基于建筑结构工程的钢筋混凝土加固设计方案研究

引言

随着城市化进程加快，大量既有建筑因材料老化、使用功能变更或设计标准更新面临结构安全风险。钢筋混凝土作为建筑主体材料，其加固技术的科学选择直接决定改造工程的经济性与可靠性。

1 研究背景与意义

全球范围内存在大量服役超过设计基准期的钢筋混凝土建筑。混凝土碳化、钢筋锈蚀、荷载标准提高等因素导致结构性能退化，引发承载力不足、裂缝扩展等问题。科学有效的加固设计能显著提升结构安全储备，避免资源浪费，符合可持续发展理念。研究加固技术对保障人民生命财产安全、促进建筑行业绿色转型具有紧迫现实意义。

2 建筑结构工程中钢筋混凝土的常见问题

2.1 材料性能退化

混凝土长期暴露于大气环境时，碳化作用持续降低内部碱度，当碳化深度达到或超过钢筋保护层厚度时，破坏钢筋表面钝化膜稳定性。水分与氧气介入后激活电化学腐蚀过程，促使钢筋发生氧化反应。锈蚀产物体积膨胀产生内部拉应力，致使混凝土保护层沿筋方向开裂甚至剥落。这一过程削弱钢筋有效承载截面面积，同时降低钢筋与混凝土的粘结强度。氯离子渗透破坏钢筋钝化膜完整性，冻融循环加剧混凝土内部微裂缝扩展，二者协同加速材料孔隙率增长，导致混凝土密实度下降及耐久性能衰退。

2.2 结构功能适应性不足

既有建筑因使用功能变更导致实际荷载超出原设计阈值，典型场景如办公建筑改造成数据中心引发楼面设备荷载倍增。原有结构体系未考虑现行抗震规范对延性构造的强制要求，普遍存在梁柱节点核心区抗剪箍筋配置不足、框架柱轴压比超限、塑性铰区箍筋约束缺失等系统性缺陷。结构构件因长期超负荷运行引发累积损伤，用户擅自拆除承重墙体或开洞等违规改造行为进一步扰乱传力路径。此类问题导致结构在突发荷载作用下发生局部失效，对整体稳定性构成显著威胁。

3 建筑结构工程钢筋混凝土加固设计的方案

3.1 增大截面加固法

增大截面加固法通过扩大原有构件截面尺寸以增强结构整体刚度与承载能力。该方法主要应用于梁板及柱体构件，其中梁板底部增浇混凝土层可有效提升抗弯性能，柱体环向包裹混凝土则显著增强轴向抗压稳定性。施工技术要点包括彻底凿毛原混凝土表面，清除松散颗粒并清洁界面，随后均匀涂刷高性能界面剂以优化新旧材料粘结性能。新增受力钢筋通过化学植筋技术与原有主筋可靠连接，确保应力传递连续性。该方法占用较多空间，影响建筑净高及使用功能。典型适用场景包括工业厂房和大型公共建筑，因其空间余量较大，可容纳截面增量。实施过程中需监测新增混凝土收缩徐变效应，防止界面开裂导致协同工作失效，同时优化配合比设计以减少自收缩风险。

3.2 外包钢加固法

外包钢加固法采用角钢或钢板等金属材料对混凝土构件施加外部约束，形成组合结构体系以提高抗压和抗剪性能。框架柱常采用四角包角钢结合横向缀板紧固的方式，构建钢混组合截面；梁体底部粘贴钢板可替代受拉钢筋功能，提升抗弯强度。施工方法分为湿式与干式两种，湿式工艺在钢材与混凝土间灌注高强结构胶实现整体粘结，干式工艺则依赖螺栓直接固定钢件。该技术能快速改善构件承载力，适用于需紧急处理的加固工程。但长期使用需对钢材表面进行防腐处理，节点区域应力集中现象需通过附加加固措施缓解。应用范围包括短期应急项目和低干扰施工环境，但构件尺寸增大后影响建筑外观与管线布设，需提前评估结构体系兼容性。

3.3 纤维复合材料加固法

纤维复合材料加固法利用碳纤维布或玻璃纤维布粘贴于混凝土表面，通过材料高强特性改善结构性能。纤维方向沿构件主拉应力方向布置可抑制裂缝开展并提升抗弯能力，对柱体施加环向包裹则提供三向约束效应，增强受压稳定性和延性。标准施工流程涵盖基底处理、底涂施工、浸渍胶粘贴及表面防护四个关键工序：对混凝土表面精细打磨并除尘，涂刷专用底涂材料以提高粘结强度；均匀敷设浸渍胶后准确粘贴纤维布；最终施加防护层抵御环境影响。该方案具备轻质高强和耐腐蚀优势，适应空间受限区域或电磁敏感设备附近的结构强化。

3.4 体外预应力加固法

体外预应力加固法通过增设外部钢绞线束并施加预应力，在构件内部引入反向弯矩以抵消原荷载效应，主动调节内力分布并提升结构性能。直线布筋方式集中于改善梁体抗弯性能，折线布筋则同步增强抗剪能力。锚固系统通过转向块精确控制预应力传递路径，使用专业张拉设备实施分级加载以平衡预应力损失。该技术能有效闭合现有裂缝并优化结构刚度，但锚固端混凝土必须具备较高局部承压能力，否则易发生压碎破坏。典型应用包括大跨度桥梁和体育场馆，其空间布局便于布筋和张拉操作。实施中需计算预应力长期松弛效应，设置补偿机制，并避免预应力索振动或腐蚀问题以确保持久稳定性。

3.5 新增支点加固法

新增支点加固法增设柱体、剪力墙或斜向支撑等构件以改变原结构传力路径，优化内力分布并提升整体性能。单跨梁增设中间支点可缩短计算跨度，显著降低跨中弯矩；框架结构增设抗震墙则大幅提升整体抗侧刚度与抗震能力。技术核心在于基础设计：需准确验算新增基础与原有基础的沉降差异，设置沉降缝或后浇带控制附加内力传递，并通过结构胶或机械连接确保新旧体系协同工作。该方案对原结构改动程度较大，影响建筑功能分区和空间布局。适用场景为建筑整体功能调整或体系优化项目，实施前需进行整体模型分析以验证传力路径合理性，避免局部构件过载导致的连锁失效风险。

3.6 钢板-混凝土组合加固法

钢板-混凝土组合加固法通过在原有混凝土构件表面焊接钢板并浇筑新混凝土层形成二次组合结构体系，该方法优先处理钢板安装定位：在清洁的混凝土表面钻孔植入抗剪栓钉并焊接连接件，随后精确安装带预钻孔洞的钢板并完成焊接固定。新增混凝土层浇筑前需彻底湿润原构件界面，采用微膨胀细石混凝土进行压力灌注，确保密实填充钢板与旧混凝土间的空隙。新旧材料共同工作时，钢板孔洞内形成的混凝土榫和抗剪栓钉可显著增强界面剪力传递能力。该技术优势在于最小化构件尺寸增量，不影响建筑净空，同时提升构件抗弯刚度及裂缝控制能力。适用于梁柱节点加固及楼板承载力提升等对空间敏感场景。

结束语

总之，钢筋混凝土结构加固需综合考量损伤机理、空间限制及经济指标。增大截面法通过几何强化实现根本性增强，外包钢技术侧重钢混组合效应，纤维复材方案体现轻量化优势，体外预应力具备主动调控功能，而新增支点法重在优化结构体系。工程实践中应通过检测鉴定确定目标可靠指标，制定层次化加固路径，为建筑全寿命周期安全运维提供技术支撑。

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