工程结构加固的基本方法概述及工程应用.doc

工程结构加固的基本方法概述及工程应用专业：土木工程 班级：08204 姓名：彭 翔 学号：2008301550132工程结构加固的基本方法概述及工程应用1、建筑物需要加固改造的主要原因一是当建筑物超过或达到设计基准期(一般为50年)时,从理论上讲,结构已经老化,不宜继续服役,因而需要对其加固。例如,诞生于上世纪50年代的建筑物大多已超过了预定的设计基准期,但由于种种原因,这些建筑物至今仍在使用。而要继续使用这些建筑物,就必须对其进行加固处理,否则就有可能产生严重后果。二是随着生产的发展和人们生活水平的提高,人们对现有建筑物的功能感到不能满足新的使用要求。或者因土地资源的有限和地价、拆迁费用的高昂,使得人们越来越多地把目光投向了对旧的建筑物的修缮与改造。与新建建筑物相比,对原有建筑物进行加固和现代化改造不仅见效快,而且其造价仅为新建建筑物的30%60%,经济效益和社会效益是显而易见的。三是有些建筑物质量低劣,需要加固处理。例如,上世纪80年代以来,因经济发展迅速和当时的技术立法、工程管理跟不上,使得部分建筑设计和施工水平低下,质量难以保证,如不及早加固,后果不堪设想。四是自然灾害的破坏。风灾、水灾、火灾和地震等。我国是一个多自然灾害的国家,2/3以上的大城市处于地震带,很多城镇曾经遭受过水灾或流沙等灾害。据统计,风灾每年损坏房屋30余万间,火灾平均每年约3.6万起,直接经济损失约5亿元。仅1976年发生的唐山大地震倒塌和严重破坏的房屋就有656136间之多, 共计10501056,分别占唐山房屋总间数的96.17%和总面积的96.06%。自然灾害的破坏重者可使建筑物毁于一旦,轻者会降低结构的安全性和耐久性。因此,有必要对受损建筑物进行必要的维修和加固,以提高工程结构的安全性,延长其使用寿命。2、建筑结构加固的原则及方法21、建筑结构加固的原则建筑结构的加固与改造应遵循先鉴定后加固的原则。加固方案应合理可靠、经济实惠、方便施工,尽量减少对原有建筑的损坏。2.2、建筑结构加固的方法2.2.1、砌体结构加固方法砌体结构的加固分为直接加固与间接加固两类,设计时,可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法。A、适用于砌体结构的直接加固方法一般为1)钢筋混凝土外加层加固法。其优点是施工工艺简单、适应性强,砌体加固后承载力有较大提高,并具有成熟的设计和施工经验；适用于柱、带壁墙的加固;其缺点是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)钢筋水泥砂浆外加层加固法。该法优点与钢筋混凝土外加层加固法相近,但提高承载力不如前者；适用于砌体墙的加固,有时也用于钢筋混凝土外加层加固带壁柱墙时两侧穿墙箍筋的封闭。3)增设扶壁柱加固法。该法优点亦与钢筋混凝土外加层加固法相近,但承载力提高有限,且较难满足抗震要求,一般仅在非地震区应用。B、适用于砌体结构的间接加固方法一般为1)预应力撑杆加固法。该法能较大幅度地提高砌体柱的承载能力,且加固效果可靠；适用于加固处理高应力、高应变状态的砌体结构的加固;其缺点是不能用于温度在600以上的环境中。2)无粘结外包型钢加固法。该法属于传统加固方法,其优点是施工简便、现场工作量和湿作业少,受力较为可靠;适用于不允许增大原构件截面尺寸,却又要求大幅度提高截面承载力的砌体柱的加固;其缺点为加固费用较高,并需采用类似钢结构的防护措施。2.2.2、砌体结构构造性加固1)增设梁垫加固。当大梁下砖砌体被局部压碎或大梁下墙体出现局部竖直裂缝时,应增设梁垫进行加固。2)增设圈粱加固。当圈梁设置不符合现行设计规范要求,或纵横墙交接处咬搓有明显缺陷,或房屋的整体性较差时,应增设圈梁进行加固。3)砌体局部拆砌：当房屋局部破裂但在查清其破裂原因后尚未影响承重及安全时，可将破裂墙体局部拆除，并按提高砂浆强度一级用整砖填砌。4)砌体裂缝修补：在进行裂缝修补前，应根据砌体构件的受力状态和裂缝的特征等因素，确定造成砌体裂缝的原因，以便有针对性地进行裂缝修补或采用相应的加固措施。2.2.3、混凝土结构加固方法与技术A、增大截面加固法对钢筋混凝土结构而言,增大截面法是通过采用同种材料(钢筋混凝土)来增大原混凝土结构截面面积,从而达到提高结构承载能力的目的。当梁、柱构件抗力不够时,常采用增大截面法,其优点如下:1)施工技术成熟,便于施工；2)质量好,可靠性强；3)提高抗力及构件刚度的幅度大,尤其对柱增加稳定性较大。增大截面、增加刚度,首先要考虑分析整体结构,不能仅为局部加大而加大,这样会引起整体结构的局部薄弱层发生重大事故。此外,加大截面法还有一些不利因素,使用时要予以考虑。1)因构件质量和刚度变化较大,结构固有频率会发生变化,因此,应避免使结构加固后的固有频率进入地震或风震的共振区域,造成新形式的破坏；2)现场湿作业工作量大,养护时间较长,对生产和生活有一定的影响；3)构件的截面增大后对结构的外观以及房屋或桥梁净空也有一定的影响。增大截面加固法主要使用于梁、板、柱、墙等一般结构。B、外包钢加固法外包钢加固法是一种以角钢外包于构件四角,角钢之间用缀板连接的加固方法。外包钢加固法分干式和湿式两种情况。1)湿式外包钢法是在型钢与原构件之间用乳胶水泥或环氧树脂等粘结,使新旧材料之间有较好的协同工作能力,其整体性好,但湿作业工作量大；2)干式外包钢法是型钢与原构件之间无任何粘结,有时虽填以水泥砂浆,但并不能确保结合面剪力和拉力的有效传递,型钢与原构件不能整体工作,彼此只能单独受力。与湿式外包钢相比,干式外包钢施工更为简便,但承载力提高不如湿式外包钢有效。该法能在基本上不改变原结构构件截面尺寸的情况下,大幅度提高构件承载力,增大延性和刚度,适用于混凝土柱、梁、屋架和砖窗间墙以及烟囱等结构构件和构筑物的加固。外包钢加固法特别适用于使用上不允许增大截面尺寸,而又需要大幅度地提高承载力的轴心和偏心受压构件的加固。该法施工速度快,现场工作量较小,加固效果好,但用钢量大,加固费用较高。C、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(分水平拉杆和组合式拉杆)或型钢撑杆对结构进行加固的方法。通过施加预应力强迫钢拉杆或型钢撑杆受力,影响并改变原结构应力分布,并降低结构原有应力水平,致使一般加固方法中普遍存在的应力应变滞后现象的影响能较好的消除。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、卸载和改变结构应力分布的三重效果,适用于大跨度结构加固,以及采用其他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。预应力加固法的主要优点如下:1)体外配筋张拉预应力可以起到增加主筋、提高正截面及斜截面的强度,同时也提高了刚度,有效地改善了使用性能且效果好。2)预应力能消除或减缓后加杆件的应力滞后现象,使后加杆件有效地工作。3)预应力产生的负弯矩可以抵消部分荷载弯矩,减小原构件的挠度,缩小原构件的裂缝宽度甚至使原裂缝完全闭合。因此,预应力加固法是一种加固效果好而且费用低的加固方法,具有广阔的应用前景。该法的缺点是增加了施加预应力的工序和设备。 D、外部粘钢加固法外部粘钢加固法是将钢板通过粘结剂,按加固设计要求,粘贴于混凝土或钢结构表面,使之共同工作。这种加固法的优点是取材容易,施工方便、快捷,能在几乎不改变构件的外观和使用空间的条件下,大大提高结构构件的承载力和正常使用阶段的性能。采用外部粘钢加固时,通常是将钢板粘于梁底受拉区,以提高梁的承载力,当在梁侧贴钢板时还可以提高梁斜截面承载力。目前,外部粘钢加固法主要用于承受静力作用的一般受弯构件及受拉构件的补强加固,要求环境温度不宜超过60摄氏度,相对湿度不宜大于70%,并要求无化学腐蚀。当工作条件不满足上述要求时,应当采取相应的处理措施。粘贴钢板对施工工艺要求较高，一般需要专业施工队伍才能保证施工质量。E、增设支点加固法增设支点加固法是通过增设支承点来减小结构计算跨度,达到减小结构内力和提高其承载能力的加固方法。该法简单可靠,但对于使用空间有一定影响,适用于梁、板、桁架、网架等水平结构的加固。按照增设的支承结构的变形性能,增设支点法可分为刚性支点和弹性支点两种情况。刚性支点法通过支承结构的轴心受压或轴心受拉将荷载直接传给基础或柱子等构件,由于支承结构的轴向变形远远小于被加固结构的挠曲变形,对被加固结构而言,支承结构可简化按不动支点考虑,结构受力较为明确,内力计算大为简化；弹性支点法通过支承结构的受弯或桁架作用间接地传递荷载的一种加固方法,由于支承结构的变形和被加固结构的变形属同一数量级,支承结构只能按弹性支点考虑,内力分析较为复杂。相对而言, 刚性支点加固对结构承载能力提高幅度较大,弹性支点加固对结构使用空间的影响程度较低。F、化学灌浆补强法化学灌浆补强就是将一定化学材料配制成浆液,用压送设备将其灌入混凝土结构裂缝内,使其扩散、胶凝或固化,达到补强的目的。化学灌浆材料主要有两种: 一种是以环氧树脂为主剂配制成的环氧树脂灌浆材料,它具有化学稳定性好、可以室温固化、收缩小、强度高、粘结力强等一系列优点,而且因为环氧树脂灌浆材料的粘结力和内聚力均大于混凝土的内聚力,能有效地修补混凝土的裂缝,恢复结构的整体性,目前是一种较好的补强固结化学灌浆材料,一般用于修补宽度为0.2mm0.5mm的裂缝；另一种是以甲基丙烯酸甲酯为主剂配制的甲基丙烯酸酯类灌浆材料,它具有可灌性好的特点,能灌入0.05mm宽的细微裂缝中,一般用来修补缝宽在0.2mm以下的裂缝。化学灌浆补强法主要用来修补因出现裂缝而影响使用功能的结构,如水池、水塔、水坝等,也可用来修补混凝土梁、板、柱等构件及因钢筋锈蚀而导致结构耐久性降低的构件。G、水泥压浆补强法水泥压浆补强法是一种用压力设备将水泥浆液压入结构构件的蜂窝、孔洞或裂缝中,充填并固结这些缺陷,以达到补强加固的目的。水泥灌浆具有强度高、材料来源广、价格低, 运输、储存方便及灌浆工艺比较简单等优点,至今仍是应用最广泛的灌浆材料该法的缺点是需要专门的设备,主要用于因地震、温度、沉降等原因引起的砖墙裂缝的修补。H、喷射混凝土补强法喷射混凝土补强法是一种用混凝土喷射机将混凝土拌合料和水(干喷机)或混凝土湿料(湿喷机)以高速喷射到混凝土结构上,并快速凝固成型的加固方法。喷射混凝土不需要振捣,它借助水泥与骨料之间的连续冲击实现密实化,也不需要支模或只需部分支模,施工方便、速度快、工期短、喷射凝固层与原结构粘结力强,所以在大范围加固工程中具有独特优势,其缺点是需要专门的设备,对混凝土的配合比设计要求较高。这种方法常用于:病弱混凝土的局部或全部更换；在梁、板等构件的下面增补混凝土；填补混凝土和砖石结构中的孔洞、缝隙及混凝土墙的麻面。I、粘贴纤维材料加固法纤维复合材料作为一种新型的混凝土结构补强加固材料在我国逐渐兴起,纤维增强复合材料是利用树脂类胶结材料将纤维布粘贴于混凝土表面,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。结构加固中常用的FRP(纤维增强复合材料)有: CFRP(碳纤维增强塑料)、GFRP(玻璃纤维增强塑料)和AFRP(芳纶纤维增强复合材料),与传统混凝土结构加固技术相比具有明显的优越性。1)高强高效。在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度的特点来提高混凝土结构的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固修补的目的,对于柱的抗震加固尤其具有重要意义。2)施工便捷。施工工效高,没有湿作业,不需要大型施工机具,无需现场固定设施,施工占用场地少。3)具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。4)施工质量易保证。5) FRP材料质量轻且薄, 粘贴后每平方米重量不到1.0 kg (包括树脂重量) ,一层粘贴后厚度仅1.0mm左右,加固修补后,基本不增加原结构自重及原构件尺寸。6) 适用面广。J、绕丝法适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固,或需对受压构件施加横向约束力的场合。K、锚栓锚固法适用于混凝土强度等级为C20C60的混凝土承重结构的改造、加固；不适用于已严重风化的上述结构及轻质结构。2.2.4混凝土结构加固改造配套使用的技术1)托换技术：系托梁（或桁架，以下同拆柱（或墙，以下同、托梁接柱和托梁换柱等技术的概称；属于一种综合性技术由相关结构加固、上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成；适用于已有建筑物的加固改造；与传统做法相比，具有施工时间短、费用低、对生活和生产影响小等优点，但对技术要求较高需由熟练工人来完成才能确保安全。2)植筋技术：系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。3)裂缝修补技术：根据混凝土裂缝的起因、性状和大小采用不同封护方法进行修补，使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复的一种专门技术；适用于已有建筑物中各类裂缝的处理，但对受力性裂缝，除修补外，尚应采用相应的加固措施。4)混凝土表面处理技术：系指采用化学方法、机械方法、喷砂方法、真空吸尘方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油迹、残渣以及其它附着物的专门技术。5)混凝土表层密封技术：系指采用柔性密封剂充填、聚合物灌浆、涂膜等方法对混凝土进行防水、防潮和防裂处理的技术。2.2.5钢结构加固方法钢结构加固的主要方法有减轻荷载、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。1)改变结构计算图形。改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件,增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。2)加大构件截面的加固。采用加大截面加固钢构件时,所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑已有缺陷和损伤的状况。3)连接的加固与加固件的连接。钢结构连接方法,即焊缝、铆钉、普通螺栓和高强度螺栓连接方法的选择,应根据结构需要加固的原因、目的、受力状况、构造及施工条件,并考虑结构原有的连接方法确定。钢结构加固一般宜采用焊缝连接、摩擦型高强度螺栓连接,有依据时亦可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。当采用焊缝连接时,应采用经评定认可的焊接工艺及连接材料。3、工程应用3.1、工程概况五华山光复楼建于1948年,为云南省人民政府原行政办公楼,属重点文物保护单位。结构型式主要为砖混结构,建筑体型呈长方形。建筑长约114.5m,宽约20m, 总建筑面积约6700m2,中部为3层中空中庭,该部分为钢筋混凝土内框架结构,并与周边砖混结构相连,抗震性能较差。该建筑主体结构为3层,局部4层,结构布置较规则,楼板为现浇钢筋混凝土板,地坪为预制架空地坪,原设计未考虑抗震设防。该楼曾于1975年及1984年作过2次大的改造,并且在使用期间尚作过多次局部改造,始建及改造均未留下技术资料。3.2、工程现状分析因本工程无技术资料档案,故本设计只能根据现场测绘及检测结果,对其抗震性能及基本情况做出如下鉴定:1)光复楼使用年限已超过50年,其建筑材料经取样试验,发现检测结果离散性极大,砖体材料强度较低。经结构计算,已不能满足抗震承载力要求,其综合抗震能力指数大多6m,中部及东侧基础埋深基本为室内地坪以下3m,基础持力层均为硬塑状态粘土。3.3、场地现状条件3.3.1、地形、地貌条件场址位于云南省人民政府院内,经人工平整,建筑地段地形平坦,属丘陵斜坡地貌。3.3.2、工程地质、水文地质条件1)建筑场地地层由第四层人工土及第四系坡残积粘土构成,人工土厚度极不均匀,为0.908.20m,西端厚、东侧薄。2)建筑场地属抗震不利地段,类建筑场地,场地土为中软土。3)建筑场地除建筑西端地基土受扰动(此为光复楼西侧部分墙体开裂的主要原因)外,无其它不良地质现象。4)场地地震基本烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g,地质分组为第二组。5)建筑场地内赋存孔(裂)隙水,接受大气降水及地表渗水补给,地下水对混凝土具有弱腐蚀性。3.3.3、公共设施条件建筑场地周边具备城市给水、排水、通讯、供电等接口,可满足建筑使用功能要求。3.3.4、施工条件施工现场具备三通一平条件,周边建筑在施工期间可局部拆除以满足施工要求。3.4、结构抗震加固设计3.4.1、上部结构抗震加固1)因本建筑有重要历史价值,故本工程抗震加固设计时,承载力抗震调整系数按建筑抗震设计规范(GB50112001)取值,未按建筑抗震加固技术规程(JGJ11698)进行折减。2)依据测试结果,取砌体用砖及砂浆实际强度等级分别为MU5及M10进行抗震分析,结果得出该建筑最小墙段抗震能力指数为13层0=0.550.72, 4层0=0.180.29(鞭端效应)。3)针对上述分析结果,并结合地基基础加固处理的实际要求,决定对光复楼承重纵墙砖墙采用70厚C20现浇钢筋混凝土板墙进行双面加固,现浇混凝土板墙配筋为:竖向12150,水平方向6150,并设6600梅花形布置穿墙拉筋,以加强承重墙两侧的板墙连接,同时在板墙内增设扁构造柱及圈梁 提高其抗震性能。为便于施工,圈梁采用L756等边角钢,构造扁柱纵向钢筋为14 150,封闭箍筋为6150，板墙混凝土采用喷射法施工。4)墙面裂缝处理。开裂墙面在裂缝处开凿50mm深、30mm宽的“V”形槽,结合板墙加固方法,采用喷射混凝土将其充填以达到加固目的；亦可采用压力灌浆进行加固处理。5)增设构造柱及圈梁,与加固墙体之间采用销键连接,以增强结构整体性。6)中庭内框架柱及其周边砖柱均采用钢筋混凝土套加固,同时,在内框架结构与砖混结构交接处的墙体内,增设钢筋混凝土构造柱,其断面不小于240mm400mm,配筋不少于818,8100。7)按上述方法加固后,其增强系数不低于2.15,12层结构综合抗震能力指数均1.15,仅第四层1,不满足要求,建议