钢筋混凝土结构加固改造工程设计浅析

２０１１年第８期（第２８卷　总第１７４期）　ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７３－１０９３．２０１　１．０８．０１９　笾苑讫计．管理　建筇技了Ｉｃ　钢筋混凝土结构加固改造工程设计浅析　崔毅，侯晓光　（中国建筑东北设计研究院有限公司，沈阳　ｉ　１０００６）　摘要：对钢筋混凝土结构加固改造设计过程中的前期资料整理、总体设计方案确定、整体建模计算、构件加固节点选择及设计　图纸深度等方面进行分析总结，以求与同行结构设计人员共同学习交流。　关键词：加固改造设计；资料整理；方案选择；整体计算；节点设计；图纸深度　中图分类号：ＴＵ７５６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—１０９３（２０１１）０８．００７２．０５　Ｏ　引言　在过去的几十年时间里，我国的土木工程建　设一直处于蓬勃发展的状态之中，尤其是近几年，　发展极为迅猛。与此同时，一些已有的建筑物常常　因设计或施工的缺陷以及长期使用过程中的老　化、破坏，甚至自然灾害，造成混凝土结构承载力　不足、开裂以及抗震性能不良等现象，影响其安全　和使用功能。另外，有时为实现新的建筑功能还需　要对其局部结构进行改造，因此有越来越多的结　构设计人员要面临对已有建筑结构进行加固改造　的设计任务。本文结合实际工作中接触到的加固　改造项目，对钢筋混凝土结构加固改造工程设计　过程中的一些技术性问题进行浅显的分析与总　结，以求与同行结构设计人员共同学习交流。　力大小、作用力调整等方面都与现行规范有很大　不同，结构构造更难满足现行规范要求。对于这类　建筑物尤其是高层建筑的加固改造设计，由于涉　及新旧规范、新旧材料、新旧施工工艺等方面的问　题，加上没有专门的关于高层建筑加固设计方面　的规范，设计人员必须根据实情慎重确定整体设　计原则及选择经济实用的加固方案。　加固处理后的结构必须满足现行规范对承载　能力极限状态、正常使用极限状态、混凝土结构耐　久性的要求。考虑到工程造价及后续使用年限，在　安全余量较大的情况下，构造措施可以适当放松。　但在可能的情况下，应注意通过加强构件的连接，　达到提高房屋的整体抗震能力的目的。　主体结构加固改造设计后续使用年限的确定　取决于投资资金、结构主体适应性能、加固技术水　１详尽细致的检测、鉴定及资料整理　建筑物的原设计图纸、施工和监理的记录文　件以及现阶段建筑物本身的工作状态等，这些都　平、使用加固材料的特性及业主需要等，这些因素　直接影响加固设计结构的抗震设防标准。考虑到　加固改造工程的具体特点和加固材料的性能，将　设计后续使用年限适当降低会比较合理（一般来说　后续使用年限可以定为３０年１。根据《建筑抗震加　固技术规程》，对于后续使用年限少于５０年的结　构，即《建筑抗震鉴定标准》规定的Ａ、Ｂ类建筑结　是确定加固方案的重要依据。在进行加固改造设　计之前，应进行全面的检测、鉴定，检测出原房屋　的结构形式、材料强度、不均匀沉降及构件的损伤　情况等。搜集并查阅全部设计图纸及施工记录，对　于各结构构件的设计材料强度、钢筋配置等情况　要全面掌握以便后期整体建模计算并复核其承载　能力。在此过程中，往往会出现图纸缺失，现场记　录不详，构件实际布置与图纸不符等情况，需要设　计人员协同甲方及施工单位到现场进行细致勘　察，有必要时还需再次委托有资质的单位进行检　测鉴定。　构，其设计特征周期、原结构构件的材料性能设计　指标、地震作用效应调整等按照《建筑抗震鉴定标　准》规定采用。而《建筑抗震鉴定标准》中规定的特　征周期和地震作用调整系数都有所减小，材料性　能略有提高，另外如轴压比限值、柱全截面配筋率　及体积配箍率等构造要求都有所放宽。尤其是对　替‘承载力抗震调整系数”。另外《建筑抗震设计手　２确定经济实用的设计原则和抗震计算参数　Ａ类建筑可以用“抗震鉴定承载力调整系数”来代　２０世纪８０和９０年代设计的建筑物，在作用　・７２・２０１１年第８期　册》中建议不同设计基准期的建筑在抗震计算中，　应采用不同于５０年（规范规定值）基准期的抗震设　防烈度及不同的地震作用值。根据《手册》推荐值，　３０年设计基准期的建筑其水平地震作用影响系数　最大值为《建筑抗震设计规范》规定值的０．７５倍。　以上各有利因素都会在很大程度上减少加固工作　量，降低工程造价，使工程设计更为经济实用。　３建立符合建筑物实际工作状态的计算模型　加固改造工程的整体建模计算与以往新建工　程相比要复杂一些。首先要严格依据原设计图纸　和现场检测鉴定报告建立与实际建筑物完全相符　的计算模型，荷载取值遵循现行《建筑结构荷载规　范》，抗震计算参数根据实际情况允许有适当调　整。初算之后，根据原图纸的配筋量和鉴定报告中　的材料强度，对整个建筑的各项性能指标及构件　的承载能力、正常使用条件等进行全面的复核验　算。此后，针对不同问题确定具体加固方案，由于　构件的加固方式往往受到许多因素的制约（如后植　钢筋锚固条件，现场施工操作空间及不能妨碍后　期正常使用等），此阶段的计算工作是一个反复试　算的过程。结构整体经各种加固方式处理之后，不　仅自重有所改变，更重要的是处理后构件的刚度　随之改变（尤其是经过加大截面处理的梁柱），从而　导致结构整体刚度变化。相应会带来各项抗震指　标及构件间内力分配的变化，所以对最终设计后　的结构整体进行建模计算复核是非常必要的工　作，以免存在因局部加强或刚度突变而形成新的　对抗震不利的薄弱层或薄弱部位。　４选择合适的加固方式　根据以往的工程经验，并参照《混凝土结构加　固设计规范》和相关图集资料，有多种构件加固方　式可供选择。这些加固方式的可靠性、可操作性及　经济指标不尽相同，需根据具体情况加以筛选。　增大截面法是指在原受弯或受压构件的表面　再浇筑一层新的混凝土和补加相应的钢筋，以提　高原结构构件承载力的方法。它是工程中常用的　一种加固方法。在钢筋混凝土构件受压区增加混　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抗压能力，斜截面抗　剪能力和截面刚度，起到加固补强的作用。此方法　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、柱及剪力墙的加固。　外粘型钢法是把型钢或钢板包在被加固构件　的外边，并采用环氧树脂灌浆的方法把型钢与被　加固构件粘结成为整体的加固方法，常称为湿式　外包钢加固法。加固后的构件由于受拉和受压钢　截面面积大幅度提高，因而正截面承载力和截面　刚度都有所提高。该法受力可靠、施工简便、现场　工作量较小，但用钢量较大，适用于使用上不允许　显著增大原构件截面尺寸，但又要求提高其承载能　力的混凝土结构加固。　粘贴钢板法是在钢筋混凝土构件承载力不足　区段（正截面受拉区、正截面受压区或斜截面）表面　粘贴钢板，以提高被加固构件承载力的加固方法。　该法施工快速、方便，现场无湿作业或仅有抹灰等　少量湿作业，对生产和生活影响小，且加固后对原　结构外观和原有净空无显著影响。但加固效果在　很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，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。　置换混凝土法是将构件中的破损混凝土凿除　至密实部位，用强度略高的新混凝土浇灌置换，使　新旧两部分混凝土结合成一体共同工作的加固方　法。置换混凝土加固法适用于承重构件受压区混　凝土强度偏低或有严重缺陷的局部加固。　改变受力体系法是通过改变结构受力体系降　低结构内力，提高结构承载力，以加强原结构的加　固方法。如增设支点可以减小结构构件的计算跨　度，降低计算弯矩，大幅度提高构件承载力，减小　挠度，缩小裂缝宽度，此方法多用于大跨度结构。　粘贴碳纤维法是一种类似粘贴钢板的加固方　法，是用胶粘剂把碳纤维片材（纤维布或板）粘贴在　构件外部的一种加固方法。与粘钢加固法相比，具　有加固层更薄、更轻、强度更高（碳纤维的抗拉强度　一般在３　０００　Ｎ／ｍｍ　左右）、更耐腐蚀、施工更方便　等优点。　外加预应力法是采用外加预应力钢拉杆或型　钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点　是通过预应力手段强迫后加部分——拉杆或撑杆　受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水　平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后　现象得以完全消除。因此，后加部分与原结构能较　好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高。　预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三　重效果，适用于大跨结构加固，以及采用一般方法　无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状　态下的大型结构加固。　选择加固方式时，应注意充分利用原结构的　２０１１年第８期　・７３・　构件，这样有利于降低加固改造的工程造价并缩　短工期。在实际工程中，除参照规范图集选择成熟　的加固方式外，往往还需因地制宜、灵活多变地设　计出一些实用的加固节点来。简要介绍在实际应　用中对加固节点的选择与设计实例。　（１）混凝土框架柱的加固。对于混凝土框架柱，　要根据实配钢筋不足程度、加固后可占用空间大　小及配箍率和轴压比等构造要求来选择加固方　式。如某工程中个别裙房角柱纵向钢筋不足，但轴　压比余量较大，可采用外包角钢的加固方法。此方　法施工方便快速，加固后对原结构外观和使用空　图ｌ　Ｚ—ｂ变截面处外包角钢构架详图　（２）凝土梁的加固。对于次梁，根据配筋不足的　程度可分别采用粘贴钢板和增高截面的方法进行　加固，设计和施工都比较简单可靠。而对于配筋不　足的框架梁，如对其支座处负弯矩钢筋进行粘钢　补强，由于框架柱的存在往往会构造复杂且钢板　难以可靠锚固。因此，可以使用如：梁端加腋、向下　增加梁高、考虑板内一定数量的钢筋及梁端负弯　矩调幅等方法，尽量使梁内原配支座钢筋满足计　算要求。这样大部分的加固工作量就集中在方便　施工的梁下进行。对于增高截面的框架梁，底部钢　・７４・２０１１年第８期　间无显著影响，但施工时要注意粘胶工艺的控制　及梁柱核心区水平箍筋的设置。核心区采用大直　径箍筋，钻孔穿梁并焊于外包角钢之上（见图１）。　另有中庭处部分轴压比超限的框架柱采用增大截　面法加固，通过反复建模计算调整截面，既要考虑　到轴压比满足规范限值，又要尽量避免纵向钢筋　排布过多而导致其贯穿削弱框架梁。最终确定原　１　Ｏ００ｘｌ　０００的框架柱截面增至１　２００ｘｌ　２００，每边　在柱角部及框架梁两侧设置６根直径２８的纵向　钢筋，箍筋尽量采用大直径大间距以便于施工（见　图２１。　梁区等代箍筋２　１２　新　图２　筋由于植筋技术限制不能全部植入柱中时，可以　部分植入。但要保证植入柱中的配筋量满足水平　力作用下支座处梁底的计算配筋量（见图３）。　悬挑梁的加固方法基本与框架梁相同，采用　增高截面的方法使其原配钢筋满足计算要求。但　受某些条件限制而不能增高截面时，可以选择改　变其受力体系的方法，在挑梁下增设钢管支撑，并　撑于柱根处。图４为某工程实例中的悬挑梁加固　详图。　ｆ　”　姗　引　ｇ；、　院混凝土ａ　Ｕ型箍，直径同原箍筋　●　●　＿＿　ｒ＾，。　呈　●●　●●Ｌ　与原箍筋单面焊１０　ｃ【＼朱　蜃　Ｊ——Ⅺ　『■　ｒ一　－　ｆ　ｒ　．　－＿　－ｌ　－　＿　｝ｌ＿．：．Ｊ。　：　：　．　．一　．　｝　・｝　０　寸　Ｌ堡　８　８００　ｊ　Ｉ　新增纵筋５　空２５ｊ　，　ｊ恨但八仕　钻孔将钢ｊ　植入柱中　④　图３卜２加固详图　⑧　洞边粘钢板的方式加固，并限制后砌隔墙的容重；　当洞口较大时，则需要植筋增设次梁。对于原有设　备管井洞口的封堵，由于板跨和使用荷载较小，为　尽量减轻自重避免次梁配筋不足，以及考虑到便　于施工、缩短工期，设计出角钢支撑预制板的方法　处理（见图５）。　辱塑　……　板底钢筋双向业８＠２００　①　最大跨度１　６００　注：④新浇混凝土：Ｃ３５微膨胀砼；②使用活荷载不超过２．５　ｋＮ／ｍ　图５楼板补洞详图　５详尽的节点设计及说明　加固改造工程的施工有一定的特殊性，主要　体现在节点复杂多变、施工难度大、技术要求高、　对使用材料性能要求严格等。为保证最终完成的　加固改造项目能满足业主需要、实现建筑功能并　具备一定的安全储备，除了委托具备一定资质和　经验的施工队伍外，结构设计人员应尽可能细化　注：图中未注明焊缝厚度均为６ｍｎｌ　图４　Ｌ－－２加固详图　②　节点设计并详细注写设计说明，以便指导施工。　例如：要给出按比例绘制的节点做法大样；限制　（３）楼板的加固、开洞及封堵。一般来说楼板的　加固改造工作量会很大，但是与梁柱相比其做法　比较简单可靠，且板的安全余量也相对较高。考虑　到改造的成本，设备专业应尽量利用原设计的设　后浇混凝土、植筋胶及粘钢胶等材料的性能指　标；说明新旧混凝土结合面的施工前处理方法；　根据原构件的配筋情况选择合适植筋部位及间　备机房，这样楼板的配筋即使不足相差也不会太　大，可以通过外粘钢板的方法进行加固。对于需要　新开结构洞的楼板，当洞口尺寸较小时，可以采用　距；提醒钻孔植筋时避免伤及原有钢筋；对于被　加固构件（尤其是悬挑构件）加固施工前必须要求　支撑卸荷等，在最后一定要严格限制结构各部位　的后期使用荷载。　ｆ下转第８０页）　２０１１年第８期・７５・　３－３　火灾场景设计　在确定火灾场景时，要考虑的因素有：建筑的　火灾场景的设计是性能化设计的关键环节，　布局、结构、内部装修情况；建筑内部的火灾荷载；　它直接影响建筑的火灾风险评估结果。火灾场景　建筑使用性质；内部人员情况等因素。　的设计包括确定性因素和不确定因素。确定因素　３．４疏散行动前时间计算　即估计火灾发生造成的损失，不确定因素包括火　根据建筑内采用的不同报警类型，英国标准　灾发生的可能性、位置等。通过设计火灾场景，最　ＢＳ　７９７４—６给出了人员识别确认时间和响应时间　终确定最不利的火灾场景。　在不同场景下的总结（如表１所示）。　表１　不同场景下的延迟时间　疏散延迟时间／ａｒｉｎ　建筑类型及内部人员特性　报警系统类型　Ｗ１、ｖ２　Ｗ３　对于大型商场而言，人员一般都处于清醒状　的问题提供了一个新的思路。　态，但对周围环境不熟悉（除了内部工作人员）。保　守考虑，在一般的消防工程设计中，通常取人员疏　参考文献：　散预动作时问或人员疏散延迟时间为３　ｍｉｎ。　［１】李引擎．建筑防火性能化设计［Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００４．　３．５进行烟气蔓延分析和人员疏散分析　［２］火灾科学与安全工程一第四届消防性能化规范发展研讨会论文　烟气蔓延分析主要是通过计算机模拟软件　集【Ｃ】．合肥：中国科学技术大学出版社，２００７．　ＦＤＳ、ＣＦＡＳＴ或小尺寸实验进行分析。人员疏散分　【３］ＣＩＢＳＥ　Ｇｕｉｄｅ　Ｅ，Ｆｉｒｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００３．　析主要通过疏散模拟经验公式，疏散软件如　［４】孙金香．建筑物综合防火设计【Ｍ］．高伟译．天津：天津科技翻译出　ＳＴＥＰＳ，Ｓｉｍｕｌｅｘ等进行模拟分析。最后把模拟的　版公司，１９９４．　结果及选取的判定标准进行比较，验证该建筑的　【５】霍然，苑宏永．性能化建筑防火分析与设计．合肥：安徽科学技术出　火灾危险性是否在可接受水平内。　版社，２００３．　４结语　本文针对大型商场的特点及存在的火灾危险　作者简介：成盎（１９８０），女，２０１１年毕业于廊坊武警学院消防工程　性，提出性能化的设计方法。为解决大型商场存在　专业，现就职于沈阳市消防支队，从事建筑消防设计工作。　ｆ上接第７５页）　价并缩短工期的具体加固方式仍是万变不离其一　６结语　的宗旨。　据权威机构调查，预计在今后的十年中，我国　建筑业的工作重点将逐步转向对已有建筑的修　参考文献：　复、加固及改造之中来。随着此类工程项目的不断　【ｌ】赵佩修．高层建筑改造加固设计中的问题探讨［Ｊ］．建筑结构，２００７　增加，设计及施工人员的理论水平也会不断增长，　（３）．　实践经验日渐丰富。本文只是简略介绍了实际设　［２］张顺强，薛中兴，王景峰，潘元．西安咸阳国际机场老航站楼改造与　计工作中的一些基本理念和设计方法，在实际应　加固［Ｊ］．建筑结构，２００７（１０）．　用中可供选择的加固方案和节点做法远不止于　【３】杨勇，陈彬磊，李文峰，苗启松．首都体育馆比赛馆结构抗震加固研　此。但对于任何一个具体的加固改造项目而言，制　究与设计［Ｊ】．建筑结构，２００８（１）．　定符合建筑物本身状态及业主投资水平实情的经　济实用的总体设计原则和选择有利于降低工程造　作者简介：崔毅，就职于中国建筑东北设计研究院有限公司。　・８０・２０１１年第８期