建筑结构改造设计和加固技术综合分析

' 分类号：TU375密级：公开UDC：单位代码：10076工程硕士学位论文建筑结构改造设计和加固技术综合分析作者姓名：杨小芹指导教师：魏翠玲教授企业导师：滑辉高工申请学位级别：工程硕士工程领域：建筑与土木工程所在单位：土木工程学院授予学位单位：河北工程大学 ADissertationSubmittedtoHebeiUniversityofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringTheRetrofitDesignoftheBuildingStructureandStrengtheningTechnicalAnalysisCandidate：YangXiaoQinSupervisor：Prof.WeiCuilingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ArchitectureandCivilEngineeringCollege/Department：CollegeofCivilEngineeringHebeiUniversityofEngineeringDecember,2013 摘要经济社会的迅速发展，推动建筑物使用功能的不断改变。建筑工程的工作重点也从大规模新建阶段、新建与维修并举阶段逐步转移到旧建筑维修改造阶段，因此建筑改造与加固在建筑业中占有的地位越来越重要，建筑物自身不可抗拒的老化问题使得加固改造的问题日渐严峻。再加上建造年代久远的既有建筑的使用空间、功能和美观等均已不能满足现代城市发展的需要,而且结构抗震设防标准较低,不能满足新标准的要求，常常又需要对建筑进行抗震加固。其实，抗震加固本身就是对既有结构性能的一种改变，以此来达到提高既有结构抗震性能的目的，历次震害调查的结果也都说明了抗震加固对提高既有结构抗震性能是具有重大意义和效果的。采取有效的加固处理措施使建筑物改造和抗震加固有效结合,即能使改造后的建筑满足新功能的要求,又能保证其结构的安全可靠性能和整体抗震能力的提高,这是建筑改造和结构抗震加固需要重点考虑的问题，另外不同加固方法对建筑结构的使用功能和抗震性能的影响也不尽相同。本文根据建筑工程加固改造的特点阐明了加固工作的现实意义，系统总结和分析了不同加固方法的加固特点和与其配套使用的加固技术，介绍几种常用加固方法的承载力计算及其受力原理，结合实际工程算例代表性分析了不同加固方法的加固设计算例。另外结合地震特点和加固技术的发展总结钢筋混凝土房屋抗震加固的基本要求、建筑抗震技术及选择以及加固方法和加固设计与施工，对建筑改造和加固有一定的借鉴作用。关键词：建筑改造；方法；加固计算；设计与施工I AbstractThecontinuousdevelopmentofeconomyandsociety,andpromotethecontinuouschangeofbuildingusefunction.Thefocusoftheconstructionprojectisalsofromamassivenewstage,andmaintenanceofnewandgraduallytransferredtotherenovationofoldbuildingphase,thusbuildingrenovationandreinforcementholdsapositionofmoreandmoreimportantintheconstructionindustry,buildingtheirownirresistibleagingmakesthereinforcementandtheincreasinglyseriousproblem.Combinedwithconstructionofoldusespaceoftheexistingbuildings,functionalityandaesthetics,etchavealreadycan"tsatisfytheneedofmodernurbandevelopment,structureandseismicfortificationstandardislow,can"tmeettherequirementsofthenewstandard,oftenneedforseismicstrengtheningconstruction.Infact,theseismicstrengtheningitselfisachangeontheperformanceofexistingstructures,soastoachievethepurposeofimprovetheseismicperformanceofexistingstructures,allpreviousearthquakedamagesurveyresultsalsosuggestedthattheseismicstrengtheningtoimprovetheseismicperformanceofexistingstructuresisofgreatsignificanceandeffect.Takeeffectivereinforcementmeasuresofbuildingsandseismicstrengtheningeffectivecombination,whichcanmakethemodifiedarchitecturetomeettherequirementsofthenewfeatures,andcanensuresafeandreliableperformanceofthestructureandimprovetheaseismicability,thisisthebuildingandstructureseismicstrengtheningproblemneedstobeaddressed,anddifferentstrengtheningmethodsontheeffectsoftheusefunctionofbuildingstructureandseismicperformancearealsodifferent.accordingtothecharacteristicsoftheconstructionengineeringreinforcementandillustratestherealisticsignificancetoreinforcethework,itsummarizesandanalyzesthedifferentstrengtheningmethodsofstrengtheningthecharacteristicsandusewithreinforcementtechnology,introducesseveralcommonreinforcementmethodsofbearingcapacitycalculationandmechanicalprinciple,combinedwiththeactualprojectexamplerepresentativereinforcementdesignexamplesofdifferentstrengtheningmethodsareanalyzed.AlsocombiningwiththecharacteristicsofearthquakeandreinforcementtechnologydevelopmenttosummarizethebasicrequirementofII reinforcedconcretebuildingaseismicreinforcement,constructionmethodandstrengtheningtechnology,andselectionandseismicstrengtheningdesignandconstruction,asareferenceforbuildingreconstructionandreinforcementeffect.Keywords:buildingreconstruction;method;reinforcementcalculation;designandconstructionIII 目录摘要.....................................................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................................................II第1章绪论......................................................................................................................................11.1概述.......................................................................................................................................11.1.1建筑物改造加固的研究背景....................................................................................21.1.2建筑改造加固的研究意义........................................................................................21.2建筑改造和加固的特点和主要目的....................................................................................31.2.1改造和加固的特点....................................................................................................31.2.2建筑物改造加固的主要目的....................................................................................31.3既有建筑改造与加固技术的发展与研究现状...................................................................41.3.1既有建筑改造与加固的原因综述............................................................................41.3.2国内外建筑改造加固技术的发展现状....................................................................71.4本文研究的内容....................................................................................................................7第2章建筑结构的加固方法及其选择.............................................................................................92.1引言.......................................................................................................................................92.2结构改造加固的基本原则和工作程序................................................................................92.2.1结构加固的基本原则................................................................................................92.2.2建筑结构改造与加固程序......................................................................................112.3改造和加固方法分类及特点..............................................................................................122.3.1改造加固方法的分类..............................................................................................122.3.2常用加固方法的特点、基本要求及选择..............................................................122.3.3与加固方法配套使用的加固技术..........................................................................192.4既有建筑的抗震加固.........................................................................................................212.4.1既有建筑考虑抗震设防的加固准则.....................................................................212.4.2考虑抗震设防的加固方法选择.............................................................................222.4.3多层及高层钢筋混凝土房屋抗震方案选择..........................................................222.5本章小结.............................................................................................................................23第3章建筑结构的改造加固设计计算...........................................................................................243.1引言.....................................................................................................................................243.2承载力计算的基本假设......................................................................................................243.3增大截面法的加固设计...................................................................................................253.3.1受压构件正截面计算..............................................................................................253.3.2受弯构件正截面设计计算......................................................................................263.3.3受弯构件斜截面计算.............................................................................................283.4置换混凝土法加固设计及计算.........................................................................................313.4.1轴心受压构件置换设计..........................................................................................313.4.2偏心受压构件置换加固计算.................................................................................313.4.3受弯构件置换加固基本计算.................................................................................32IV 3.4.4置换混凝土加固构造要求.....................................................................................323.5外包钢加固设计.................................................................................................................333.5.1轴心受压构件加固设计的基本方法......................................................................333.5.2偏心受压构件加固计算..........................................................................................333.5.3受弯构件正截面加固设计基本方法......................................................................353.5.4受弯构件斜截面加固设计基本方法......................................................................363.6本章小结............................................................................................................................37第4章工程实例加固计算.............................................................................................................384.1工程实例的基本概况.........................................................................................................384.2加固设计计算.....................................................................................................................384.3本章小结.............................................................................................................................43结论与展望........................................................................................................................................45致谢..................................................................................................................................................46参考文献............................................................................................................................................47作者简介............................................................................................................................................50V 第1章绪论1.1概述建筑结构长期在自然环境和使用环境的影响下会产生不同程度的损坏，由于材料的风化、地震或其他自然灾害等建筑不能满足其使用功能，整体可靠性也大大降低。如何使受损建筑物的使用功能得到重新恢复并满足其使用功能的改变成了国内外研究的一门新兴学科，即建筑结构加固，并在建筑领域中扮演着越来越重要的角色。第二次世界大战结束为止的五十多年来,全世界建设业的发展归纳起来主要有几个不同的重点时段，首先是战争结束后建筑物的扩建和崛起时期，在这一时期兴起的数量十分庞大；随后进入第二阶段，即新兴房屋和战争遗留的破损建筑的翻新改观同时进行时期，在这个时期内许多在战乱中毁坏不堪的设施面貌在逐步复原。最后时光将建筑行业推向了下一个关键性历史发展阶段，也是现阶段十分重要的时期，现代化的发展已经不再是量的问题，而是将工作的重点转到修补、维护和改建上面来，实施的主题主要是改变原来建筑物性能、作用、空间等非要害构件，使结构能够达到美观、适用、长久的目的。许多发达国家已先后过发展到这一时期。据资料统计从80年代后期开始,在总建筑业投资中,美国、英国、瑞典等国家建筑加固改造所占的比率不断上升。美国2004年建筑加固改造的工程规模已占建筑业总产值的1/3上,英国2004年建筑加固改造的工程规模已占建筑业[1-3]总产值的50%以上。经济社会和建筑行业的迅速发展也推动我国的基本建设突飞猛进的发展，目前我国已经接近新建与旧建筑改造加固并行结合的第二阶段尾声,并逐渐适应国际发展需要，迈进了以旧房改造加固为主的第三发展阶段，那么加强建筑装修和建筑改造与加固技术的普及和应用无疑具有十分重要的现实意义，因此成为非常艰巨的任务。影响建筑物安全可靠性能的因素有许多，包括自然因素、环境因素、人为因素以及偶然因素等。其中地震灾害是造成这方面危害常见的因素，因此对建筑物[4]进行抗震加固也成为建筑行业关注的一个热点。我国是一个地震多发的国家。地震对既有建筑结构的损害不仅规模十分巨大，而且造成的损失也相当严重。我国大规模建设建筑的几十年来，大部分建筑物已进入中老年阶段，结构的安全性和可靠性正逐步降低。但由于老旧建筑物的拆除困难和我国土地、资金等其他资源紧张，再加上倡导实行可持续发展战略，建立节约型社会，因此对既有建筑结构1 进行抗震加固，研究既有建筑结构抗震加固的理论与技术，保证其安全性，并满足各种新的使用和功能要求，有着十分重要的现实意义。1.1.1建筑物改造加固的研究背景目前广泛用于建筑行业的主导材料非混凝土莫属，它是一种前景十分看好的常用的、性能多样化的工程材料,在当代和今后物质文明的发展中发挥了巨大作用,钢筋混凝土的运用已近一百多年，混凝土结构也随着历史的推移饱经风霜，在人[53]为和自然环境的共同作用下，老化、损伤等问题日趋严重；即便是新建的混凝土工程,也会因为设计不合理、施工质量问题或一些其他方面的因素，导致出现了[5]有各种质量缺陷的建筑结构(如：蜂窝、麻面、孔洞、露筋等),甚至会导致倒塌等重大工程质量事故。建筑物改造加固技术出现在20世纪60年代，确切地说从建筑行业发展开始，建筑物的建设与维修，翻新和加固问题就随之而来,此外还有[54]许多桥梁也需要加固或增宽。但就其内涵而言，建筑物鉴定、维修和改造加固行业才刚刚形成一门专门的学科，虽然近几十年才初具规模，但由于建筑业和现代科学技术的迅速发展，使得这门新兴学科的发展速度异常迅速。建筑业的空前繁荣、社会发展和人们生活的需要使建筑结构的改造加固显得十分紧迫和重要。本质上来说结构的改造加固包括两方面含义：其一是被破坏或损坏的结构得到了加强，加固后结构的抗力得到恢复甚至超过原有结构；其二是加强既有建筑结构[6]的抗力，对完好钢筋混凝土结构进行加固。1.1.2建筑改造加固的研究意义建筑物的新建往往需要耗用大量的人力、物力、财力和时间，在所消耗的资源里面大部分还是不可再生，不能重复利用的，因此在新建的同时造成很多不必要的损失和建筑垃圾。那么对旧建筑进行维新、改造和加固成了不可阻挡了建设力量，这样更能跟随国内同行业的方向和思路，遵循基本国情，响应国家的政策。不仅达到了经济节约的指标要求，也适应未来世界的空间需求，不可超越的发展前途成了势必发展的一种力量。另外废弃建筑占用了大量的土地和空间资源，大部分废墟的搁置阻碍了城市的前进，更影响了环境卫生，十分不利于保持市貌和文明，而通过改建和修补可以大大减少这些问题，由此看来加固和改造老旧建筑物，使他们重新焕发青春活力，延年益寿,在整体生态的观念和社会的经济文化建[7]设中，具有极其重要的意义。纵观历史的三个建设时期，结合现阶段我国的发展实情，全国各地楼群林立，占去了大部分的土地，基本达到饱和状态，新楼的开发已发展缓慢，或者前景不2 可观。上世纪五六十年代建造的大批砖混多层楼群已经不能适应时代的发展，因此也顺应世界发展步入了新楼开发和旧楼改新并驾齐驱的状态，并且正向以旧房改造加固为主的第三发展阶段迈进。所有在职建设的科技人员，正紧跟世界的步伐，深入研究既有建筑结构的改造加固技术，国外对改造加固技术的研究也成了学术研究的重点之一。据统计,我国已进入中老年期的建筑物约有百分之五十,约合25亿平方米的建筑物有出现不同状况的工程质量问题或事故的可能性,需要维[8]修和加固。再加上各类自然灾害对建筑物不同程度的损坏和破坏，从减少资源方面上也为建筑维修、改造和加固行业的发展奠定基础，可见，建筑物的维修、改造和加固工作对我国现代化建设和社会的经济发展有着极好的现实影响意义。1.2建筑改造和加固的特点和主要目的1.2.1改造和加固的特点建筑改造加固的本质是通过对建筑物采取的补强措施以提高其结构的可靠性、安全性等性能，使建筑物满足其使用和功能要求，但与新建工程相比，既有建筑的改造加固又有其不同的特点，具体表现如下：首先，与新建工程相比，对建筑物进行加固之前要进行必要的拆除和清理。其次，既有建筑的改造加固前还要进行结构的加固设计，主要对原结构进行检测、验算和结构适应性判断，确实需要进行加固时再进行加固计算,然后综合考虑新旧结构在各方面如强度、刚度和正常使用寿命等方面的均衡和协调性。再次，由于施工现场作业条件的特殊性，使加固工程施工常受到现场作业面狭小，其它构件的阻挡和干扰等方面的限制。再者，大多数既有建筑都是投入使用的，加固工程必然要在不影响或少影响生产、使用的情况下进行加固施工，从而增加了工程施工的难度，某些不可意料的因素导致的施工中断更为加固工程提高了工作难度。1.2.2建筑物改造加固的主要目的结构的安全性、使用性和耐久性是评定建筑物是可靠性的重要指标，然而很多因素导致了建筑物无法满足这些性能，这些大部分不满足要求的建筑经过专业的可靠性鉴定必须进行补强和加固处理后才能投入使用，否则存在安全隐患。近年来我国成功进行了不少建筑加固的工程案例，在不断的实践、研究和技术方法[9]~[14]的积累下总结发表了许多关于建筑物改造加固的文献资料，并陆续颁布了一系列行之有效的加固规范和标准，适用于多种原因造成的结构构件损伤、失效等，3 全面总结、归纳了我国成熟的加固技术，对推动建筑物改造加固技术的发展起到了很大作用。建筑改造加固的目的主要有：一是满足新的使用功能要求；二是提高结构、构件的强度、刚度、稳定性和耐久性。另外不同的建筑在不同的破损程度和使用条件下,它的维修、改造和加固的要求和目标是不太一样的，通常要区别对待各种实际施工项目，运用不同的手段和科技措施，定制与之符合的加固方案对建筑物进行结构改造加固。1.3既有建筑改造与加固技术的发展与研究现状1.3.1既有建筑改造与加固的原因综述从20世纪50、60年代我国开始新建了一大批厂房、办公楼、公共建筑等，至今已经有几十年的历史，由于使用维修不当或建造质量问题，使这些建筑存在很多问题，最主要的是结构的安全问题。新建投资往往数额巨大，因此尽管这些建筑存在一定的问题，但不会被拆除重建，而是采用结构加固补强的办法，用最少的投入对结构进行维新、修补、改造和加固，不断提高结构的可靠性能和承载[15]~[20]力，使结构能够被安全使用。但是在具体工程项目进行加固设计，合理制定加固方案和采取有效的加固补强措施之前首先要确定建筑结构需要进行加固的原因。综合各类参考资料、技术研究，其原因是多种多样的，归纳起来主要有以下几个方面：(l)建筑结构的先天不足和缺陷以及新建时期留下的隐患①人为造成的隐患问题：新建建筑物时一些建设单位或施工单位在没有施工图和施工资质的情况下隐瞒施工，再加上在施工过程中无法保障质量，在严格的质量监督下竣工验收不符合标准要求等，为建筑物埋下了深深的安全隐患。②建筑结构设计时存在的问题或错误：在进行建筑结构设计时，结构的总体布置、构造方案等不合理因素在某些方面会影响建筑物的安全性能，对结构而言构造措施不符合要求，承载力的计算结果不正确以及考虑不全面的设计模型等都可能降低建筑结构安全可靠性能，影响建筑物的投入使用。③承建施工和建设原因：建筑施工时质量未达到技术标准，盲目建设施工，投入使用劣质、低级耗材，使得建筑在建成的时候就存在裂纹或其他损坏缺陷；同时在建设期间工程管理不到位，施工质量低下，控制措施不恰当以及落后的技术装备，都导致建筑质量不合规范，另外建筑物质量也与项目施工技术人员的整体素质、施工工序和天气等因素息息相关，这些稍微把握不好的问题都能导致建4 筑质量低劣，不符合规范要求。(2)后天损害造成的建筑结构安全可靠度降低①周遭环境的影响：引起结构缺陷和损伤的一个主要原因是恶劣的使用环境。使用和维护不当，加速建筑结构性能老化，出现裂缝，组成材料风化、劣质，酸雨或周围染有侵蚀性物质的液体冲刷、浸透都严重影响建筑结构的使用功能，并且逐渐削弱结构的寿命，严重者导致其功能全部丧失。②灾难性意外：发生地震、狂风、龙卷风、水淹、滑坡、泥石流等事故都给人们无法估计和预测的损失，这些灾难性的事件成为房屋摧毁、倒塌的主要原因，其偶然发生的概率更是无法预料，灾后的严重程度更是不可想象的，以上常见的几种灾害形式中火灾作为人为灾害对建筑结构造成的损伤最大。一旦这些灾害发生就会导致建筑结构发生无法预测的严重后果、并且危及建筑结构的使用功能。地震：和其他自然灾害有着十分不同的特点，它的突发性比较强，而且属于瞬时突发性的灾害。在短短的几十秒地震持续时间内能造成大量的房屋损坏和倒塌，甚至在如此短暂的实践内摧毁一座文明城市。地震活动往往具有成灾广泛、不分国家地域而且社会影响深远、防御难度大的特点，甚至成为一个世界性的难题。从地理所处位置上看我国大部分的城市位于地震区域，如果在人口稠密、经济发达地区发生地震往往造成大面积的房屋和工程设施破坏，这些都使我们在建筑设计时考虑抗震设防。大多数地震发生时很难捕捉其发生的具体地点集中防御，造成建筑结构不同程度的损坏甚至损毁。建筑物的倒塌不仅造成大量的人员伤亡也给国家和社会造成巨大的冲击。风：数据资料表明地球上很多人都遭受过风暴侵袭，而且在风口浪尖上生活的人数也有不少，中国、日本、美国、菲律宾还有很多其他的国家都有濒临海域，海风爆发带来不少负面影响，而且狂风具有发生频率较高,突发性强,危害性大等特征。不仅严重威胁着人民生命财产的安全，也造成房屋建筑倒塌房屋揭顶、吹折甚至倒塌、摧毁等重大的社会财富损失；每次风灾过后,直接影响到建筑的使用安全和可靠性能。水灾：中国是世界上洪水灾害发生最频繁的国家之一，主要发生在沿海地带，而我国分布在沿海地带的城市较多，因发生风暴、海啸、海水入侵等海洋灾害而导致的建筑倒塌、损毁等事件严重影响我国的发展，也有很多河流洪水标高以下的城市建筑由于洪水造成的损坏、崩溃的严重程度不亚于其他灾害。火灾：随着经济形势的发展，越来越多的建筑物为了减轻结构自重，方便建筑上的空间布局和室内装饰美观，不少建筑物大量使用了可燃、易燃的建筑装饰材料和涂料，火灾危险会随之而来，火灾也是最严重的伤害到建筑物功能的灾害。另外不断密集的城市居住人口和建筑、消防配套设防护措施的不足加剧建筑物的5 失火概率。由此造成的建筑结构功能损害更为严重，甚至摧毁建筑物。③使用不当：使用不当造成的建筑结构损害有很多方面的原因。建筑使用者随意改变功能，增加负荷，在没有专业技术变更下私自更换结构构件，甚至拆除内部构件等等，这些对在用建筑物造成的损害也是不容忽视的。(3)国家规定、规范、设计标准和要求的改变国家和社会的不断发展，带动科学技术的不断进步和日趋成熟，生产力水平也在不断提高，社会财富日益丰富，使人们对房屋安全的研究也不断更新，在初步规划建筑模型的时候，不断改变标准、改变方向，甚至在原有标准的基础上逐步提高要求，并保证工程质量可靠，有依据，同时也反映了施工技术水平和材料质量水平的变化。最早以前的规范，我国是从世界二次大战后前苏联学习而得的,但是进行结构规划设计的时候，并没有把地震作用带来的影响列入设计标准里面，所以构件的安全保障性能比较差，可以说偏保守而且是危险的。据记载首次制订《工业与民用建筑抗震设计规范》是在1974年代号为（TJ11-74),在该规范中考虑了地震。然后还进行了多项修订,如《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ1178)、《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001)先后在1978年、1989年和2001年完成修订，此外随着建设的发展还有其他相应规范的修订等。这些修订有时无法满足迅速增长的国内需求，按[21]~[23]照以前的标准进行设计的结构无法满足未来需求的设计标准和要求。(4)建筑物使用功能和要求的变化当建筑物成为商品进行交易的时候，建筑行业就不只由国家对其投资了，所有成果也不再归国家唯一所有，而是越来越多的企业、事业单位参与进来，这样往往不会按固定的格式和步伐发展，业主们多数会想尽办法改变自己居住空间、工作环境或者生活格调，那么建筑规划也要作出适当变化，也就是说在每一栋楼房都将有可能因为这些需求而作更大的改进。往往这些做法都会导致原来的结构的安全性和可靠性的转变，在这种情况下它通常需要加强，以确保证建筑物的使用安全。综上所述，不论是新的建设项目的工程事故处理，或者对建设是否安全的一个判断；无论是防守增加的灾难所必需的，或是须履行灾后恢复是否适应新的要求和改造建设的实施，或者是已有的建设进入正常的诊断和修复过程中，在需要得出房屋可靠性能估计时，必须由专门的鉴定机构或具有相应资质的单位对建筑项目鉴定、排查和审核。必要情况下根据结果对脆弱项目或设备组件采用合适的保护和维护措施，即能保证了安全也不影响它的照常工作，拖延它的利用时间和服役寿命，为国家、社会和人民作出贡献。6 1.3.2国内外建筑改造加固技术的发展现状经济水平和技术业务水平的发展，国家政策的不断改善带动了建筑结构加固技术和方法的不断发展，伴随着灾害的发生和灾后对建筑结构的勘察，综合各种灾后修复加固项目的工程实例，尤其结合地震灾害带来的严重后果，许多国家都相继颁布实施了对在用建筑结构的改造加固、抗震加固技术规程或规范标准。1997年由美国应用技术委员(ATC-40)颁布了《混凝土房屋抗震鉴定及修复规程》：1999年颁布了《混凝土房屋地震损伤评估标准》(FEMA306、307)和《混凝土房屋地震[24]损伤修复标准》(FEMA308)等；日本在1990年由日本建筑灾害预防协会(JBDPA)颁布了《现有钢筋混凝土房屋抗震评估标准》,1991年颁布了《有钢筋混凝土房屋损伤分类标准》，尤其在1995年阪神地震后，对大量的建筑物进行了抗震评估和[25]加固。我国建筑抗震加固在吸取抗震鉴定加固成熟的研究成果和工程设计应用经验的基础上，我国相继颁布了《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-95)、《建筑抗震加固技术规程》(JGJ16-98)、《危险房屋鉴定标准》(JGJ125-99)、《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-1999)和《既有建筑地基基础加固技术规范》[26]~[31](JGJ123-2000)、《混凝土结构加固技术规范》(GB50367-2006)等。这些规程和规范的制定，对我国结构改造和加固技术的发展与应用起到了巨大的推动作用。传统的加固技术和工程经验在人们的脑海里已经根深蒂固，多年来人们循规蹈矩，在建筑修复、改造和加固时往往坚实地参考现行的做法，不管方法是否切实可行更不讲究探索和研究，导致了改造加固技术发展滞后，施工方法和水平得不到有效提高。虽然我国传统的加固方法已经形成了比较系统的工艺和与之配套的加固技术，但不能满足日益发展的国情需要，施工工艺相对落后，技术含量低，许多新材料、新工艺、新技术在实际的加固工程中未能得到普遍应用。与发达国[32]~[37]家相比相关的加固设计、施工、检测设备、技术水平都有较大的差距。如有些构件加固方法(如加大截面法)将使结构和构件的刚度发生变化，从而引起结构动力特性、构件内力的变化以及刚度软弱层和强度薄弱层的出现，而这些变化对结构承载力及弹塑性变形能力带来的不利或有利影响，是目前的加固方法所考虑[38]~[45]的不足之处。1.4本文研究的内容（1）结合建筑改造加固的发展背景以及国内外既有建筑改造加固技术的研究应用，多角度综合叙述不同加固方法的特点和进行建筑结构加固的实施要点。7 （2）详细介绍常用几种加固方法的基本原理、承载力计算方法及其加固适用范围。（3）本文具体研究了加固技术的分类及其合理选择，以适应不断更新的建筑改造和加固方法。（4）以邯郸蓝黛音乐餐厅，原邯郸国际会展中心为典型工程，综合运用结构加固设计的基本原理，设计原则和依据，对该工程进行加固设计计算，并制定具体的加固方案，为既有建筑的改造加固提供可参考的实际价值。（5）由建筑改造加固技术延伸而来的建筑物的抗震加固也成了当前科研人员不断探索的学术研究之一，本文系统介绍了基于普通加固技术的建筑抗震加固技术的设计要求及其选择。8 第2章建筑结构的加固方法及其选择2.1引言随着改革的不断深入，建筑物的改造加固在当前社会具有相当的普遍性，而且对改善生活条件、美化环境和缓解用地紧张都具有十分重要的现实意义。在当前经济和社会发展形势下，对不满足安全可靠度要求且不宜拆除的建筑往往需要对其进行补强加固处理以提高结构或构件的强度、刚度、稳定性和耐久性，建筑结构的不同和复杂性，导致了结构的加固方法和加固处理措施的不同。因此应合理选择加固方法，确定正确的加固方案，采取有效的处理措施。2.2结构改造加固的基本原则和工作程序2.2.1结构加固的基本原则任何建筑物都不是凭空设计出来的，正所谓无规矩不成方圆，既有建筑的加固设计也需要遵循一定的原则，以保证其设计的合理性，结构改造和加固中应遵循的原则有“施工方便、技术可靠性原则”、“物料选取的基本原则”、“整体效果的方案制定原则”、“增加荷载值和承载能力计算”、“减少破坏，经济合理性原则”、[46]“综合考虑地震作用”和“其他方面的原则”：（1）结构方案应技术可靠、方便施工的原则：已有建筑的现实状况往往很复杂，因此制定结构加固方案时应充分考虑其实际现状。根据加固后结构的受力特点，在整体受力结构解析的情况下，保障补强钢筋在结构系统中可以清晰传输作用力，达到结构本身的可靠与安全，但也采取切实有效的措施，使新旧材料平静结合、连接沉稳可靠和协同作用。另外,综合考虑建筑改造加固的施工特点和施工的技术水平、施工人员素质等各方面谨慎合理地制定改造和加固施工组织，有效的采取措施组织加固施工和设计合理可行的加固方法，同时尽量考虑施工期间的使用环境和相邻结构。（2）物料选取的基本原则：通常进行结构加固设计所选用原材料的种类和性能尽量与原有结构相统一，这样能够使加固后的结构与原结构具有良好的协同工[47]作性能。根据以往加固经验，在进行结构加固时选用Q235级或Q345级钢材为主材，而且钢材的各种指标应符合规范的具体规定。不仅对钢筋、钢板等钢材9 有要求，加固时所用的水泥、混凝土等拌合材料也有最低要求，比如较多选用强度等级不低于32.5的普通硅酸盐水泥；而使用的混凝土为强度等级不低于C20且要比原来结构等级提高一级的混凝土。《混凝土结构加固技术规范》规定严禁使用粉煤灰、火山灰或高炉矿渣等作为加固材料；另外所使用的胶黏剂、灌浆料等具有粘贴作用的化学用剂其强度均应高于加固构件的强度等级，以确保加固效果。（3）整体效果的方案制定原则：加强计划制定，以确定结构可靠性鉴定分析然后确定方案。这就意味着，在确定加固方案时要全面了解既有结构的材料性能、构造形式和组成结构的具体体系，了解在结构中存在的缺陷和损伤等基本情况,对现有结构进行受力分析，并在此基础上进行勘察、检验。完成这些初步的诊查和分析工作之后基本排除日后在加固施工过程中可能存在的安全隐患或者导致工程事故发生的因素。加固方案的制定还包括结构需加固部分的基本范围、加固内容和加固后新旧结构以及被加固部分和原有结构引导作用。（4）增加荷载值和承载能力计算：通常情况下结构补强加固设计时必须清楚荷载的取值以及承载能力。结构原设计和增加的荷载取值进行实地调查、检验。通常加固时荷载验算应按现行《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)的基本规定取值。当运用基本条件简化结构图还应根据原结构实际的支持构件或组件确定实际能承受的荷载和作用力，加固施工时根据钢筋受力特点和混凝土滞后作用等采取必要的措施或办法进行安全、文明施工，并且保证施工质量达到要求，使被加固部分与原结构协同作用。（5）减少破坏，经济合理性原则：不破坏原有建筑结构的基础上组织施工，确定加固方法以保证获得的经济指标是满足要求的。在正常情况下的原始结构承载力应充分利用，以避免原来结构或组件的拆卸或损坏。如果移除一个较大或重要的原来的结构元素，不仅原来结构的一部分可能会受到更严重的伤害，而且还使旧的和新的结构构件结合更加困难，不仅不是经济的，而且钢筋连接后使结构留下安全风险，甚至造成安全事故。（6）综合考虑地震作用：众所周知，地震灾害是各种自然灾害中最具破坏性的，6度以上的地震设防区域遍布全国各地。大型建筑在建设初期大部分都没有考虑地震或抗震设防标准低，如果对以前的建筑抗震设防足够多的关注，以提高这些建筑的抗震能力和减少地震灾害，使得建筑物有适当的安全储备，更能确保人民的生命财产安全，所以我们加固建筑物时，结合地震，考虑抗震设防，制定抗震加固方案综合加固结构是必须遵守的一项重要的加固原则。（7）其他方面的原则：在进行建筑结构加固施工时应当对实际结构的具体情况详细检查、勘察，然后根据检查结果随时灵活调整，采取预防措施，发现隐患立即排除，对耐高温、耐腐蚀、冻结和融化、振动以及不均匀的地基沉降等原因10 造成的结构性破坏，在建设过程中提出适当的应对方案，增加安全保护措施并及时消除不必要的安全问题，以确保结构最大的安全可靠性。2.2.2建筑结构改造与加固程序在基本原则的规范下，建筑物的改造加固还有一定的工作程序，一般按下列程序进行：（1）结构可靠性检测及鉴定。对建筑结构进行加固设计和施工前，应全面、细致地调查该建筑结构的周围环境、使用要求和功能转变，并对其进行安全可靠性测试、检验，然后通过反复检查和理论分析，按照国家有关认证标准得出结果，最后依据有关建筑物可靠性的结论为结构设计提供科学有效的理论数据。(2)制定一个合理的修补、增强计划。以专业鉴定机构给出的结构可靠性结论为依据，结合被加固组件的可靠性、加固效果、综合经济指标和项目施工等条件，通过技术理论分析、实地勘验、专家示范和专家论证并与业主配合施工单位制定的意见，制订可行的施工组织，找出切实可行的改造、修补加固方案计划。(3)内力计算与结构设计。确定可靠性检测及鉴定和确定结构改造加固方案之后，还应结合结构的实际情况以及加固改造后的结构功能要求,对结构进行改造加固设计，还要继续对加固后的结构进行理论计算和分析,绘制加固施工图。然后结合相应规范确定具体的改造加固防范、采取切实可行的技术保证措施并满足相[48]应的施工要求。(4)编制加固施工组织设计。项目方案确定后就要通过业主、监理、施工单位等多方参与才能实现。首先在进行加固施工前相关设计人员应做好技术交底。参与工程施工的建设、监理和施工单位在项目实施前了解相关设计和确定改造修补方案，并掌握具体的核心技术和施工要点。同时加固施工单位根据场地的客观条件，编制施工组织设计，监理单位审批后其他单位配合执行。(5)组织施工和工程验收。加固施工过程中，技术员严格按照施工图纸指挥施工，施工作业人员持上岗证、资格证，特种作业人员还要有特种作业上岗证，并且严格按照设计要求进行。同时加强安全检查和反馈实时情况，以便设计师客观的做适当修改或及时采用有效措施避免安全事故。施工完成并签字同意验收后，具备相应资质的单位采用专业仪器设备对加固工程进行监测和控制,作为工程完工上交的依据。11 2.3改造和加固方法分类及特点2.3.1改造加固方法的分类大规模兴建建筑时，多数采用钢筋混凝土结构形式，在多种多样的钢筋混凝土结构类型中，构造形式也是复杂多变的，因此，结构类型的变更、结构形式的改变追加、结构的改造加固也成为日益彰显的问题。在结构的加固施工中，我们不仅应该根据建筑特点选择合适的加固方法，同时还应考虑其是否具有良好的施工性、是否达到经济指标等方面。现代社会的发展推动建筑科学技术的不断进步，各种新材料、新工艺也随之而来，结构改造加固技术势必有更大的发展空间，进而带来更为广阔的加固方法的不同选择范围和巨大的科研空间。总体而言建筑结构加固方法可分为直接和间接两大加固类型。一般情况下直接的加固方式主要是通过一些加固技术性措施，直接提高构件[57]截面的承载力和刚度等构件的基础力学性能；间接加固法则是通过一些构件和局部措施，运用原有结构体系的客观条件，采取特定的一些技术手段，使原有结构的受力方式、途径等得到改变，并且这些技术措施要能够充分发挥结构组件的内在潜力，同时还要减少负载效应等不利影响，切实提高构件结构失效概率，以达到结构补强、加固的目的。此方法加固重点侧重于结构的延性和整体性。（1）外包型钢、增大截面加固、绕丝加固法或高强度钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固、辅助结构加固、粘贴钢板、置换混凝土、粘贴纤维复合材加固等，都是用于结构加固的直接加固方式。（2）增设支点加固法、改变刚度比值加固法、增加结构整体性加固法、外加预应力加固法、增设构件加固法等属于提高结构延性和整体耐久性的间接加固方法。2.3.2常用加固方法的特点、基本要求及选择粘钢加固[49]（1）粘钢加固法的定义、基本要求及选择提高建筑结构承载能力最简单有效的方法时在需要加固的组件表面用特制的胶黏剂将厚度不同的扁钢板材粘贴在一起，使钢板和构件一起承受作用力。该方法适用于结构构件进行正截面弯曲受力受弯、斜截面剪切受力、承受拉压力的改造加固工程。对于普通的混凝土受力构件，如不加钢筋或钢筋量少的素混凝土构件、以及不符合设计规范要求配筋率的混凝土构件等都不使用粘钢法加12 固结构。粘钢加固法施工简便、周期短、效率高、加固施工完工后建筑物能快速投入生产或使用，而且减少原有结构的重量负荷，基本保持原状，不影响使用空间。缺点是在加固施工前需要打磨原混凝土表面，容易造成空气污染和噪音污染。同其他钢材类加固方法一样，完工后要在钢材的表面涂抹防锈漆，以提高其可靠性和使用寿命。（2）加固方式及作用作用原理：通过结构胶高性能的粘贴强度将钢板牢固地粘贴在构件表面，使其成为整体共同受力，两者的变形协调是利用结构胶的剪力传递。由于钢板粘贴的边缘不均匀撤离强度与剥离强度低，容易造成钢板与构件粘结的纵向端头首先发生剥离破坏，从而导致钢板粘贴失效。为避免这种情况的发生，端头增设锚栓或“U”形箍板或压条是必要的构造措施。（3）粘贴钢板法的基本要求①被加固的结构，原结构组件的最低混凝土强度等级为C15，标准要求的表面最低正拉应力的粘结强度为1.5MPa。当加固设计或规范有要求时，还应满足其相应的规定。②粘贴施工宜在环境温度5~35℃、环境湿度不大于90%的条件下进行，且构件的表面温度也不宜高于35℃。当不符合上述条件时，应采取措施予以保证或停止施工。③粘贴钢板部位的混凝土，其表层含水率不应大于4%，对含水率超限或者浇筑不满90d的结构需要粘钢时，应进行人工干燥处理。④粘钢厚度不应大于5mm。⑤粘钢法加固的建筑结构不宜在60℃的环境长期使用；当已完成加固时这些特殊环境下的结构往往还需要采取特殊的预防维护措施，并按特殊专用的工艺要求进行粘贴，胶黏剂的质量规格符合现行国家有关标准的规定。增大截面加固方法（1）基础定义和特征增大截面加固法主要是一种增加原来结构的横截面的尺寸面积，并且配有补强钢筋用以提高其构件的负载能力或者直接加强组件刚度的直接加固方法，它可以提高构件的抗弯、抗压、抗拉等能力同时也可以修复已损伤的混凝土截面，提高结构的耐久性，增加了结构的稳定性。此方法广泛用于各种构件的加固具有施工技术成熟、易于开展施工、环境适应性强、牢固可靠性高，但是建设施工周期过长，湿作业往往需要停止施工，被加大截面尺寸的构件在以后的使用过程中可能受到诸多影响；同时还会增加结构自重，而且加固后容易引起地震力的增加、13 薄弱层的转移和自振频率的改变。（2）构件加固形式增大截面加固法是根据构件的受力特点，加固的目的、构件尺寸大小和施工的难度，采用单侧、双侧、三面加固，或者四面围套加固。该方法适用于梁、板、柱、墙、基础和屋盖等结构构件的补强加固。（3）基本要求①对于钢筋混凝土构件，结构测定现场所得的测试混凝土强度等级最低不小于C10。②当新增截面中的钢筋需要焊接在原构件主筋上时，在焊接以前，应当根据实际的工程情况，分区分段分层进行，使原结构的承载力不致因钢筋的热变形而受到较大的影响。③为了保证加固后新旧混凝土之间的共同工作，施工过程中必须采取有效措施保证新旧混凝土之间有可靠的粘结。（4）粘结面处理方法①糙化处理：糙化处理可以提高胶层的粘结面积，增加机械齿合力作用，是得到普遍认同的。但值得注意的是：糙化处理的效果与采用的方法有关，也就是说，为达到好的效果，在可能的情况下应考虑选择合适的施工方法。此外，糙化处理的效果与形成的不同表面几何形态有关系，如糙化的纹路方向和已知的受力方向最好能形成一定的夹角，以增加其机械齿合作用力。②清洁处理：清洁粘结表面的涂层、油污、粉尘、锈垢或氧化物等杂质，是避免在粘结剂与被粘结面间形成隔离层，影响胶液的浸润性，降低粘结效果的必要步骤。可采用水清洁、毛刷清洁和拉毛、火焰清洁、风力清洁、溶剂清洁、洗[58]涤剂清洁等方法进行。外包型钢或钢板加固（1）基本定义及要求这种加固方式是将钢材做成型钢或钢板条，横铺在原来构件的表面，再用十几或几十毫米的横条作为钢板箍，将构件和钢板连接起来，有三面围套型，四面围套型等多种围箍方式，基本原理是利用型钢或钢板代替原来的构件承受各种作用力。采用外包型钢或钢板加固法有很多好处，首先钢板或型钢厚度较小，将它们放在结构的表面、四角或两边并不太明显，对于横截面的增加量大大降低，美观大方，而且承受作用大大超过混凝土结构，还能有效的抵御地震作用。工期短、速度快、方便省事适宜于柱、梁、筒体承载力不足，以及排危抢险工程。美中不足的是材料加固昂贵，而且钢材易受侵蚀，对投入使用的环境要求十分苛刻，必14 要时采用辅助设施，需要除锈、油漆保护钢材等等。（2）构件连接方式型钢或钢板主要通过干式连接和湿式连接两种方式与被加固的构件结合到一起。干式外包型钢或钢板加固法是直接将型钢或钢板外包于被加固构件，有时虽填有粘结材料如砂浆、水泥等，但接触面之间的咬合作用力仍不能保证无误，继而无法判断新旧截面的作用力是否有效传递，所以大部分外包钢材与原混凝土构件不能整体工作，彼此只能单独受力，这种方式多用于特殊的加固部位和需要干作业的地方。在一般情况下，外包钢加固主要采用的是湿式加固，湿式能提高外包钢架与原混凝土构件整体工作的协调能力；对原有结构构件产生套箍增强作用，轴心抗压强度有所提高。湿式外包钢又分为两种：一种是采用乳胶水泥浆粘贴或化学灌浆等方法粘贴，以使型钢架与原结构构件共同受力；另一种是型钢与被加固构件之间有一定的距离，浇筑混凝土将型钢包裹在其中，这种形式实际是外包钢的增大截面法。（3）材料的基本要求①型钢、钢板的品种、规格和性能符合设计要求和现行国家标准的规定。焊接材料进场时应按现行国家标准的要求进行检查和验收，必要时进行抽样检验。②焊条应无损伤、锈蚀、掉皮等影响焊条质量的缺陷；在使用前应按其产品说明书及焊接工艺文件的规定进行烘焙。③防腐蚀及防火涂料的品种、规格、性能应符合设计要求。其质量必须符合现行国家标准的规定和有关环境保护的要求。混凝土剔除更换法（1）基本定义和优点混凝土剔除、更换方法是将原有结构构件存在缺陷、损坏或强度较低的区域内的混凝土剔除一定面积，再由专业技术人员配比相同型号、品种的混凝土重新浇灌，封堵，使它恢复原来的性能，规定要求置换混凝土的强度等级高于原结构组件的强度，在施工过程中要清楚结构表面附着荷载或其他物品，结合表面的粘合作用要沉稳可靠。一般情况才采用置换混凝土加固法对周围环境影响不大，直接加固的成本不高，而且施工程序简单易懂，是业主和加固设计人员首选的一种加固方法。主要用于建筑物服役使用阶段遭受局部损毁、阳光直射风化或冬季寒冷冻裂以及由腐蚀性物质侵入造成部分损损坏。（2）基本要求①规范规定剔除原有混凝土的深度，板不应小于40mm；梁、柱采用人工浇筑15 时不应小于60mm,采用喷射法施工时不应小于50mm。置换后的长度应按混凝土强度和缺陷的检测及验算结果确定，但如果不是全长通换的情况，构件的两端延伸长度应分别不小于100mm。②有时候置换是一项非常危险的施工过程，因此施工前对施工安全进行一个评估。如果外加作用力或者安全隐患影响到结构加固施工了，那么应对结构或者构件在施工全过程中检验安全承载的状态，以便制定合理的施工方案。对影响结构安全的构件应有专门的监控方案和应急处理措施。③置换混凝土需补配钢筋或箍筋时，其安装位置及其与原钢筋焊接方法，应符合设计规定；其焊接质量应符合现行行业标准《钢筋焊接及验收规程》JGJ18的要求；若发现焊接伤及原钢筋，应立即会同设计单位进行处理。④更换用的新混凝土等级相对于原来的组成部分应该高于至少一等级，而且最低不应小于C25。粘贴纤维材料加固法（1）基本定义及原理碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，是组成的基本原材料，它们之间通过有规律的组织排列而形成的纤维织物就是进行结构加固用的高强度纤维片材。在加固、补强、粘贴使用过程中一般都是采用手糊工艺，高强度的树脂胶黏剂浸渍的纤维片材粘贴的结构构件的表面上，形成的纤维增强复合材料（或复合材），简称FRP，固化后完成工程加固工作。采用碳纤维的称为CFRP，采用玻璃纤维的称为GFRP,[59]采用芳纶纤维的称为AFRP。粘贴纤维复合材，施工简单，快速，与原来构件相比，重量没有明显增加，而且结构形式也不受影响。FRP最显著的优点是具有高比强度，即轻质高强和良好的耐腐蚀性，适用于混凝土受弯构件、大偏心受压构件、轴压构件以及受拉构件的加固施工。而对于普通素混凝土结构和纵向受力钢筋配筋率低于现行国家标准《混凝土设计规范》GB50010规定的最小配筋率构件，此类方法并不适用。另[55]外加固后试件可能发生脆性破坏，同粘钢加固一样在粘贴纤维材料之前要对结构表面进行打磨处理，产生的粉尘和噪声污染不利于周围环境和人身安全，由于纤维复合材料的耐火性差，在施工中要防止火灾，严禁在特高温条件下组织施工。（2）加固原理粘贴纤维复合材料中的高强度纤维片材，即基体材料主要是承受荷载、限制微裂纹的扩展；胶黏剂，即增强材料主要是固定纤维的位置、承受应力并将应力传递给纤维。架构表面粘贴纤维复合材料，形成复合体结构，以此提高构件的抗拉能力或约束能力，达到加固的目的。（3）粘贴纤维复合材加固的基本要求16 ①采用粘贴纤维复合材料加固法时，要求原结构构件的混凝土强度等级为C15，加固后正拉粘结强度试验值不得低于1.5MPa。若设计或规范有要求时，还应满足其相应的要求。②施工环境温度应符合胶粘剂产品使用说明书的规定。若未作规定，宜在不低于5℃和不高于35℃条件进行。温度过高，固化时间短，影响树脂对纤维的浸润；温度过低，固化时间长，影响树脂的粘结强度。因此，在夏季炎热的气候条件下，应尽量选择在气温较低的时间段进行施工，或者选用夏用型树脂；在冬季脚冷的气温条件下，现场应采取升温的辅助措施，以达到规定的施工温度要求，同时应选用低温环境中使用的树脂。若达不到规定的温度要求，应停止施工。③当空气湿度大于90%的时候应采取措施。环境湿度大，会影响纤维片材的粘贴质量，粘贴后容易出现空鼓或剥离现象。因此，在现场环境湿度大的情况下，尤其是在雨雪天气又露天作业的时候，应停止施工。当采用适用于潮湿环境的粘结材料时，可不受此限制。④粘贴纤维片材部位的混凝土，其表层含水率不应大于4%。对含水率超限的混凝土和浇筑不满90d的混凝土应进行人工干燥处理。⑤碳纤维是电的良导体，应注意碳纤维增强塑料在使用时的电化腐蚀问题，当采用钢条或锚栓固定碳纤维增强塑料时，碳纤维是阳极，应注意防护处理，以免影响耐久性；同时有机胶粘剂属易燃物质，在施工过程中应特别注意防火及电源、电器的使用安全。⑥粘贴在构件表面上的纤维复合材料，不得直接暴露于阳光下，以免紫外线长期照射和高温影响其耐久性。为防止使用过程中的污染和损伤，表面应进行防护处理。⑦当加固的目的为提高强度时，应综合考虑加固后试件的抗剪能力、可能发生的破坏形式和变形发展，建议在加固时尽可能地增大FRP的粘结锚固长度并采[56]用延伸率较大的胶粘剂。绕丝加固法（1）绕丝加固的基本概念和特点绕丝法是在构件外表面按一定间距缠绕经退火后的钢丝，使结构构件受到约束作用，从而提高其承载力和延性的一种直接加固法。这种加固方式，通常对结构具有良好的约束性，有效地防止斜裂缝的产生，而且施工轻便、简单，同时围绕的钢丝能使混凝土构件各个方向受力都充分发挥出来，提高了其抗压、抗变形能力，整个构件的强度也有一定的提高。（2）构件的加固形式绕丝法加固主要用于梁、柱构件。从哈尔滨工业大学钢筋混凝土柱绕丝加固17 试验数据可以看出，构件的承载力有限，柱的承载力能提高到9%左右，但延性能得到较大的改善见表2-1。同济大学的试验也反映了这一规律。哈尔滨工业大学进行的钢丝绳缠绕轴压短柱加固试验，表明缠绕钢丝绳能有效地约束混凝土侧向变形，显著提高轴压短柱的延性，其延性的提高明显大于强度的提高。随着约束比的增大，提高幅度均增大。表2-1哈尔滨工业大学钢筋混凝土柱绕丝加固试验三结果Table2-1HarbinInstituteofTechnologyreinforcedconcretecolumnwirereinforcementtestresultsofthree绕丝间距（mm）承载力提高纵筋应变提高混凝土的应变提高60（0.0058）3%40(0.0087)5.4%17%37%20(0.0174)9.2%76%67%注：括号内数据为配箍率。（3）基本参数的规定①喷射混凝土强度等级不应低于C20，并应较被加固结构的混凝土强度等级高1~2等级。②绕丝法现场检测结构构件的混凝土强度最低值为C10。由于混凝土强度提高后，其约束作用显著下降，因此强度等级不得高于C50。③喷射混凝土用于结构构件加固时，厚度不应小于50mm；喷射混凝土用于结构耐久性修复时，厚度不应小于30mm。④构件截面尺寸的基本要求为h/b≤1.5，长边尺寸用h表示，短边尺寸用b表示。（4）绕丝施工①绕丝前，应采用多次电焊法将钢丝、构造钢筋的端部焊牢在原构件纵向钢筋上。若混凝土保护层较厚，焊接构造钢筋时可在原钢筋端部加焊短钢筋作为过渡。②绕丝应连续，间距应均匀，并使力绷紧；每隔一定距离用电焊加以固定。绕丝的末端也应与原钢筋焊牢。绕丝完成后，尚应在钢丝与原构件表面之间打入钢楔予以绷紧。高强度钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固法等钢丝绳网片外加聚合物砂浆面层的工程加固应符合下列要求：施工现场的气温：对改性环氧类或改性丙烯酸脂类聚合物砂浆，不应高于35℃；对乙烯-醋酸乙烯共聚物类聚合物砂浆，不应高于30℃；而且均不得受日晒、雨淋；18 施工环境最低温度应符合聚合物砂浆产品使用说明书的规定；若未作规定，应按不低于15℃进行控制；冬季施工时，配制聚合物砂浆的液态原材料，在进场验收后应采取措施防止冻害。增设辅助设备或支点法（1）增添新的构件或设备：该方法是在原结构的单元之间添加一个新的单元、组件或者设备。包括在两个屋顶之间架设新的屋架，或增加一个斜梁在两跨梁之间，使之变成三跨或者多跨梁，又或者在挡土墙的一面增加扶壁柱、钢架斜撑等，这些都可以帮助原有构件承担作用力，减少负荷作用。这种加固补强方法适用于单一的工业厂房结构，对于多层房屋建筑要看其使用功能在增设新构件后会不会受到影响。此方法施工时不同于其他，在不破坏原结构的前提下施工，因此更安全、方便。（2）附加支点：跨度在结构计算中产生不小的影响，跨度越少作用在结构上的荷载效应也明显，相反如果在梁、板、柱上通过附加支点来减少结构的计算跨度，就可以大大减少荷载效应，结构的安全系数也得到提高。通过增加支点不但充分发挥构件潜在承压能力，也能大幅度提高其他负荷性能，更能达到加固结构的目的。是个一箭三雕的好办法。增设辅助支点的加固方法根据支撑结构的受力情况不同而相异，通常可分为增设刚性支点法和增设弹性支点法。受力构件轴线中心承受压力，然后把附加的荷载、作用力直接传递给柱或基础等其他的承重组件，支点的变形可以忽略不计，因为它相对于其他构件的挠度值很小，这种附加方法称为刚性支点法。但是相反弹性支点法的传力过程是间接的，通常是以支撑构件受弯或桁架作用来完成传递作用，那么这时，支点的变形也就不能被忽略，举例来说用支点法加固柱时，可以采用在两柱间增设横向支撑杆件，一般需要采用增设支点法进行加固的建筑物，跨度和净空、以及高程都比较偏大。2.3.3与加固方法配套使用的加固技术在进行结构加固中应当使用与加固技术和加固方法配套的一系列应用技术，主要有裂缝修补技术、植筋技术、钢筋阻锈技术和锚栓锚固技术等，以达到规范标准，满足验收要求。裂缝修补技术普通原因引起的裂纹或缝隙可以根据工程需要组合使用不同的裂缝修补方法。但是由结构负荷能力不足、地基不稳、沉降或其他涉及结构内力原因而引起19 的裂缝或缺口，有必要采取其他的加固方法进行修补。通常使用有机胶进行裂缝修补，其含水率不应大于4%，对修补裂缝施工现场的气温，采用化学修补材料时，应符合产品使用说明书的规定；采用无机材料时不宜低于5℃；修补过程不得在烈日、雨雪、风沙天气条件下进行露天施工。植筋技术（1）植筋定义：被加固构件经过开孔、清孔处理，选定符合标准要求的钢筋或螺杆等杆系材料，采用专业植筋结构胶黏剂或者其他胶黏辅料等作为基础材料，然后混合两者埋入构件中。（2）基本要求①植筋主要用于连接原有结构构件与新增构件，钢筋混凝土结构中钢筋的存在增加了被植钢筋的抗滑移能力和传力的性能，保证了新旧构件连接的可靠性。②严格来说，固定植筋的部位或者周边不允许出现破损、掉块等影响效果的损坏等缺陷。如果按设计方案或结构形式必须植入有瑕疵的地方，技术人员要对有缺陷的部位采取补充、磨平、填补等填充加固处理，带其作用力恢复时再进行植筋，以免植筋达不到预期效果。③混凝土强度等级严重影响结构胶粘剂的粘结性能和植筋效果，对于不同构件类型基材要求的强度等级也不尽相同。规范规定钢筋植入构件部位时混凝土的强度等级最低值为C20；但是当被植筋结构式悬挑结构的时候，其混凝土的强度等级应大于或等于C25；钢筋阻锈技术钢筋锈蚀是结构最常见的耐久性问题之一。在选择阻锈方法时应注意：不同的阻锈方法有不同的使用条件；因工程需要，为保证阻锈效果的可靠性，可以多道防线、多种方法综合使用，但应注意方法间的相溶性；构件进行防护施工前，应确定构件中的钢筋是否锈蚀。钢筋锈蚀的部位应按规定处理后，再进行防锈施工，否则达不到预期效果。锚栓锚固技术锚栓是将固定物后锚固到结构需要加固部位的一系列组合物件，通常将被锚固的结构部分称作结构基材。利用锚固技术时必须满足下列要求：（1）强度要求：重要结构基材的混凝土等级应在C30及以上；其他普通构件的强度等级可降低至C20及以上。（2）膨胀型锚栓和扩孔型锚栓不应用于受拉、边缘受剪、拉剪符合受力的结构构件。（3）当采用机械型锚栓时，其安装现场的气温不宜低于-5℃。严禁在雨雪天气进行露天作业。20 2.4既有建筑的抗震加固2.4.1既有建筑考虑抗震设防的加固准则结构设计从概念上来讲主要强调规范和法规条款。在规程中明确规定了有关结构概念设计的各种要求和标准，包括结构体系、尺寸规定、适用高程等详细条文，可以避免进入只有计算结构的误区。然而以目前的结构设计理念和内力计算水平无法满足不断更改的建筑创意。有许多奇形怪状的结构形式，使结构体系出现了严重的不规则性，竖向结构体系的零散分布，也给结构设计带来了诸多问题，更重要的是考虑到抗震设防按现行标准设计计算出来的结构可能既不经济也难保安全。以往进行结构抗震概念设计的基本准则有：(1)整体效果完好：由于设计力的计算模型是基于假设的基础上，该系统的设计应使有足够的地板面内刚度和阻力，并具有垂直结构的有效连接，以确保结构体系有足够的平面刚度以及梁、板，柱，墙等构件可以和谐作用，共同分担内力。(2)建筑布置均匀合理：主要强调整体结构的规则性和均匀性，平面建筑的设计安排或最初理念应当是规则、对称和均匀的，从而减少建筑物的地震惯性力的偏心质量分布在平面结构上，可也以产生在一个相对短期和直接的方式传输，使结构刚度分布与质量分布更加协调，同时还限制质量和刚度之间的偏心。垂直布置的建筑结构沿规则应该是统一的，以避免过多的外部挑战和内收，避免垂直结构刚性过强，承载能力和负荷转移，将外力突变在一楼或几层软弱层，这些部位容易出现多度应力集中或者变形，危险结构的安全可靠性。(3)设计结构通俗、易懂：主要强调保持结构的整体简单，在地震或其他灾害发生时有一个明确和直接的作用力传递途径，避免灾后修复时复杂的勘察，此外还能在最短时间内建立完整无误的计算模型，提高工作效率。(4)足够的刚度和耐冲击性：结构设计时应当合理进行结构布置，如果结构平面上的两个主轴具有足够的刚性和耐冲击性，同时还具有抗扭刚度和抗扭转振动。如框架梁的设计时应在梁的垂直和水平两个方向上设置成为刚接的框架梁。(5)当建筑面临维修，或者在不久的将来使用空间布局需要调整，或者需要改变外部建设等都需要对结构重新计算、施工，连同抗震一起综合选择方案，加固效果会更好。更要采取易施工、干扰小的改造加固方案，在不影响正常生活的情况下进行。(6)考虑抗震设防的住房设计时应设置多道抗震防线，以免在第一道防线被21 打破后，导致内力紊乱重新分布，这样可以有效避免结构出现坍塌等危险事故。(7)建筑结构应当具备必要的能力，刚度，稳定性，延性和耗能等方面也要符合性能要求，而且承担主力的消耗元件更要具有较高的延展性和足够的刚度以承受垂直荷载作用，当承受垂直荷载作用的构件应当视为主要承力耗能构件。(8)建筑抗震加固前必须进行抗震鉴定，为抗震加固设计提供主要依据。2.4.2考虑抗震设防的加固方法选择（1）增强自身加固法：此法主要用于修补地震前结构裂缝缺陷和震后出现裂缝的结构构件的修复补强加固。主要包括有铁钯锯加固法、压力灌注水泥浆加固法和压力灌注环氧树脂浆加固法。（2）外包加固法：这种方法适用于结构构件破坏严重或要求较多地提高抗震承载力，一般有钢构件网笼加固法、钢筋网水泥砂浆抹面法、水泥砂浆面层加固法、外包钢筋混凝土基层加固法。（3）增设构件加固法：在原有结构构件以外增设构件是提高结构抗震承载力、变形能力和全面而有效的整体性措施。多数情况下采用增添墙体、拉结杆、扶壁柱、斜撑、支架、绕层圈梁、钢架和门窗框等加固方法。（4）增强连接加固法。震害表明，构件的连接是薄弱环节。针对结构构件间的连接采用下列方法进行加固，能够保证各构件间的抗震能力，提高变形能力，保障结构的整体稳定性。包括拉结钢筋加固法、压浆锚杆加固法、钢夹套加固法、综合加固法等。（5）替换构件加固法：用强度高、韧性好的材料来替换，通常采用钢筋混凝土替换砖、钢构件替换木构件的方法。（6）隔震和消能减震加固法：这种方法尤其适用于重要的公共建筑及文博建筑等。2.4.3多层及高层钢筋混凝土房屋抗震方案选择（1）容易发生倒塌的部位比如女儿墙等不符合鉴定要求时，可按《混凝土抗震加固技术规程》（JGJ116-2009）第5.2.3条的有关规定选择适当的加固方法补强。（2）当填充墙与框架柱的连接不符合标准要求时，可以在连接处增加额外的构件，如增设拉筋或钢夹套实现可靠连接；当不符合要求的填充墙在楼梯间时，一般采用钢筋网水泥砂浆面层加固。（3）钢筋混凝土结构的局部损伤，可使用细石混凝土浇注材料修补裂缝，如灌注水泥砂浆、灌浆料等加固。22 （4）地震防御抵抗能力不足和钢筋混凝土建筑结构的内力系统不符合要求的可供选择的加固方法有几下几点：①当框架梁、柱的抗弯承载力不符合实际目标要求时，我们可以使用现浇钢筋混凝土套或粘贴钢板、钢构套加固，同时也可通过罕见的地震对策检查，以确定塑性变形来确定加固对策。②框架梁配筋率不符合标准要求，我们可以利用钢丝网、钢套、聚合物加固砂浆面层外套，粘钢板或者现浇钢筋混凝土套，粘贴碳纤维布，钢丝网等方法加固补强。③对于框架结构，楼板、屋盖、楼梯等现浇薄弱结构应当采取加强措施，以保证其整体协同性能；或者将单向框架进行加固或者转变为双向的框架，提高结构的稳定性；或者墙、柱类较为脆弱地带采用增添减震墙、抗震支撑等抗侧力构件的措施进行加固。④现浇钢筋混凝土套管可以用来加固轴压比不符合要求的框架柱等构件。钢筋混凝土抗震墙配筋不符合鉴定要求时，可加厚原有墙体或增设端柱、墙体等。⑤单跨框架不符合资质要求，应在不超过框架-剪力墙结构的剪力墙间距不大于内24m的最大距离附加剪切墙，翼墙，抗震支撑组件或其他侧向力抵制的轴线相应的单跨框架多跨度框架。⑥房屋刚度较弱，明显不均匀，或有显著的扭转效应，可以采用增加钢筋混凝土抗震墙或翼墙的方法加固，也可以设置支护增强承载能力。⑦通常情况下采用钢绞线-聚合物砂浆面层、粘贴碳纤维布、粘贴钢板的方法加固不符合鉴定要求的楼梯等结构组件。2.5本章小结建筑物改造加固技术日趋成熟，带动了国民经济和国家建设的迅速发展，伴随而来的加固方法也是种类繁多，加固工艺和施工技术等等多种多样，本文在了解、掌握既有建筑加固原则和改造加固基本工作程序的基础上，综合阐述了建筑结构改造常用的几种不同加固方法及其特点和加固适用范围，并扼要介绍了既有建筑改造加固的施工和工艺要点，本章还简要介绍了抗震加固的方法和选择为加固技术奠定了坚实的理论基础。23 第3章建筑结构的改造加固设计计算3.1引言理论是实践的基础，既有建筑的加固设计也需要依据切实可靠的理论原理才能进行，但现实往往比理论更复杂，本章综合分析采用不同加固方法进行既有建筑结构加固设计的基本原理、承载力计算和基本规定或施工要求等，以达到学以致用，从理论到实践的目的。3.2承载力计算的基本假设与新建混凝土结构的设计不同，既有建筑的加固设计比较麻烦，而且内力计算也十分复杂，往往在一定程度上给予结构一定的基本假设，才能将承载力的计[50]、[51]算转化成理论分析，具体如下：（1）受力前后，需加固构件截面依旧保持平面应变；（2）加固构件的混凝土抗拉强度一般情况忽略不考虑；（3）处于受压区的混凝土构件，其应力应变关系可以按下列公式采用当时：c0ncf11(3-1)cc0当时：0ccuf(3-2)cc1n2f50cu,k60(3-3)50.0020.5f5010(3-4)0cu,k50.0033f5010(3-5)cucu,k式中：一混凝土压应变为时的混凝土压应力；cc24 f一混凝土轴心抗压强度设计值，按GB50010-2010表4.1.4-1采用c一混凝土压应力刚达到时的混凝土压应变，当计算的值小于0.002ccc时，取为0.002；一正截面的混凝土极限压应变，当处于非均匀受压时，按公式(3-5)计算，cu如计算的值大于0.0033，取为0.003；当处于轴心受压时取为；cu0f一混凝土立方体抗压强度标准值，按GB50010-2010第4.1.1条确定cu,kn一系数，当计算的n值大于2.0时，取为2.0。（4）钢筋应力,与应变关系为直线和水平线之组合折线,其关系按式(3-2)ss受拉钢筋极限拉应变0.01。su5ε0.0033f5010cucu,kss(ssfy)s（3-6）f(f)yssy3.3增大截面法的加固设计3.3.1受压构件正截面计算（1）轴心受压构件承载力计算当采用增大截面加固轴心受压构件时，其正截面受压承载力应符合下列规定：""""N0.9fAfAfAfA（3-7）cocoy0s0csccys式中，N—构件加固后的轴向压力设计值；—构件稳定系数，根据加固后的截面尺寸，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的规定值采用；A、A—构件加固前混凝土截面面积和加固后新增部分混凝土截面面积；c0c"A—新增纵向受压钢筋截面面积；sA"s—综合考虑新增混凝土和钢筋强度利用程度的修正系数，取为0.8cscs该值与原推荐标准值相同，不过需要将改为。cs（2）偏心受压构件承载力计算采用增大截面加固偏心受压构件时，其矩形截面正截面承载力按下列公式计算：""""Nfbx0.9fAfA0.9AA（3-8）1ccysy0s0sss0s025 x""""""Ne1fccbxh00.9fyAsh0asfy0As0h0as0s0As0as0as（3-9）20.8h11f（3-10）s0s0cuy0x0.8h01f（3-11）sscuyx式中，—系数，按公式3-2对应规定取值；1f—新旧混凝土结合面的混凝土轴心抗压强度设计值，可按cc1ff0.9f确定；cccoc2f、f—新旧混凝土轴心抗压强度设计值；cc0—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应力；若计算结果为s0f时，取f；s0y0s0y0—受拉或受压较小边新增纵向钢筋应力；当计算所得fssy时，取f；syA—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋的截面面积；s0"A—原构件受压较大边纵向钢筋截面面积；s0—偏心距，为轴向压力设计值N的作用点至新增受拉钢筋合力点的距离；cua—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合理作用点至加固后截面近s0边的距离；"a—构件受压较大边纵向钢筋合力点到加固后截面近边的距离；s0a—受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至加固后近边的距离；s"a—受压较大边新增纵向钢筋合力点至加固后截面近边的距离；sh—受拉边或受压较小边新增纵向钢筋合力点至加固后截面受压较大0边缘的距离；h—原构件截面有效高度。013.3.2受弯构件正截面设计计算设计时选择增加构件截面尺寸法加固结构，首先要确定结构受力和原有结构的实际状况，选择分别在结构的受拉区域和受压区域增添一层额外的钢筋现浇混凝土进行加固。按照现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）要求，当受弯26 构件只需在受压区加固的时候，裂缝宽度、挠度、承载力、钢筋应力、抗裂度等基本要素的计算和验算，也可以按叠合式受弯构件计算的基本规定进行。当验算结果表明，在结构表面只增加混凝土叠合层就能满足结构的承载力要求时，为了保证新增混凝土层的安全可靠，还应当按照构造要求配置一定数量的受压钢筋以及分布筋、构造钢筋。这样也做到了与现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）作出的“应在板表面双向配置防裂构造钢筋”的规定相协调，大大减少了新增混凝土发生温度裂缝和收缩应力引起的裂缝数量。处于受拉区域的矩形截面受弯构件进行承载力分析时，可以按以下公式计算：xx""x"Msfyh0fy0As0h01fy0As0a（3-12）222""fbxfAfAfA（3-13）1c0y0s0sysy0s0"2axh（3-14）b0式中，M—构件加固后弯矩设计值；—新增钢筋强度利用系数，取0.9；ssf—新增钢筋的抗拉强度设计值；yA—新增受拉钢筋的截面面积；sh、h—构件加固后和加固前的截面有效高度；001x—等效矩形应力图形的混凝土受压区高度，简称混凝土受压区高度；"f、f—钢筋的抗拉、抗压强度设计值；y0y0"A、A—原受拉钢筋和原受压钢筋的截面面积；s0s0"a—纵向受压钢筋合力点至混凝土受压边缘的距离；—受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心受压抗压强度设计1值的比值；当混凝土强度等级不超过C50时，取1.0；当混凝土1强度等级为C80时，取0.94；其间按线性内插法确定；1f—原混凝土轴心抗压强度设计值；c0b—构件的矩形截面宽度；—构件增大截面后的相对界限受压区高度，按公式（3-15）计算。b由于加固后的受弯构件正截面承载力可以近似地按照一次受力构件计算，试验研究也验证过新增主筋一般能够屈服，因而受弯构件增大截面加固后的相对受压区高度，应下列公式计算：b27 1（3-15）bsfys11cuscuh01.60.6（3-16）s1hs001M0k（3-17）s00.87hA01s0s0式中，—计算系数，当混凝土等级不超过C50时，取0.8；11当混凝土强度等级为C80时，取0.74；其间按线性内插法确1定；—混凝土极限应变值，0.0033cucu—新增钢筋位置处，按平截面假设确定的初始应变值；s1当新增主筋与原主筋的连接采用短钢筋焊接时，可近似取hh，010s1s0M—加固前受弯构件验算截面上原作用的弯矩标准值；0k—加固前，在初始弯矩M作用下原受拉钢筋的应变值。s00k当按公式（3-12）及公式（3-13）算得的加固后混凝土受压区高度x与加固前原截面有效高度h之比x/h，大于原截面相对界限受压区高度时，应考虑原0101b0纵向受拉钢筋应力尚达不到f的情况。此时，应将上述两公式中的f改为s0y0y0，并重新进行验算。验算时，值可按下式确定：s0s00.8h01s01cusfy0（3-18）x若算得f，则按此验算结果确定加固钢筋用量；若算得的结构s0y0f，则表示原计算结果无需变动。s0y0对翼缘位于受压区的T形截面受弯构件，其受拉区增设现浇混凝土层的正截面受弯承载力，应按上述在受拉区加固矩形截面受弯构件的计算原则和现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）关于T形截面受弯承载力的规定计算。3.3.3受弯构件斜截面计算对受剪限制条件的规定与现行国家标准《混凝土结构设计规范》28 （GB50010-2010）完全一致，而从增大截面构件的荷载试验过程来看，增大截面还有助于减缓斜裂缝宽度的发展，特别是围套法更为有利，因此，受弯构件加固后的斜截面应符合下列条件：当h/b4时，wV0.25fbh（3-19a）cc0当h/b6时，wV0.2fbh（3-19b）cc0当4h/b6时，按线性内插法确定。w式中，V—构件加固后的剪力设计值；—混凝土强度影响系数，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》c（GB50010-2010)的规定值采用；b—矩形截面的宽度，I型截面的腹板高度；hw—截面的腹板高度；对于矩形截面，取有效高度；对于T型截面取有效高度减去翼缘高度对I形截面，取腹板净高。采用增加截面法加固受弯构件时，其斜截面受剪承载力可按以下公式确定：（1）当受拉区增设钢筋混凝土，采用，U形箍与原箍筋逐个焊接时：Asv0V0.7fbh0.7fb(hh)1.25fh（3-20）t001ct001yv00s0（2）当增设钢筋混凝土三面围套，并采用加锚式或胶锚式箍筋时；AAsvsv0V0.7fbh0.7fA1.25fh1.25fh（3-21）t001ctcsyv0yv001ss0式中，—新增混凝土强度利用系数，取0.7；ccf、f—新、旧混凝土轴心抗拉强度设计值；tt0A—三面围套新增混凝土面积；c—新增箍筋强度利用系数，取0.9；ssf、f—新增箍筋和原箍筋的抗拉强度设计值；yvyv0A、A—同一截面内新箍筋各肢截面面积之和及原箍筋各肢截面面积之和；svsv0s、s—新增箍筋或原箍筋沿构件长度方向的间距。0斜截面受剪承载力计算与原规范比较，主要有三点不同：一是将新、旧混凝29 土的斜截面受剪承载力分开计算，并给出了具体的公式；二是新、旧混凝土的抗拉强度设计值分别按《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）和现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的规定取用；三是按试验和分析结果重新确定了混凝土和钢筋的强度利用系数。经试算上面公式计算的斜截面承载力，其安全储备有所提高。30 3.4置换混凝土法加固设计及计算3.4.1轴心受压构件置换设计当采用置换法加固轴心受压构件时，其正截面承载力应符合下列规定：""N0.9fAfAfA（3-22）c0c0cccy0s0式中，N—构件加固后的轴向压力设计值；—受压构件稳定系数，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定值采用；—置换部分新增混凝土的强度利用系数，当置换过程无支顶时，c取0.8；当置换过程采取有效的支顶措施时，取1.0；ccf、f—原构件混凝土和置换部分新混凝土的抗压强度设计值；c0cA、A—原构件截面扣去置换部分后的剩余面积和置换部分的截面面积；c0c"f—原构件纵向受压钢筋抗压强度设计值；y0"A—原构件纵向受压钢筋的截面面积c03.4.2偏心受压构件置换加固计算当采用置换混凝土法加固偏心受压构件时，其正截面承载力应按下列两种情况分别计算：（1）受压区混凝土置换深度hx，按新混凝土强度等级和现行国家标准《混nn凝土结构设计规范》GB50010的规定进行正截面承载力计算。（2）受压区混凝土置换深度hx，其正截面承载力应符合下列规定：nn""NfbhfbxhhfAA（3-23）1c01c0nn00ysss"""NefbhhfbxhhfAha（3-24）1cn0n1c0nn00ys0s式中，N—构件加固后的轴向压力设计值；e—轴向压力作用点至受拉钢筋合力点的距离；f、f—原构件混凝土和置换部分新混凝土的抗压强度设计值；c0cx—加固后混凝土受压区高度；nh—受压区混凝土的置换深度；n31 h—纵向受拉钢筋合力点至受压区边缘的距离；0h—纵向受拉钢筋合力点至置换混凝土形心的距离；0nh—纵向受拉钢筋合力点至原混凝土xh部分形心的距离；00nn"A、A—受拉区、受压区纵向钢筋的截面面积；ssb—矩形截面的宽度；"a—纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离；s"f—纵向受压钢筋的抗压强度设计值；y—纵向受拉钢筋的应力。s3.4.3受弯构件置换加固基本计算当采用置换法加固受弯构件时，其正截面承载力应按下列两种情况分别计算（1）受压区混凝土的置换深度hx，按新混凝土强度等级和现行国家标准nn《混凝土结构设计规范》GB50010的规定进行正截面承载力计算。（2）受压区混凝土的置换深度hx，其正截面承载力应符合下列规定：nn"""MfbhhfbxhhfAha（3-25）1cn0n1c0nn00ys0s""fbhfbxhfAfA（3-26）1cn1c0nnysys式中,M—构件加固后的弯矩设计值；"f、f—原构件纵向受拉钢筋的抗拉、抗压强度设计值。y0y0其余符号含义同式（3-22）~式（3-24）。3.4.4置换混凝土加固构造要求（1）混凝土的置换深度，板不应小于40m；梁、柱采用人工浇筑时，不应小于60mm，采用喷射法施工时，不应小于50mm。置换长度应按混凝土强度和缺陷的检测及验算结果去定，但对非全长置换的情况，其两端部分应分别延伸不小于100mm的长度。（2）置换部分应位于构件截面受压区内，且应根据受力方向，将有缺陷混凝土剔除；剔除位置应在沿整个构件宽度的一侧或对称的两侧；不得仅剔除截面的一侧。（3）置换用混凝土的强度等级应比原构件混凝土提高一级，且不应低于C25。32 3.5外包钢加固设计3.5.1轴心受压构件加固设计的基本方法采用外包钢及外粘型钢加固法时，应优先选用角钢。角钢的厚度不应小于5mm，角钢的边长对柱不应小于75mm。当前《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006的构造要求采用外包钢加固排架柱时，应将加固的型钢与原柱头顶部的承压型钢相互焊接。对于二阶柱，上下柱交接处及牛腿处的连接构造应予加强。采用外粘贴角钢或槽钢加固轴心受压构件时，其正截面承载力应按下列公式计算：""""N0.9fAfAfA（3-27）c0c0y0s0aaa式中，N—构件加固轴向压力设计值；—轴心受压构件的稳定系数，应根据加固后的截面尺寸，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010采用；—新增型钢强度利用系数，除抗震设计取1.0以外，其他取aa=0.9；a"f—新增型钢抗压强度设计值，应按现行国家标准《钢结构设计规范》aGB50017的规定采用；"A—全部受压肢型钢的截面面积。a3.5.2偏心受压构件加固计算当采用外粘型钢加固偏心受压构件时，其矩形截面承载力应按下列公式确定：""""NfbxfAAfAA（3-28）1c0y0s0s0s0aaaaaax""""""Ne1fc0bxh0fy0As0h0as0s0As0as0aaafaAah0aa（3-29）20.8h01s01s0cu（3-30）x0.8h0a1acu（3-31）x式中，33 N—构件加固轴向压力设计值；—按受压区混凝土矩形应力的应力值与混凝土轴心抗压强度1设计值之比确定的系数；当混凝土强度等级不超过C50时，取1.0；当混凝土的强度等级为C80时，取0.94；其间11按线性内插法确定；b—原构件截面宽度；x—混凝土受压区高度：f—原构件混凝土轴心抗压强度设计值；c0"f—原构件受压区纵向钢筋抗压强度设计值；y0"A—原构件受压较大边纵向钢筋截面面积；s0—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋应力，当f时，s0s0y0应取f；s0y0A—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋截面面积；s0—新增型钢强度利用系数，除抗震设计取1.0以外，其他aa取0.9；a"f—型钢抗压强度设计值；a"A—全部受压肢型钢截面面积；a—受拉肢或受压较小肢型钢的应力，可按（3-31）计算，a也可近似取；as0A—全部受拉肢型钢的截面面积；ah—加固前原截面的有效高度；01h—加固后受拉肢或受压较小肢型钢的截面形心至原有构件0截面受压较大边的距离；"a—原截面受压较大边纵向钢筋合力点至原构件截面近边的距离；s0"a—受压较大肢型钢截面形心至原有构件截面近边的距离；aa—原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点至原截面近边的距s0离；a—受拉肢或受压较小肢型钢截面形心至原构件截面近边的距离a—型钢的弹性模量；ae—偏心距，为轴向压力设计值作用点至受拉区型钢形心的距离，按照国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定进行计算，但其增大系数尚应乘以以下修正系数：①对围套或其他对称形式的加固；当e/h0.30时，1.1；当e/h0.3时，1.2；②对非对称形式的结构，当e/h0.3时，001.2；当e/h0.3时，1.3。034 3.5.3受弯构件正截面加固设计基本方法外粘型钢加固梁时，应将原构件截面的棱角打磨成半径r7mm的圆角，以使型钢与混凝土之间在注胶后能相互粘合，与此同时也应在注胶之前与型钢焊接。当采用此方法进行加固时，其加固后的承载力和截面刚度可按整截面计算；其截面刚度EI的近似值，应当按式（3-32）计算：20.5Aa（3-32）c0c0aaa式中,和—原构件混凝土和加固型钢的弹性模量；c0a—原构件截面惯性矩；c0A—加固构件一侧外粘型钢截面面积；aa—受拉与受压两侧型钢截面形心间的距离。a在矩形截面受弯构件的受拉面粘贴型钢和受压面粘贴型钢进行加固时，其正截面承载力符合下列规定：x"""""M1fc0bxh0fy0As0h0afspAsph0fy0As0h0h01（3-33)2""""fbxfAfAfAfA（3-34）1c0spspspy0s0y0s0spsp0.8h/xcucusp,0"x2a（3-35）spf/spsp式中,M—构件加固后的弯矩设计值；x—等效矩形应力图的混凝土受压区高度，称之为混凝土受压区高度；h、b—矩形截面的高度和宽度；"f、f—加固型钢的抗拉强度、钢板的抗压强度设计值；spsp"AA、—受拉和受压钢板的截面面积；spsp"a—纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离；h—构件加固前的截面有效高度；0—考虑二次受力影响时，受拉型钢抗拉强度有可能达不到sp设计值而引用的折减系数；当1.0时，取1.0；spsp—混凝土极限压应变，取0.0033；cucu—若不考虑二次受力影响，取0考虑二次受力影响sp,0sp,0时，受拉型钢的滞后应变，应按规定计算；当考虑二次受力影响时，加固型钢的滞后应变应按式（3-36）计算：sp,035 Msp0k（3-36）sp,0Ahss0式中,M—加固前受弯构件验算截面上作用的弯矩标准值；0ka—综合考虑受弯构件裂缝截面内力臂变化、钢筋拉应变不均匀以及sp钢筋排列影响的计算系数，按表3-1的规定采用。表3-1计算系数值Table3-1Computingcoefficients≤0.0100.0200.0300.0400.060sp,00.007单排0.700.91.151.201.251.30钢筋双排0.751.001.251.301.351.40钢筋"加固设计时，若受压面没有粘贴型钢（即A0），可按公式（3-33）计算sp出混凝土受压区高度x，然后按照公式（3-35）计算出强度折减系数，然后代入公式（3-34），即可求出受拉面应粘贴的型钢加固量A。sp3.5.4受弯构件斜截面加固设计基本方法（1）当采用钢板箍对受弯构件的斜截面承载力进行加固时，应粘贴垂直于构件轴线方向的加锚封闭箍，以承受剪力作用。（2)受弯构件加固后的斜截面应符合下列条件：当h/b4时，V0.25fbhwcc00当h/b6时，V0.2fbhwcc00当4h/b6时，按线性内插法确定。w式中,V—构件斜截面加固后的剪力设计值；b—矩形截面的宽度；T形或I形截面的腹板宽度。h—截面的腹板高度；对矩形截面，取有效高度；对T形截面，w取有效高度减去翼缘高度；对I形截面，取腹板净高。取有高（3)采用加锚式封闭箍或其他U形箍对钢筋混凝土梁进行抗剪加固时；其斜36 截面承载力应符合以下规定：VVVVfAh/sb0b,spb,spvbspspspsp式中,V—加固前，梁的斜截面承载力，按现行《混凝土结构设计规范》b0GB50010计算；V—粘贴钢板加固后，梁斜截面承载力的提高值；b,sp—与钢板的粘贴方式及受力条件有关的抗剪强度折减系数。vbA—配置在同一截面箍板上的全部截面面积；A2bt，b、spspspspspt分别为箍板宽度和厚度sph—梁侧面粘贴箍板的竖向高度；sps—箍板的间距。sp3.6本章小结本章通过运用既有建筑的改造加固原理、基本假设，结合以往的改造加固的理论研究，归纳几种常用的加固方法。主要内容包括加固方法的加固计算、承载力验算、以及运用该类方法的工作要点、基本规范要求等。对于常用的增大截面加固法、置换混凝土法、外包钢法等都有其具体的使用对象和范围，由此可以根据具体的工程情况，合理选择加固方案。37 第4章工程实例加固计算4.1工程实例的基本概况邯郸国际会展中心于2007年建成投入使用，该中心地上四层，总建筑面积63000平方米，总高度为24m。平面形状近似矩形，基本开间8m，一层层高6m，其余层高3.5m。现根据业主要求，将该中心9轴~19轴/T轴~Z轴二层改为音乐餐厅，加固后抗震等级为三级，地震分组第一组，7度（0.15g）抗震设防。下图4-1为需要改造加固部分。图4-1原邯郸国际会展中心改造加固部分Fig4-1Theoriginalhandaninternationalconferenceandexhibitioncenterrenovationandparts该中心采用框架结构，所有的梁、板、柱均为现浇，原设计楼面活荷载为22.5KN/m，混凝土强度等级为C20，二层因个别原因混凝土设计强度等级为C30。22现因使用功能的改变，将楼面活荷载由原来的2.5KN/m增加8.0KN/m。通过计算分析表明原结构不满足正常使用要求，需要对该结构中的构件进行加固。在原结构中，楼板和柱及基础可以满足承载力要求不需处理。4.2加固设计计算框梁加固（1）2006年因使用不当V轴交轴KL20（即加固框梁JKL20）共十跨，发生38 断裂后重新置换新梁，设计截面尺寸为b=300mm，h=600mm,混凝土强度等级变为C30，主筋4Φ25，箍筋ø8@100，原设计最大剪力为300KN，改为音乐餐厅后剪力设计值增加到650KN。现拟采用混凝土增大截面法三面U形围套加固混凝土框架梁L20，锚固方式采用加锚式，如图4-2。图4-2框架梁(KL20)加固平面图Fig4-2Framebeamreinforcementplan（2）按《混凝土结构加固设计规范》规定加固该梁混凝土强度等级比原来提高一级，采用C35。22已知条件：h600mm，b300mmf14.3N/mm，f1.57N/mm，c0t222f1.43N/mm，f210N/mm，A100.5mm，s100，t0yv0v0h75040710mm，h560mm。001（3）原梁设计受剪承载力验算加固前梁受剪承载力VuAsv0V0.7fbh1.25fhut001yv001s0100.50.71.433005601.25210560315.90kN650kN100原梁斜截面承载力不满足荷载要求，需要采取加固措施。（4）加固梁受剪承载力设计验算截面验算：710h/b2.374w3000.25fbh0.2514.3300710761kN650kNcc039 截面尺寸设计符合要求。AAsvsv0V0.7fbh0.7fA1.25fh1.25fht001ctcsyv0yv001ss0AsvV0.71.433005600.70.71.57756103501101.250.9210s100.57101.25210560100Asv得出：1.605。sAsv226.08加固梁新增U形箍筋为ø12@100，2.261.61。s100故加固梁采用U形箍筋为ø12@100围套加锚式方式，加固梁截面抗剪承载力满足现用荷载要求。连梁加固图4-3连梁（LL15）加固平面图Fig4-3Eventhebeamreinforcementplan（1）该音乐餐厅附带迪厅部分，为上图（3-3）中11~14轴/U~W轴24m×24m见方。原设计中梁采用矩形截面，其尺寸为200mm500mm，设计采用混凝土等级为C20，受拉钢筋3Φ28，受压钢筋为3Φ20，经检测发现其混凝土强度等级为40 C15，需采用置换混凝土的方法对梁加固，加固后的弯矩设计值为238kN.m。（2）原梁承载力的计算""根据公式fbxfAfA1cysys1.07.2200x3001847300942解得：x188.54mmx"""M1fcbxh0fyAsh0as2188.5541.07.2200188.54465300942465352222.17kN.m238kN.m不满足要求。（3）加固设计采用C25混凝土置换，设置换深度为h70mm。n""根据已知条件fbhfAfA，得hx。根据要求，其正截面承载力应1cnysysnn按下列公式计算：""fbhfbxhfAfA1cn1c0nnysys即1.016.7200701.07.2200x703001847942n解得：x96.18mmn"""fbhhfbxhhfAha1cn0n1c0nn00ys0s7096.18701.016.7200704651.07.220096.1870465702230094246535236.45kN.mM238kN.m不满足要求。（4）置换混凝土强度等级改为C40，重新验算2已知f19.1kN/mm，则fbh1.019.120070267.40kNc1cn""fAfA3001847942271.5kN267.40kNysys""""由fbhfAfA，得hx，则fbhfbxhfAfA1cnysysnn1cn1c0nnysys代入数据求得x72.85mm，将数值代入下式n41 """fbhhfbxhhfAha1cn0n1c0nn00ys0s7072.85701.019.1200704651.07.220072.8570465702230094246535238.12kN.mM238kN.m满足要求，故可以采用C40混凝土置换，置换深度为70mm。纵框梁加固图4-4纵框梁（KL2）加固平面图Fig4-4Longitudinalboxbeamreinforcementplan（1）原主梁设计最不利荷载效应设计值为280kN.m，标准值为230kN.m。其使用功能的改变将使用荷载增加至378kN.m。该框架主梁承载力不足，需要对其进行加固处理，初步拟定采用外粘型钢法。（2）加固设计的已知条件2截面尺寸为h=650mm,b=250mm；混凝土强度等级为C30，f14.3N/mm；钢筋c22为HRB335，f300N/mm，A1863mm，环境类别为一类。ys（3）设计计算原主梁抗弯承载力计算：h65035615mm0A1963fst1.27%45%0.21%，同时0.2%时，满minbh250615f0y足要求。42 fy3000.01270.2660.55bf1.014.31c满足使用条件。2Mfbh10.5u1c021.014.32506150.26610.50.266311.84kN.m378kN.m""当不在主梁定粘贴钢板时，有A0,A0，则代入公式（3-5-6）有s0spx61.014.3250x650300196335378102x203解得：x203mm,0.330.55，符合要求。bh6150As1963考虑二次受力影响，则0.024，查表得1.17。tespA0.5250650teM6sp0k1.1723010则0.0011sp,05sAsh02.01019636150.8cuh/xcusp,00.80.0033650/2030.00330.00113.88，取sp6fsp/sp215/2.06101.0，代入公式sp21.014.32502031.0215A3001963，解之得A636mmspsp底部角钢采用2L75×5；箍板采用4mm×80mm,间距为300mm；主梁端部，跨中次梁两侧加密区间为200mm。楼板的加固根据计算数据，楼板配筋和混凝土强度等级等均能满足新增荷载后的使用要求，但是介于施工和安全考虑，采用双层双向粘贴碳纤维布的方案对楼板进行加固处理，碳纤维布的规格为1T=200@150。4.3本章小结结合邯郸蓝黛音乐餐厅加固改造工程的实际情况，对不能满足使用功能改变后的承载力的框架梁、连梁进行加固处理，并且实现本工程经济合理的改造加固，达到业主的要求。本章还详细叙述了需进行加固构件的加固计算过程，以此为以43 后的工程加固设计提供思路。44 结论与展望1、结论本文以邯郸蓝黛音乐餐厅加固改造工程为研究对象,对各种加固方法的比较分析研究和计算完成该工程的改造加固处理，可以得出以下主要结论:（1）根据既有建筑的改造加固技术原则和工程的实际特点及改造要求，确定加固方案，在此基础上进行加固设计，可以很好地解决建筑物面临拆除的问题，达到经济指标。（2）本文根据不同受力构件和结构特点，对比分析了不同的加固方法，以及此类方法的适用条件。不仅能提高结构的承载力，同时利用这些方法进行加固还能提高构件的刚度。（3）本文结合工程实际详细分析了几种改造加固方法不同受力特点的承载力计算，为既有建筑的结构改造加固设计提供的计算依据。2、展望（1）大多数改造加固设计原理都是依据现行《混凝土结构设计规范》GB50010确定的，所以具体的加固机理并不明确，导致了加固设计工作更为复杂，并带有一定的盲目性和盲从性。该方面的改进和完善有待提高。（2）现行建筑改造加固设计过程主要是设计人员严格按照规范要求进行计算和施工设计，经长期的实践证明，能满足工程的安全可靠性。而加固效果的好坏与否，在很大程度上还依赖于加固设计方案、施工工艺以及公共人员的素质等因素。（3）加固设计新软件的开发，打破传统的加固方法以及新型加固材料和产品的研发都将是建筑加固改造设计人员有待进一步解决的问题。所以要根据科研和市场的需要大力开展国际交流与合作，并能积极引用国外的新技术、新工艺、新方法、新材料，为我所用。从事建筑改造加固领域的所有科学技术成员都以主人翁的责任感，学以致用，承担越来越重的改造加固任务，为祖国的建筑事业和经济建设，作出巨大的贡献。45 致谢本次论文从开始选题到资料收集以及撰写完成，得到了魏翠玲导师的悉心指导，带给我很大的触动。魏老师多次询问论文的研究过程，及时指点迷津，帮助我开拓研究思路，老师的精心点拨和热忱鼓励，为我前进的道路照亮一盏明灯。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神和和蔼可亲的关怀与帮助不仅授我以文，而且教我做人，虽然只相处短短的两年，却使我终身受益无穷。在读研学习以及并且在实践工作中获得的极大支持和鼓励，都是我对老师无以为报的感激之情，在此表示深深的感谢，并且在此深深的鞠上一躬，以表达老师对我的教育培养之情；同时感谢所有的同门师兄弟，没有他们的帮助和并肩作战，我的论文也不会进行的这么顺利。在整个研究生阶段，导师的教导，同学的帮助，让我深刻体会了良师益友的内涵，衷心感谢在研究生阶段河北工程大学土木工程学院为我提供的良好的研究条件，使我拥有作为研究人员该有的专业知识和科研精神，校园这片沃土也净化了我的心灵。更要感谢我亲爱的家人在读研期间对我生活的精神上的支持与鼓励，没有他们我就无法安心完成学业。总之，感谢所有身边人在读研阶段的点点滴滴。此致敬礼！46 参考文献[1]建筑物加固改造技术的发展与应用[J].北京：煤炭科学技术，2007，10[2]AllenRTL,EntivardsTheRepairofconcreteStructures.Blackie,GlasgowandLondon,l987[3]AllenR.T.L.TheRepairofConcreteStructures.CementandConcreteAssociation.1985[4]姚谦峰，苏三庆，地震工程[M].陕西：陕西科学技术出版社，2001，1-3.[5]赵志方，周厚贵等新老混凝土粘结机理研究与工程应用.北京：中国水利水电出版社，2003[6]黄兴隶，田炜混凝土结构加固学发展概论.建筑物鉴定与加固论文集一第三届全国学术讨论会，1995，61~67[7]唐业清，万墨林.建筑物改造与病害处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2002，5[8]卓尚木，季直仓，卓昌志.钢筋混凝土结构事故分析与加固.北京：中国建筑工业出版社，1997，12~18[9]吕西林.建筑结构加固设计.北京：科学出版社，2001，35~49[10]卓尚木，季直仓，卓昌志.钢筋混凝土结构事故分析与加固.北京：中国建筑工业出版社，1997[11]混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006).北京:中国建筑工业出版社，2006[12]张有才，段敬民.建筑物的检测、鉴定加固与改造.冶金工业出版社，2001，5[13]张富春等建筑物的鉴定加固与改造中国建筑工业出版社，1992[14]卫龙武等建筑物评估加固与改造江苏科学技术出版社，1993[15]吕酉林.建筑结构加固设计[M].科学出版社，2001，7[16]张有才，段敬民.建筑物的检测、鉴定加固与改造[M].冶金工业出版社，2001，5[17]张富春等.建筑特的鉴定加固与改造.中国建筑工业出版社，1992[18]罗福午.建筑工程质量缺陷事故分析及处理.武汉工业大学出版社，1999[19]尚守平，施楚贤.第六届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集[M].湖南大学出版社，2002.10[20]郑建岚，第九届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集[M].中国建材工业出版社，2009[21]沈聚敏等.抗震工程学[M].中国建筑工业出版社，2000.12，598[22]建筑抗震鉴定标准(GB50023-95).北京：中国建筑工业出版社，1995[23]建筑抗震加固技术规程(JGJ116-98).北京：中国建筑工业出版社，1998[24]建筑事故防范与处理课题组.建筑事故防范与处理实用全书[M].中国建材工业出版社，199847 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作者简介一、基本情况杨小芹，女，1985年3月，汉族，河北省邢台市邢台县人。二、学习和工作背景2005年9月~2008年6月毕业于石家庄铁路职业技术学院土木工程系，所学专业为城市轨道交通工程技术；2008年7月~2011年8月就职于成都铁路局凯里工务段；2011年9月~2014年1月毕业于河北工程大学土木工程学院，所学专业为建筑与土木工程。三、本阶段学位攻读期间课程学习情况如下：土力学理论与应用77.5分；混凝土理论与应用84分；应用弹塑性力学97分；深基坑支护与理正软件应用85分；结构设计与PKPM软件应用85分；地基处理新技术85分；基础工程设计90分；有限元与程序应用87分；数理统计84分；数值分析95分；公共英语88分；自然辩证法91分；岩体稳定与控制90分；体育90分；知识产权与信息检索80分。共计学分34分。50 '