浅谈建筑结构加固设计

文／刘红丽 中机中联工程有限公司 上海 200135

引言：

哪些情况下会涉及到建筑结构加固设计呢？简单总结一下：（1）已有建筑已达到其设计使用年限，想继续使用，经过结构鉴定需要做加固设计的情况；（2）建筑结构出现一定程度上损坏，如结构出现裂缝、结构碳化、腐蚀等经过结构鉴定需要做加固设计的情况；（3）建筑使用功能发生改变或增加，如增加电梯、设备房间等，需要在原结构上增开洞口、增设新的结构构件的情况；（4）工业建筑工艺设计调整，荷载增加，荷载分布改变，原构件不满足设计要求的情况；（5）施工过程中失误或错误，造成如材料强度等级不满足设计要求的情况等。导致建筑加固的原因有很多，在进行加固设计之前一定要全面细致的了解。

1.加固设计的意义

1.1 提升建筑物的耐久性

房屋建筑都是有一定的使用年限的。受人们的日常生活习惯及外界因素的影响，建筑物的寿命也会因此缩短。在日常使用中，建筑物的结构会在一定程度上被损坏，导致其外表和最初的样子不一样，也会产生，例如裂缝，钢筋混凝土结构的碳化和腐蚀，建筑物的整体沉降等问题，这些问题都会影响人们的日常生活，甚至威胁人民的生命财产安全。通过对建筑物进行合理的加固设计，可以提高建筑的耐久性，延长建筑物的使用年限。

1.2 提升建筑物整体性和稳定性

随着人民对于房屋建筑的质量要求越来越高，全面提升房屋建筑的抗震性能就越为重要，特别是在我国一些地形复杂的地方，一些特殊的地形地貌，尤其是在地震活动区域，对于房屋的防震性能有着很高的要求。因此，我们要对房屋建筑的关键结构进行技术改造，使其抗震性能持续提升，从而使人民群众的财产和生命得到更多的保障。

1.3 提升建筑物的经济价值

通过对建构筑物的加固与改造，可以使原有建筑物价值得到提升。随着社会的进步，人们对物质生活，生产，功能使用等方面需求的提高，我们可以对既有建筑物的外观、结构、生产工艺、周边环境进过规划、鉴定、设计、改造与加固施工后，改变原有的业态（使用功能），比如：经过市场调研，在某城市区域不适合设立商城的可以通过改造与加固改成酒店、写字楼、住宅等；亦或是某工厂由于生产工艺过时，产能低下，不能满足市场需求需要转型升级或进行工艺和技术改造，比如：引进高科技先进生产线替代既有工艺，或总体转型升级，工改商（将既有工厂改成商业价值的商场、办公楼、写字楼等）、工改住（将既有工厂改成住宅楼）、工改工（将既有工厂转型改成其它产业的工厂）等。总之，通过对既有建筑物的改造与加固，即节约工期、成本、资源再利用减少乱费，价值升级快，满足了环境改善、功能需求、价值提升等多方面的需求。

1.4 与周边环境的融合

加固改造工程除了给人民提供一个合适的居住环境，还要兼顾城市发展的协调性，因为老旧建筑与现代化风格有所不同，工程要保证改造后的建筑符合现代化城市的新面貌。另外，建筑行业除了建造新建筑外，还对老建筑加固结构改造，特别是对文物建筑进行修缮，是建筑行业应该承担的责任，对于时代来说也具有重要的意义。

2.加固设计原则

在混凝土结构加固前，应进行结构鉴定，确定是否需要加固及加固方案。结构鉴定包括可靠性鉴定和抗震鉴定，可靠性鉴定侧重于结构的安全性和正常使用性；抗震鉴定侧重于房屋的综合抗震能力及整体性。在建筑结构加固设计的过程中，应遵循以下几个方面：（1）要提高对建筑物整体性的重视，确保加固设计的各方面参数都符合现行规范要求；（2）要重视经济性与合理性。加固设计不仅需要对具体的加固方法进行慎重考虑，保证加固设计的合理性，同时还需要控制成本造价，使得经济效益能够达到理想水平；（3）要遵循必要性的原则。加固设计中要考虑施工作业的难度，结合造价成本因素，在评估结构是否需要采取加固处理措施的过程中，应遵循必要性的原则。针对不同构件分层实施必要加固措施、需要加固及不需要加固这三种不同等级的措施，同时应优先考虑必须要加固构件的位置，从而提高建筑的整体性、稳定性。（4）要遵循先检测后加固的原则。在施工作业开始之前，需要对房屋整体结构的质量展开检测，一般情况下是要检测需要加固结构和建筑物构件两个方面内容，借助专业检测技术和设备确定其中存在问题，并制定有效的解决措施。在实际检测工作中，检测人员必须要了解房屋建筑材料构件和房屋的具体结构设计，针对结构中容易出现破损或者已经破损严重的位置，采取科学的技术手段展开加固处理，提高房屋建筑整体的稳定性。

3.加固设计程序

加固工程工作程序进行：原结构可靠性和抗震鉴定、加固方案选择、加固施工图设计、施工图审查、施工、竣工验收。

3.1 原结构可靠性鉴定

结构加固前，应收集现有设计图纸、计算书、详细的岩土工程勘察报告竣工验收原始资料等；调查建筑结构现状与原始资料符合程度、施工质量和维护状况、并进行必要的检测；当资料不全时，应根据鉴定的需要警醒补充和实测。

3.2 原结构抗震鉴定

按照建筑结构的特点、结构布置、构造和抗震承载力等因素，采用相应的鉴定方法，进行综合抗震能力分析并做出评价，对不符合抗震鉴定要求的建筑提出相应的抗震减灾对策和处理意见。

3.3 加固方案的选定

加固方案应按照结构鉴定结论，结合结构特点及施工条件，按照安全性、可靠性、经济性合理原则确定。结构的静力加固着重于提高结构构件的承载能力；抗震加固着重于提高结构的延性和增强房屋的整体性；地基基础加固成本较高，施工复杂，宜采取措施不动或少动地基础。

3.4 施工

加固施工应采取措施避免或减少损伤原结构构件。施工前应按设计要求及结构特点编制施工组织设计，施工严格按相应工艺标准进行质量控制。

4.加固设计计算原则

混凝土结构加固设计应采用线弹性分析方法计算结构的作用效应。设计加固混凝土结构时，需要进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计及验算。结构的计算模型应与实际受力和构造状态相符。结构、构件的尺寸，对原有部分应采用实测值；对新增部分，可采用加固设计文件给出的设计值。验算结构、构件承载力时，应考虑原结构在加固时的实际受力状况，包括加固部分应变滞后的特点，以及加固部分与原结构共同工作程度。加固后改变结构传力路线或导致结构质量增大时，应对相关结构、构件及建筑物地基基础进行必要的验算。有抗震设防要求的结构、构件的加固，除应满足承载力要求外，尚应复核其抗震能力；不应存在因局部加强或刚度突变而形成的新薄弱部位；同时，还应考虑结构刚度增大而导致地震作用效应增大的影响。

5.加固方法

加固方法的选择应根据实际条件和使用要求，进行多方案比较，按技术可靠、安全适用、经济合理、方便施工的原则择优选用。混凝土结构常用的加固方法如下：

5.1 增大截面加固法

采用这种加固方法，其主要方式就是增大原结构构件的截面面积或增配钢筋，进而增强了构件的抗弯、抗剪、抗扭刚度，提高了其承载力能力和稳定性。该方法在墙、柱、梁、板及一般构筑物的加固中应用范围较广。增大截面加固法主要包括以下几方面应用优势：此法适应性强，施工工艺简便。另外，该法发展较早，具有成熟的施工经验。但是，在具体的施工中，也要注意这种方法的弊端，它施工工期长，属于湿作业，构件尺寸的增大会减少房屋的净空也会影响其他构件的受力性能。

5.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固就是用结构胶粘剂将薄钢板粘贴在原构件的混凝土表面，使之形成具有整体性的复合截面，进而提高其承载能力的一种加固方法。该法适用于钢筋混凝土构件的正截面受弯、斜截面受剪、受拉及大偏心受压构件的加固。当钢筋混凝土构件截面内力有拉压变换时，不建议采用此法加固。与其他加固方法相比，粘贴钢板加固法优点如下：第一，此法施工简单技术操作也比较成熟，不需要占用太多的空间，所以在实践中具有很好的操作性；第二，此法缩短了施工时间，可以应用于结构比较复杂的加固环境；第三，用此法加固原构件，构件自重增加小，且不改变结构构件的外形，不影响建筑物的使用空间；最后，粘贴钢板加固技术在实际应用中也具有很好的经济效益，而且其成本低廉，可拓展其应用范围。但其弊端也比较明显，一是对环境温度和湿度的要求较高，比钢筋混凝土截面加大加固法的温度和湿度要求标准要高，钢板需要进行防腐和防火处理，胶黏剂有机胶也要满足耐久性和耐火性的要求；其次，在浇注钢胶时，要防止漏水导致的内部充填不良，在实际操作中，不能保证钢板与钢板之间的焊接是否因为高温而损坏，从而导致黏合结构的损坏。因此，对于钢板的受力程度，不能准确地判定，所以，在具体的施工中，需要根据具体的情况来确定。从钢结构本身的特性出发，采用粘贴钢板加固可以在一定程度上提高房屋建筑结构的总体强度，避免施工中由于疏忽引起的混凝土荷载不足而产生裂缝。采用粘贴钢板加固技术，可以极大地提高混凝土结构的承载力，而且在加固工作结束后，还可以尽量减少新的裂纹，同时，利用钢板本身的抗拉强度特性，可以提高建筑的承载力和抗剪性能，进而达到更好的加固效果。

5.3 粘贴碳纤维复合材料加固法

粘贴碳纤维复合材料加固技法就是将碳纤维布或碳纤维板用结构胶黏剂贴于钢筋混凝土构件表面，使之形成具有整体性的复合截面。从而提高结构的承载力和延性的一种直接加固法。该法适用于钢筋混凝土受弯、受压及受拉构件的加固。说说该法的优缺点，该加固方法施工成本低，经济效益高，由于其自身的高强度和耐腐蚀性，可以有效地减少外部环境对整个房屋的破坏。且对整个结构的影响很小，在不增大截面面积的情况下，可以改善构件的承载能力。加固后的混凝土构件抗腐蚀、耐久性等性能得到了明显的改善。该法同样有有机胶的耐久性和耐火性的问题。粘贴碳纤维复合材料加固，因其施工简便、易于操作、实用性强而成为工程中比较理想的加固方法，在实际房屋建筑加固工程中使用此法加固的较多。

5.4 置换混凝土加固法

这种结构加固方法是剔除原构件强度低或有缺陷区段的混凝土，同时浇筑砼品种但强度等级较高的混凝土进行局部加强，使原构件的承载力得到恢复的一种直接加固法。置换混凝土加固法用于受压混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等承重构件的加固；使用中受损伤、高温、冻害、侵蚀的构件加固；由于施工错误导致混凝土强度不能满足设计要求的构件加固。此方法由于是在置换部位注入一定数量的新混凝土，新老混凝土之间粘结能力较差，且剔凿易伤及原构件的混凝土和钢筋，属于湿作业施工。但用此法加固后能恢复原貌，不影响使用。

5.5 增设支点加固法

在房屋建筑结构加固设计中，增设支点加固法也比较常见，此法就是用增设支撑点来减小结构构件的计算跨度，达到减小结构构件内力及相应提高结构整体承载力的加固方法。适用于对适用空间和外观效果要求不高的网架、桁架、梁、板等水平结构构件的加固。增设支点加固法在网架等相关水平结构的加固工程中应用的比较多，支点包括柔性和刚性两种类型。应用增设支点加固法必须要按照建筑实际需求选择合适的支点，确保此法能够起到有效的加固作用。设计时应加强对结构内力的科学把控，尽量减少原结构构件的二次受力、使得建筑结构的承载性能得到有效增强。

5.6 外加预应力加固法

外加预应力加固法是通过体外预应力，使原结构、构件的受力得到改善或调整的一种间接加固法。原理是在预应力与外力的联合作用下，在拉杆中产生轴向拉力，该拉力由杆端锚偏心地传递给受弯构件，由此产生偏心压力，该压力的产生能消除局部外荷载所引起的弯矩，由此增加了受弯构件的弯矩，减小了外荷效应，有效地控制了裂缝的产生和发展。适用于原构件刚度偏小，改善正常使用性能，提高极限承载力的梁、板、柱和桁架的加固。此法优点是基本不影响结构使用空间，便于在使用期内检测、维护和更换。缺点是施工工艺复杂，新增的预应力构件需要进行可靠的防腐、防火处理。

以上所述，是实际工程中常用的结构构件的加固方法。在房屋建筑结构的加固设计中还有对结构体系的加固，例如，对由于概念设计不合理、不规范的多、高层建筑及工业厂房建筑结构进行的加固和对提高结构抗震能力的加固。

6.加固工程案例

6.1 工程案例一

某项目联合厂房一，结构形式是钢筋混凝土框架，层数为四层。主体结构已施工完毕。由于业主使用工艺改变，造成建筑防火分区改变，多处区域的室内房间格局以及房间功能改变，荷载分布与原设计变动较大。按照新的建筑图纸，建模复核原设计图纸，结果显示：部分框架梁支座及底部钢筋不满足承载力要求，故只要提高构件的承载力能力即可。对梁的加固可以采用增大截面加固法、粘贴钢板加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法。考虑是连续的框架梁且有框梁支座钢筋和底部钢筋同时不满足的情况，最后，框架梁采用了粘贴钢板加固法。

图1 梁底粘钢加固图

图2 梁顶粘钢加固图

6.2 工程案例二

某项目综合站房，结构形式是钢筋混凝土框架，地下一层，地上二层。主体结构已施工完毕。由于设备布置调整，一层局部区域荷载分布改变，按照新的建筑图纸，建模复核原设计图纸，结果显示：有两根次梁底部钢筋不满足承载力要求，故只要提高构件的承载力能力即可。因承载力不足构件所在区域地下为消防水池，考虑仅是底部钢筋不满足承载力要求，最后，采用了增大截面增配底部钢筋加固方法。

图3 梁加大截面增配钢筋加固图

结语：

综上所述，在建筑加固设计过程中，不同的构件加固方法适用范围以及加固作用存在差异，因此加固方法的选择应该根据建筑实际情况而定。对加固方法进行比较优化，选择合理的加固方法能达到缩短加固施工周期，减少投入，保证达到加固效果的目的。