa、30.3MPa、30.2MPa。

1、剪力墙加固设计。根据鉴定结论和业主要求，对不符合设计标准要求部位进行加固。材料要求①钢筋：本工程采用 HRB400 级钢筋，钢材具备出厂证明，钢筋的强度标准值具有不小于 95％的保证率，并有屈服强度及含碳量的合格证。②焊条：采用手工焊时，HRB400 钢筋采用 E55焊条。使用埋弧自动焊时，选用的焊丝焊剂应与主体金属的强度相匹配；焊丝符合现行标准《焊接用钢丝》（GB 1300- 77）的规定。③混凝土强度等级：大截面采用Ⅳ类水泥基灌浆料，高强灌浆料需采用 70%灌浆料与 30%细石混凝土混合而成的浆料，且细石混凝土粗骨料的最大粒径不大于 12.5mm。④植筋采用 A 级胶粘剂，使用大连某公司生产的JGN 型植筋胶。对于潮湿环境下植筋，应选择适用于潮湿环境的植筋胶，同时提供厂家提供相关证明文件。植筋胶产品提供相关性能检测报告，性能指标符合 《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》（GB50728）的规定。⑤裂缝修补采用 A 级胶，具备出厂合格证明，其性能符合《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》GB 50728的规定。

2、植筋工程

根据设计图纸要求，确定钢筋植筋位置，检查植筋处的周边尺寸，确保所植钢筋位于有效约束范围内，同时对群锚植筋的最小间距值和最小边距值要求不小于 5d。如图。

3、模板工程

（1）支撑内外模。支撑内外模用多层板和 60×80 方木相组合，采用 Ф48×3.5 纵横钢管作为外边固定，用 Ф14 螺杆（螺杆末端丝扣长度大于等于 7cm） 和 3 型扣件稳固整齐，墙厚采用焊接钢筋限位，每隔 40 cm 水平设置一道螺杆，垂直间距为 500 mm。。

（2）剪力墙模。用φ48 钢管作为剪力墙外侧模板支撑，用成品铁板垫块或 山形帽作为钢管外侧的固定件并加双螺帽拧紧。用线锤校正和校准每轴，并检查承重架是否稳固，支撑系统是否稳固。

（3）质量程序控制。模板支护应按照现行《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204）要求进行质量控制。二次灌浆时，模板与设备底座周边的水平距离为 100mm；模板顶部标高应高于设备底座上表面50mm。在混凝土结构改造加固时，在模板支护上应留有足够的排气孔和灌浆孔用于灌浆施工，灌浆孔的孔径应大于 50mm，间距应小于 800mm，灌浆孔与排气孔不应低于孔洞最高点 50mm。

在庞大的既有建筑中，有相当一部分建筑接近或已经达到其设计基准期；其次，恶劣环境、自然灾害、人为因素等也严重影响到结构的正常使用。诸多因素的综合作用导致结构的安全性、适用性、耐久性下降甚至不能继续使用。选择合适的加固方案对这些既有建筑进行加固，可以避免社会资源的浪费，也符合当今低碳社会的可持续发展要求。

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