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工程结构加固技术及工程中的应用题 目 工程结构加固技术及工程中的应用学 院 专 业 学生姓名 学 号 年 09级 2 二一二年十一月二十日工程结构加固技术及工程中的应用姓名:文章摘要：围绕建筑工程结构的加固设计，首先介绍工程结构加固的必要性以及加固技术发展的概况，然后具体说明一些常用的加固技术及其优缺点。关键词：必要性 地基加固 砌体加固 混凝土加固 钢结构加固1 概述随着我国经济建设的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国大规模的城市化进程逐步深入，必将导致城市可利用资源压缩，城市新建工程发展趋于平缓。由于建筑年代、使用年限、自然灾害、原设计估计不足等诸多因素影响，建筑物已经出现不同程度的损伤。一些建筑物因历史、人文等方面的特殊性，或因为周边环境的影响及使用功能的转变而成为鸡肋建筑。为了保持文化的延续性和建筑的正常使用功能或改善功能，工程结构加固改造将逐步凸现其重要性。在发达国家，房屋结构的新建与加固改造早已呈现前消后涨的态势。如丹麦用于加固改造和新建工程的投资比例已经是6:1；据美国劳工部门的调查，加固改造业正在成为该国最受欢迎的9 个行业之一；瑞典自1983 年后，建筑业总投资的50%以上用于建筑的诊断与维修加固改造业；英国1978年用于建筑物维修、加固改造的投资是1965 年的3-8 倍，近来年增长更大。在我国，建筑物的鉴定加固也已引起高度重视，建设部1990 年正式设立“全国建筑物鉴定与加固委员会”，1998 年专门设立“建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会”。所以在经历了一段建设的高峰期后，对既有建筑的检测、鉴定、加固与改造的“建筑医生”正在形成一个朝阳行业。建国以来，我国建成各类工业项目、公用和民用等建筑物项目近百万个，建筑面积约数十亿m2，原旧建筑的处理方式基本上都是大量拆除后，重新建设。这样将产生巨大的资源浪费和重新建设的巨大投资，旧建筑拆除后产生大量的建筑垃圾，不但严重污染了城市周边的环境，并且又要花费大量资金的投入；此外，随着经济建设的发展，不少既有建筑物需要增加房屋高度、提高使用荷载、加大空间、加层等的改造。所以建筑鉴定、维修、加固和改造已经提上议事日程。另外，由于以下原因：勘探单位对区域勘探不准确；设计单位对地基承载力及结构构件设计估计不足；施工单位施工中质量不过关；地下水使用过度；自然灾害等等，这些都将导致建筑物整体沉降或沉降不均或产生结构构件破损。所以建筑物需进行“体检”、“治疗”。建筑物“治疗”需要进行相关的程序：首先进行“挂号”、“体检”，发现地基沉降或结构破损的，请具有相应资质的单位进行检测，采集整理数据，查找相关的勘探、设计及施工文件，对产生的原因进行综合分析，对建筑物的可靠性进行安全鉴定评级；再进行“会诊”，如不符合安全标准但又因拆除导致不必要浪费的建筑物应请具有相应资质的单位针对产生的原因提出处理方案，对该方案通过成本、技术、人力资源等进行可行性评估；然后进行“治疗”，评估通过后对建筑加固改造付诸实施阶段，根据实际情况进行细部修正；最后“留院察看”，对加固结果、预期价值等进行跟踪评估。2 工程结构加固技术2.1 工程结构的检测在需要对建筑物的施工质量进行评定时，或当建筑物由于某种原因不能满足某项功能的要求或对满足某项功能的要求产生怀疑时，就需要对建筑物的整体结构、结构的某一部分或某些构件进行检测。对建筑结构的检测结果是是否进行建筑结构加固处理的前提条件。若是问题严重，加固处理不能使建筑物满足安全性，适用性和耐久性的要求，那么只能拆除或是其他合适的处理。建筑结构试验检测技术是以相应现行规范为根据、以实验为技术手段，测量能反映结构或构件实际工作性能的有关参数，为判断结构的承载能力和安全储备提供重要依据。建筑结构试验检测不仅对新建工程安全性能的评定起重要作用，而且对于危旧房屋的更新改造、古建筑和受损结构的加固修复等提供直接的技术参数。结构检测工作包括的内容比较多，一般有结构材料的力学性能检测、结构的构造措施检测、结构构件尺寸检测、钢筋位置及直径检测、结构及构件的开裂和变形情况检测及结构性能实荷检测等。我们按所检的结构种类把建筑结构检测方法分为：混凝土结构检测，包括结构性能实荷检测、混凝土强度回弹法、超声波法、超声回弹综合法、取芯法、拉拨法；砌体结构检测，包括轴压法、扁顶法、原位单剪法、原位单砖双剪法、推出法、筒压法、砂浆片剪切法，回弹法、点荷法、射钉法；钢结构检测，包括结构性能实荷检测与动测、超声波无损检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、涂层厚度检测、钢材锈蚀检测和钢混凝土组合结构检测包括钢管混凝土的强度与缺陷检测等。对某些结构或构件为获得其结构承整体受力性能或构件承载力、刚度或抗裂性能，可进行结构或构件的整体性能的静力实荷检验。对某些重要建筑和大型的公共建筑还可进行结构的动力测试。其中静力实荷检验可分为使用性能检验、承载力检验和破坏性检验。使用性能的检验主要用于验证结构或构件在规定荷的作用下不出现过大的变形和损伤，结构或构件经过检测后还必须满足正常使用要求；承载力检验主要用于验证结构或构件的设计承载力；破坏性检验主要用于确定结构或模型的实际承载力。对混凝土结构的混凝土材料强度目前广泛应用的检测方法是钻芯法和回弹法。钻芯法是在建筑构件上钻取混凝土芯样直接进行抗压强度检验，结果准确可靠，但会造成对结构物局部的损坏，尤其是对重要的结构部位，无法进行大量的检测。非破损法中的回弹法、超声法、超声一回弹综合法所测定的参数(回弹值、声速值)对混凝土强度来说并不很敏感，测试结果精度不高。拔出法是一种介于钻芯法和非破损检测方法之间的混凝土强度微破损检测方法，操作简便易行，对结构物损伤极小，又有足够检测精度，尤其是近20年才出现的后装拔出法无需预先在混凝土中埋置锚固件，而是在己硬化的混凝土上通过钻孔、扩槽、嵌入的方法将锚固件置入并固定其中，因此，在己硬化的新旧混凝土的各种构件上都可以使用，适应性很强，检测结果的可靠性也较高，特别是当现场结构缺少混凝土强度的有关试验资料时，是非常有价值的一种检验评定手段。但在我国，研究起步较晚，且受各种因素限制，其应用却不及回弹法和超声法那么广泛和普遍，仍有待于加强对拔出法的深入研究以及在工程实践中的推广与应用。对砌体结构的检测目前主要使用轴压法、扁顶法、原位单剪法、原位单砖双剪法、推出法、筒压法、砂浆片剪切法、回弹法、点荷法、射钉法。这些检测方法大致可分为两类：直接法和间接法，前者为检测砌体抗压强度和砌体抗剪强度的方法，后者为测试砂浆强度的方法。 由于钢结构的材质均匀，因此具有强度、塑性与韧性均能较方便地进行测试的优势。但其最大的缺点是：钢材易腐蚀，耐火性差，同时钢结构是一类缺陷敏感性结构，所以钢结构的检测主要是针对材料与连接缺陷以及锈蚀程度与涂层厚度的检测。通常所采用的方法有：超声波无损检测、渗透检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、钢材锈蚀检测及涂层厚度检测等。2.2 工程结构加固的基本方法2.2.1 地基加固2.2.1.1 换土法 当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯实至密实。换填法是将基础底面天然的或后天形成的软弱土层挖去或部分挖去, 分层回填强度高、压缩性低且无腐蚀性的砂石、素土、灰土、工业废料等材料, 压实后作为基础持力层。常见的有换填砂卵石和灰土法。其主要作用表现为以下几个方面：（1）换填强度较高的垫层材料后, 可以有效地提高地基的承载力。（2）换填压缩性较低的材料后, 可减少建筑物的沉降量。（3）换填透水性较大的材料(砂石) , 可使基础下面的孔隙水压力迅速消散, 避免基土的塑性破坏, 并可加速垫层下软弱土层的固结及其强度提高。另外换填砂石等材料, 因其颗粒粗大、孔隙大、无毛细水现象, 可以防止材料受冻而造成的冻胀, 如很多建筑物的散水和台阶以及道路的面层下均铺一定厚度的砂石,就是这个道理。（4）在湿陷性黄土地基中, 用素土或灰土材料置换黄土, 可消除湿陷变形, 同时, 换填后的材料因其密实度增加, 还可做为防水层, 减少下卧天然黄土层被水浸泡的可能性。（5）换填法除能满足上述要求外, 在对环保要求较高的现代社会, 它基本对周边环境不构成噪声、水质污染、大气污染、地面泥浆污染等, 只有一定的振动感, 但波及范围较小。2.2.1.2 预压法预压法是一种有效的软土地基处理方法。该方法的实质是，在建筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。堆载预压法处理深度一般达10m左右，真空预压法处理深度可达15m左右。2.2.1.3 强夯法强夯法是法国L梅纳（Menard）1969年首创的一种地基加固方法，即用几十吨重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。实践证明，经夯击后的地基承载力可提高25倍，压缩性可降低200500%，影响深度在10m以上。2.2.1.4 振冲法振冲法是振动水冲击法的简称，按不同土类可分为振冲置换法和振冲密实法两类。振冲法在粘性土中主要起振冲置换作用，置换后填料形成的桩体与土组成复合地基；在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用。振冲法的处理深度可达10m左右。2.2.1.5 深层搅拌法深层搅拌法系利用水泥或其它固化剂通过特制的搅拌机械，在地基中将水泥和土体强制拌和，使软弱土硬结成整体，形成具有水稳性和足够强度的水泥土桩或地下连续墙，处理深度可达812m。 施工过程：定位沉入到底部喷浆搅拌（上升）重复搅拌（下沉）重复搅拌（上升）完毕。2.2.1.6 土或灰土挤密桩法土桩及灰土桩是利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔，然后向孔内夯填素土或灰土成桩。成孔时，桩孔部位的土被侧向挤出，从而使桩周土得以加密。土桩及灰土桩挤密地基，是由土桩或灰土桩与桩间挤密土共同组成复合地基。土桩及灰土桩法的特点是：就地取材，以土治土，原位处理、深层加密和费用较低。2.2.2 砌体结构的加固砌体结构的加固方法分为直接加固与间接加固两类。2.2.2.1 砌体结构的直接加固方法：（1）钢筋混凝土外加层加固法；（2）钢筋水泥砂浆外加层加固法；（3）增设扶壁柱加固法等。2.2.2.2 砌体结构的间接加固方法：（1）无粘结外包型钢加固法；（2）预应力撑杆加固法。2.2.2.3 砌体结构构造性加固与修补：（1）增设圈梁加固；（2）增设梁垫加固；（3）砌体局部拆砌；（4）砌体裂缝修补等。2.2.3 混凝土结构的加固混凝土结构的加固种类较多，设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。2.2.3.1 加大截面加固法在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层，可增加截面有效高度，扩大截面面积，从而提高构件正截面抗弯，斜截面抗剪能力和截面刚度，起到加固补强的作用。在适筋范围内，混凝土弯变构件正截面承载力随钢筋面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下，增大主筋面积可有效地提高原构件正截面抗弯承载力。在截面的受拉区加现浇混凝土围套增加构件截面，通过新加部分和原构件共同工作，可有效地提高构件承载力，改善正常使用性能。加大截面加固法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验；适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固；但现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。2.2.3.2 置换混凝土加固法置换混凝土加固法是剔除部分陈旧的混凝土，置换成新的混凝土，新混凝土的强度等级应比原结构、构件提高一级，且不得低于c20级。比较适用于钢筋混凝土构件的局部加强处理，有时也用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等钢筋混凝土结构构件的加固。置换混凝土加固法构件加固后不影响结构原先的净空，能恢复结构原先的外观。但是存在施工的湿作业时间长、养护时间较长的缺点，而且剔除陈旧混凝土的工作量大，容易伤及原构件的钢筋，所以在施工过程中对原构件可能造成的屈服、疲劳、失稳等破坏状态要进行全面严密的评估。2.2.3.3 粘钢加固法外部粘钢加固法是在钢筋混凝土受弯构件承载力不足区段（正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，使其整体工作共同受力，以提高结构构件承载力的一种加固方法。该方法的实质是一科体外配筋，提高原构件的配筋量，从而相应提高构件的刚度、抗拉、抗压、抗弯和抗剪等方面的性能，适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。粘钢加固法施工方便快捷，现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，对结构的外形、净空等影响较小，在施工过程中刘生产和生活无显著影响。因此在房屋建筑领域和公路桥梁领域中都得到了普遍采用。但是该法加固对结构胶的要求较高，结构胶必须是强度高、粘结力强、耐老化、弹性模量高、线膨胀系数小、具有一定弹性，其加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，所以在设计施工过程中必须要非常慎重。2.2.3.4 粘结外包钢加固法粘结外包型钢加固法是把型钢(钢板)包在被加固构件的外边，即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固钢筋混凝土构件粘结成一整体，使钢材与原构件整体工作共同受力。加固后的构件，由于受拉、受压区钢材截面积增大，从而正截面承载力和截面刚度都有大幅度提高。该方法常用干柱、桁架、梁和一般钢筋混凝土结构物的加固，特别是构件加固后不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高构件承载能力的钢筋混凝土构件。粘结外包钢加固法受力可靠，施工简便，现场工作量较小，能显著提高结构、构件的承载能力而且对结构使用空间的影响小，施工简便且湿作业量较少。但是用钢量较大，加固费用较高，对使用环境的温度有限制，不宜在无防护的情况下用于600以上的高温场所。2.2.3.5 粘贴纤维增强塑料加固法外贴纤维加固是用胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域，使它与被加固截面共同工作，达到提高构件承载能力的目的。除具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。2.2.3.6 预应力加固法预应力加固法是一种采用外加预应力钢拉杆(分水平拉杆、下撑式拉杆和组合式拉杆)或撑杆，对结构进行加固的方法。预应力加固法广泛用于混凝土梁、板等受弯构件以及混凝土柱(用预应力顶撑加固)的加固，具有广泛的应用前景。该法加固效果好而且费用低，但增加了施加预应力的工序和设备。2.2.3.7 碳纤维加固法碳纤维加固混凝土是指用特制的建筑结构胶将碳纤维与混凝土牢固的粘结在一起并共同工作，达到结构加固，提高结构承载力和抗震性能、修补构件缺陷的目的，由于碳纤维具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性好、施工简捷、没有湿作业、不需大型施工机具、适用面广，可广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，又具有很好的防腐蚀性能及耐久性能。2.2.3.8 植筋技术植筋技术是一项对混凝土结构较简捷、有效的连接与锚固技术，可植入普通钢筋，也可植入螺栓式锚筋，已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程。如：施工中漏埋钢筋或钢筋偏离设计位置的补救，构件加大截面加固的补筋，上部结构扩跨、顶升对梁、柱的接长，房屋加层接柱和高层建筑增设剪力墙的植筋等。2.2.4 钢结构的加固减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。2.3 工程结构加固的基本原则混凝土加固方法有许多种，如前所述，但各自都适用于不同的情况。各种加固方法的选择又根据可靠性签定结果、结构功能降低及加固原因，结合结构的特点，新的功能要求，当地具体条件等因素，按照加固效果安全可靠、经济合理、施工简便原则来综合分析确定。这其中静力加固应考虑二次受力特点，加固重点侧重于结构承载力的提高上。而抗震加固的重点则侧重考虑结构的整体性和延性上。在加固设计中，同样要遵循强柱弱粱、强剪弱弯、强节点、强锚固的原则，以保证加固后的结构有较好的延性，在地震作用下具有较大的内力重分布和耗散地震能量的能力。还需考虑局部加固后，结构的薄弱环节可能发生转移，应采用二次验算的方法进行加固后的验算。同时，为了达到抗震加固的效果，又达到节省材料、降低造价目的，只要条件许可，实际加固工程中应采取多种措施尽量卸荷。3 结语对建筑工程的加固改造方案多种多样，因此在具体的工程中我们应该根据实际情况选择合适的加固方案，如果对假设加固完成后结构的分析结果反映所采用的加固方案仍存在修改完善的必要，应该对加固方案进行必要的修改和完善。加固技术的发展离不开创新，近年来，随着材料科学和计算机技术的发展，可以积极的采用合适的新材料到工程结构的加固之中，同时积极利用计算机技术对各种数据进行分析，可以极大地减少人工量，省时省力。参考文献1 袁海军、姜红：建筑结构检测鉴定与加固手册，中国建筑工业出版社，2003。2 万墨林 韩继云：混凝土结构加固技术，中国建筑工业出版社，1995。3 李惠强：建筑结构诊断鉴定与加固修复，华中科技大学出版社，2002。3 王宏林：建筑结构加固工程施工技术资料范例，中国建材工业出版社，2011。