既有建筑加固后可靠性与经济性的深度剖析

摘要：本研究聚焦既有建筑因承载力不足而进行加固的情况，通过对南京昂科 6 层梁板加固案例的深入分析，对比加固前后的可靠性与经济性。研究表明，加固后建筑结构在承载能力、变形性能和耐久性等可靠性指标上显著提升，且从全寿命周期成本角度，加固方案在经济上具有可行性和优势，投资回报率良好。

关键词：既有建筑加固；可靠性；经济性；梁板加固；案例分析

一、引言

1.1 研究背景与意义

随着城市化进程的加速，既有建筑在使用过程中面临诸多挑战，其中承载力不足是较为突出的问题。既有建筑因设计标准更新、使用功能改变、自然环境侵蚀等因素，结构承载能力可能无法满足现行要求。对这些建筑进行加固处理，不仅能保障结构安全，延长使用寿命，还能避免拆除重建带来的资源浪费和环境影响。

在建筑加固领域，深入研究加固前后的可靠性与经济性具有重要意义。可靠性关乎建筑结构在规定时间和条件下完成预定功能的能力，是保障建筑安全的关键。而经济性则涉及加固成本、后续使用效益等方面，对建筑全寿命周期成本控制至关重要。通过对比加固前后的可靠性与经济性，能为加固决策提供科学依据，优化加固方案，提高资源利用效率。

1.2 国内外研究现状

国内外学者在建筑加固领域取得了丰硕成果。在可靠性研究方面，建立了多种结构可靠性评估方法，如基于概率理论的可靠度分析、基于结构性能的评估方法等。这些方法能综合考虑结构材料性能、荷载不确定性等因素，准确评估加固前后结构的可靠性水平。在经济性研究上，关注加固成本构成、成本效益分析等内容，通过建立经济模型，分析不同加固方案的投资回报率和全寿命周期成本。

然而，现有研究在加固前后可靠性与经济性的综合对比分析方面仍存在不足。部分研究侧重于可靠性或经济性的单一维度，缺乏两者的系统关联分析。同时，针对不同类型建筑结构和加固方法的可靠性与经济性对比研究还不够全面，需要进一步深入探讨。

1.3 研究内容与方法

本研究聚焦于既有建筑因承载力不足进行加固前后的可靠性与经济性对比。通过选取典型案例，分析建筑承载力不足的原因及影响，设计并实施加固方案，从可靠性评价指标与方法入手，对比加固前后结构力学性能、检测监测结果等方面的差异，量化可靠性提升效果。在经济性方面，详细剖析加固成本构成，评估加固前后的经济损失与效益，对比经济数据，判断加固工程的经济可行性。

研究采用案例分析法，选取具有代表性的既有建筑案例，深入研究其加固过程。运用数据对比法，对加固前后的可靠性指标和经济数据进行对比分析。结合理论分析法，依据结构力学、可靠性理论、经济学原理等对研究结果进行理论阐释，确保研究的科学性和可靠性。

二、既有建筑承载力不足的原因及影响

2.1 常见原因分析

2.1.1 设计与施工缺陷

早期建筑设计规范相对宽松，设计人员对结构受力分析不够精准，可能导致结构构件尺寸偏小、配筋不足等问题。在施工过程中，若施工工艺不规范，如混凝土浇筑质量差、钢筋连接不可靠，会使结构实际承载能力低于设计要求。例如，某建于上世纪 80 年代的办公楼，因设计时对地震作用考虑不足，部分框架柱配筋无法满足现行抗震规范要求，施工时混凝土振捣不密实，存在蜂窝麻面现象，严重影响结构承载能力。

2.1.2 自然与人为因素

自然因素中，地震、洪水、风灾等自然灾害会对建筑结构造成不同程度的损伤。地震作用下，结构可能出现裂缝、变形，甚至倒塌；洪水浸泡会侵蚀建筑基础和结构构件，降低材料强度。人为因素方面，建筑使用功能改变较为常见，如将住宅改造为商业用途，增加了楼面荷载，超出原结构设计承载能力。此外，长期超载使用、不合理的装修改造破坏结构构件等，也会导致建筑承载力下降。

2.2 对建筑安全和使用功能的影响

承载力不足严重威胁建筑结构安全。结构构件在长期承受超过其承载能力的荷载时，会发生变形、开裂，随着损伤积累，可能引发结构局部或整体破坏，危及人员生命财产安全。例如，某工业厂房因吊车长期超载运行，吊车梁出现严重裂缝，变形过大，已无法正常使用，且存在倒塌风险。

在使用功能方面，承载力不足会导致建筑空间利用受限。为保障安全，可能需要减少楼层使用荷载，限制某些区域的使用功能。同时，结构变形、裂缝等问题还会影响建筑内部装修和设备安装，降低建筑的舒适性和美观性，影响其商业价值和使用价值。

三、建筑加固施工案例选取与介绍

3.1 案例一：南京昂科 6 层梁板加固

3.1.1 项目概况

本案例为南京昂科的一座 8 层框架结构厂房，本次加固的楼层为 6 层。由于生产需求变更，6 层需增设大量设备，导致原楼板无法承受新增设备荷载。该厂房建于 [具体年份]，原设计 6 层楼板承载力为 600kg/m²，现需提升至 1400kg/m²，加固建筑面积达 800m²。

3.1.2 承载力不足情况及检测鉴定

通过现场荷载试验和结构检测，发现 6 层楼板在新增设备荷载作用下，变形明显增大，部分楼板出现裂缝。采用钻芯法检测混凝土强度，结果显示部分楼板混凝土强度低于设计强度等级。利用钢筋扫描仪检测钢筋配置情况，未发现明显配筋偏差，但现有配筋无法满足新增荷载需求。依据《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344 - 2019）和《混凝土结构设计规范》（GB 50010 - 2010）（2015 年版）等标准，对 6 层梁板结构进行可靠性鉴定，结果表明该楼层结构安全性不满足现行使用要求，急需进行加固处理。

四、建筑加固施工方案设计与实施

4.1 加固方案比选与确定

4.1.1 常见加固方法介绍

加大截面加固法通过增大原结构构件截面尺寸，提高构件承载能力，适用于梁、板、柱等多种构件加固，优点是工艺简单、可靠性高，但施工周期较长，对建筑空间有一定影响。粘贴钢板加固法是将钢板粘贴在原结构构件表面，与原构件共同受力，能显著提高构件承载力，施工方便、工期短，但对胶粘剂质量要求高。碳纤维加固法利用碳纤维布或碳纤维板粘贴在构件表面，增强构件强度和延性，具有重量轻、耐腐蚀等优点，但对施工工艺要求严格。

4.1.2 本案例加固方案选择依据

综合考虑该厂房 6 层的结构特点、现场施工条件以及成本预算，决定采用粘贴碳纤维布加固法对楼板进行加固，采用加大截面加固法对部分框架梁进行加固。对于楼板，粘贴碳纤维布加固法能有效提高其抗弯和抗剪承载力，且碳纤维布重量轻，对原结构自重增加影响小，施工过程相对简便，对厂房内正常生产活动干扰较小。对于框架梁，采用加大截面加固法，可可靠提高梁的承载能力，增强结构整体稳定性，虽然施工会占用一定空间，但在可接受范围内，且成本相对合理。

4.2 加固施工过程与关键技术

4.2.1 施工流程与工艺

楼板粘贴碳纤维布加固施工流程为：表面处理（对楼板表面进行打磨、清洗，去除油污、疏松层）→底层树脂涂刷（均匀涂刷底层树脂，确保与楼板表面良好粘结）→碳纤维布裁剪与粘贴（按设计要求裁剪碳纤维布，在楼板表面和碳纤维布上涂抹浸渍树脂，迅速粘贴并压实）→养护（自然养护至树脂固化）。

框架梁加大截面加固施工流程为：梁表面处理（凿除梁表面疏松混凝土，露出坚实基层）→钢筋绑扎（在原梁周边绑扎新增钢筋）→支模（安装模板，确保模板尺寸准确、牢固）→混凝土浇筑（浇筑高强度等级混凝土，振捣密实）→养护（定期浇水养护，保证混凝土强度增长）。

4.2.2 质量控制与保障措施

在施工过程中，严格控制材料质量。对碳纤维布、胶粘剂、钢筋、混凝土等材料进行进场检验，确保符合设计和规范要求。加强施工过程监测，对粘贴碳纤维布的粘结强度、加大截面混凝土的浇筑质量等进行实时监测。设置质量控制点，如碳纤维布粘贴的平整度、钢筋锚固长度、混凝土振捣密实度等，每道工序完成后进行质量验收，验收合格后方可进入下一道工序，确保加固工程质量。

五、加固前后可靠性对比分析

5.1 可靠性评价指标与方法

可靠性评价指标包括结构承载能力、变形性能、耐久性等。结构承载能力通过计算结构构件在各种荷载组合下的内力和抗力，评估其是否满足设计要求。变形性能通过监测结构在荷载作用下的位移、挠度等指标，判断结构是否产生过大变形影响正常使用。耐久性则考虑结构材料的老化、腐蚀等因素，评估结构在设计使用年限内保持其性能的能力。

采用基于概率理论的可靠度分析方法，考虑结构材料性能、几何尺寸、荷载等因素的不确定性，计算结构在不同状态下的失效概率，以可靠指标衡量结构可靠性水平。同时，结合现场检测数据和结构力学分析结果，对结构可靠性进行综合评价。

5.2 加固前可靠性分析

5.2.1 结构力学分析

运用结构力学软件对加固前 6 层梁板结构进行建模分析，考虑恒载、活载以及新增设备荷载等荷载组合。计算 results 表明，楼板在最不利荷载组合下，挠度达到了 35mm，远超规范允许值 20mm，受拉区混凝土出现裂缝宽度最大达到 0.4mm，抗弯承载力不足；部分框架梁在新增荷载作用下，内力增大，原有配筋无法满足承载要求，如某框架梁在计算中的实际配筋率为 1.2%，而满足新增荷载所需的配筋率至少为 1.8%，结构处于不安全状态。

5.2.2 基于检测数据的可靠性评估

结合现场检测的混凝土强度、钢筋配置等数据，运用可靠性评估方法计算结构的可靠指标。经计算，该楼层结构整体可靠指标为 1.8，而现行规范要求的目标可靠指标为 3.2，结构可靠性水平较低，存在较大安全隐患。

5.3 加固后可靠性分析

5.3.1 加固后结构力学模型建立与分析

建立加固后的 6 层梁板结构力学模型，将加固后的楼板和梁构件参数输入模型。分析 results 表明，加固后楼板的抗弯承载力大幅提高，在正常使用荷载下，挠度降低至 10mm，满足规范要求，裂缝得到有效控制，裂缝宽度最大仅为 0.1mm；框架梁的承载能力显著增强，在各种荷载组合下，内力均在安全范围内，如上述框架梁在加固后的配筋率达到了 2.0%，满足承载需求。

5.3.2 现场检测与监测结果分析

加固施工完成后，对结构进行现场检测。采用拉拔试验检测碳纤维布与楼板的粘结强度，实测平均粘结强度为 3.5MPa，符合设计要求的 3.0MPa。对加固后的梁混凝土进行强度检测，强度达到设计等级 C35。通过长期监测结构变形，发现结构在正常使用荷载下的位移、挠度均在允许范围内，在为期一年的监测中，最大位移变化量仅为 2mm。综合检测与监测 results，加固后结构的可靠性得到有效提升。

5.4 加固前后可靠性对比结果

对比加固前后结构的可靠指标，加固前结构整体可靠指标为 1.8，加固后提高至 3.5，满足现行规范要求的目标可靠指标 3.2。在结构承载能力方面，加固前楼板和部分框架梁承载力不足，加固后所有构件承载力均满足设计要求。变形性能上，加固前楼板挠度超出规范值 75%，加固后降低至规范允许值内；框架梁相关变形也得到有效控制。耐久性方面，通过采用耐腐蚀的碳纤维布和防护措施，结构耐久性得到改善。加固显著提升了建筑结构的可靠性，保障了建筑的安全使用。

六、加固前后经济性对比分析

6.1 加固成本构成分析

本案例加固成本主要包括材料费用、人工费用、设备租赁费用、设计费用、利润等。材料费用方面，碳纤维布、胶粘剂、钢筋、混凝土等材料采购费用占比较大。人工费用涵盖加固施工各工序的人工支出，如表面处理、钢筋绑扎、碳纤维布粘贴、混凝土浇筑等。设备租赁费用包括吊车、电焊机、振捣器等设备租赁费用。设计费用为委托专业设计单位进行加固设计的费用。利润则是施工单位在该项目中期望获取的收益。

经统计，本案例加固工程总造价设定为 150 万元（包含 20% 利润，即利润为 150×20% = 30 万元），扣除利润后实际成本为 120 万元。在这 120 万元成本中，材料费用占 40%，约 48 万元；人工费用占 30%，约 36 万元；设备租赁费用占 23%，约 27.6 万元；设计费用占 2%，约 2.4 万元。

6.2 加固前经济损失评估

在加固前，由于 6 层楼板承载力不足，无法正常安装新增设备，导致生产计划受阻，预期收益无法实现，造成潜在经济损失。以每月预计生产产品价值 50 万元计算，因楼板问题延误安装设备，每月损失 50 万元。同时，结构安全隐患可能导致未来维修费用增加，若发生安全事故，还将面临巨额赔偿和法律责任。经估算，若不进行加固，未来 5 年内因生产延误和潜在安全风险可能造成的经济损失约为 300 万元。

6.3 加固后经济效益分析

6.3.1 长期使用效益

加固后 6 层楼板可满足新增设备荷载要求，保障了生产活动的正常进行。预计加固后该楼层可正常使用 20 年，在延长使用期内，因生产顺利进行带来的经济效益（如增加产品产量、提高生产效率带来的效益提升等）经估算约为 800 万元。假设每年因生产效率提升带来的额外收益为 40 万元，20 年则累计收益 800 万元。

6.3.2 投资回报率分析

计算加固工程的投资回报率，投资回报率 =（加固后长期使用效益 - 加固成本）÷ 加固成本 ×100%。这里的加固成本为 120 万元（不含利润），经计算，本案例加固工程投资回报率为 [（800 - 120）÷120]×100%≈567%，表明加固投资具有较好的经济效益。若考虑利润因素，从投资方角度，投资回报率 =（800 - 150）÷150×100%≈433%，依然显示出该项目在经济上的可行性和吸引力。

6.4 加固前后经济性对比结果

对比加固前后经济数据，加固前存在较大经济损失风险，预计 5 年损失 300 万元；加固后通过投入 120 万元实际成本（不含利润），获得了显著的长期使用效益，投资回报率高达 567%（不含利润视角），即便从包含利润的 150 万元总投入看，投资回报率也达到 433%。从全寿命周期成本角度看，加固方案在经济上具有可行性和优势，有效降低了建筑全寿命周期成本。

七、结论与展望

7.1 研究成果总结

本研究通过对南京昂科 6 层梁板加固案例的分析，对比了加固前后的可靠性与经济性。在可靠性方面，加固后建筑结构的承载能力、变形性能、耐久性等指标显著提升，可靠指标满足规范要求，有效保障了建筑安全。在经济性方面，虽然加固需要投入一定成本，但与加固前潜在经济损失相比，加固后通过提高使用功能、延长使用寿命带来的长期经济效益明显，投资回报率良好，从全寿命周期成本角度具有优势。

7.2 研究的不足与展望

本研究仅选取了一个典型案例进行分析，案例数量有限，研究 results 的普适性有待进一步验证。在可靠性与经济性分析中，部分影响因素的量化分析还不够精确，如结构耐久性对经济性的长期影响。未来研究可增加不同类型建筑结构和加固方法的案例，完善可靠性与经济性综合评价模型，更全面、精确地分析建筑加固前后的可靠性与经济性，为建筑加固工程提供更科学的决策依据。

八、参考文献

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