工程结构鉴定与加固技术.doc

工程结构鉴定与加固技术本课程的主要内容： 概述 加固改造的必要性 加固改造涉及的主要内容 结构可靠性检测与鉴定 使用环境对材料的影响 结构材料的一般检测方法 结构可靠性鉴定结构（构件）加固设计 基本原则及一般方法 砼结构加固设计 砌体结构加固设计 钢结构加固设计 地基基础加固设计抗震加固及增层改造的结构体系 组合墙结构体系 整体式外套结构体系 分离式外套结构体系加固改造中的投资决策 现有建筑的评估 投资决策分析工程实例 1. 概述1.1结构加固改造的必要性1.1.1结构的缺陷 计算模式 理论计算和实际的差异 环境作用 物理、化学和生物等对材料的损伤，老化 人为因素 设计、施工和使用不当 意外灾害 风、火、水、地震等 规范修订 标准的提高1.1.2建筑业发展的趋势 建筑业的发展大致可以分为三个时期： 战后重建(新建) 规模大、标准低 新建与维修改造并重 以维修改造为重点 现有建筑的规模和功能不能满足要求； 新建费用高时间长，而改造工期短，投资少，效益高。 对建筑业来说，21世纪是维修改造的世纪！据美国劳工部门预测，维修改造业是最受欢迎的九大行业之一。1.2加固改造学的内容1.2.1结构现状的可靠性评价 现有建筑结构（材料）寿命的预测 结构（构件）残余承载力的分析 结构及结构材料的检测 现有房屋的鉴定方法1.2.2结构加固改造方法的研究1.2.3加固改造后结构体系的分析1.2.4加固方案的（评价）确定 没有不可加固的结构，没有包打天下的加固方法，适才适用！ 方案可行性分析时应考虑： 安全性 施工和使用期间的安全 施工方便 工期、施工难度 适用性使用要求、环境要求、空间要求等 经济性2. 结构可靠性检测与鉴定2.1使用环境对材料的影响2.1.1动力荷载对材料的影响 2.1.2火灾、高温对材料的影响 2.1.3腐蚀介质对材料的影响 2.1.4冻融对材料的影响2.2结构材料的一般检测方法2.2.1结构体系的调查2.2.2砼结构材料的检测2.2.3砌体结构材料的检测2.2.4钢结构材料的检测 2.2.5地基基础的检测2.3结构可靠性鉴定2.3.1可靠性鉴定方法及程序 鉴定分类 正常使用性鉴定 安全性鉴定 可靠性鉴定 鉴定程序及工作内容委托初步调查鉴定目的、范围和内容详细调查 补充调查安全性或使用性鉴定可靠性评定 适修性评定鉴定报告 初步调查包括：资料、历史、现场和鉴定计划 详细调查包括：结构情况、使用条件、地基基础 结构损伤、材料性能、必要的验算和检测等 可靠性评定包括：安全性、使用性和可靠性评级。 按构件、子单元和鉴定单元分四级 适修性评级：按构件、子单元和鉴定单元分四级2.3.2结构的鉴定等级及标准 分级内容构件安全性鉴定分级：根据承载力、构造连结、不适于承载的位移或裂缝等四个检查项目进行评定，分为au，bu，cu，du四级。子单元的安全性鉴定分级:民用建筑的第二层鉴定评级，包括地基基础、上部结构和维护结构。分为Au，Bu，Cu，Du四级。 民用建筑鉴定单元分级：按子单元的安全性进行鉴定，分为Iu，IIu，IIIu，IVu四级。 分级标准 Iu（Au或au）：安全性符合鉴定标准要求，承载能力正常，可不采取处理措施。 IIu（Bu或bu）：安全性略低于鉴定标准要求，尚不影响承载能力，可能有少数构件应采取处理措施。 IIIu（Cu或cu）：安全性不符合鉴定标准要求，影响承载能力，应采取处理措施，且可能有个别构件（子单元）须立即采取措施。 IVu（Du或du）：安全性严重不符合鉴定标准要求，已不能正常承载，须立即采取处理措施。2.3.3（砼）构件安全性鉴定评级 构件及其连接承载力评定标准 评 定 标 准构 件 类 别 R/g0S au级 bu级 cu级 du级主 要 构 件 1.0 0.95 0.9 0.9一 般 构 件 1.0 0.95 0.85 0.85 构造与连接评定标准 评 定 标 准 检 查 项 目 au级或bu级 cu级或du级 连接或节点 符合规范标准 不符合规范标准 基本无缺陷 有严重缺陷 受力预埋件 合理，无变形损坏 明显缺陷，变形损坏2.3.4子单元安全鉴定评级第二层次，包括：地基基础、上部承重结构和维护系统 地基基础 （包括：地基、桩基和地基稳定性及基础和桩） 按地基或桩基（变形）评定Au级：不均匀沉降满足标准，无沉降裂缝变形等Bu级：不均匀沉降满足标准，有轻微沉降裂缝(W2mm/月，有沉降裂缝(砌体W10mm；预制构件间W2mm/月，有沉降裂缝(砌体W10mm预制构件间W5mm)，发展明显。 按地基（承载力）评定 （有必要且有条件时） 按基础评定抽查部分基础，按各基础所评等级评定该种基础；有多种基础时，应分别评定后，取最低一个等级。 按桩评定单桩评定按构件评定；一个承台所含群桩，按单桩结果综合（a,b,c,d的比例）；多承台时，取各承台最低一个等级。 按地基稳定性评定滑动史、滑动迹象等 上部承重结构 每种主要构件安全性等级 根据a,b,c,d的比例综合 每种一般构件安全性等级 根据a,b,c,d的比例综合 结构整体性等级 根据结构、支撑和圈梁的布置、构造等 不适于继续承载的结构侧向位移 维护系统的承重部分2.3.5鉴定单元可靠性评级在用房屋鉴定要点 鉴定报告 可靠性鉴定 适修性鉴定 鉴定单元安全性鉴定 鉴定单元正常使用性鉴定 子单元安全性鉴定 子单元正常使用性鉴定 地基基础 上部承重结构 维护系统 检查项目或构件 承载力 构造 连接 变形 腐蚀 其它2.4结构寿命的预测3. 结构加固设计3.1 结构加固的基本原则和一般方法3.1.1结构加固的特点及基本原则一、加固的特点 施工方面： 场地狭窄，设备使用、操作困难 工期短，甚至不停止使用。 设计方面： 对原有结构（构件）的评价和利用； 新旧结构（构件）的连接、新旧材料的连接； 对相邻结构（构件）的影响； 施工的可操作性等。二、加固的基本原则 全面了解原有结构及结构材料 结构方案应技术可靠、经济合理、方便施工 减少对原有建筑的损伤，尽量利用原有结构的承载能力 加固时，应加强对实际结构的检查，并随时消除隐患。3.1.2 加固方法及选择一、直接加固法直接加固法是通过一些加固措施，直接提高构件截面承载力等。 加大截面加固法采用同种材料，对原构件进行加固。 外包（钢）加固法 采用异种材料（高强度材料，如钢材等）对原构件进行加固。 预应力加固法： 采用异种材料(钢筋等)，通过预应力使其与原构件共同受力 辅助结构加固法采用异种材料进行体外加固。如直接用型钢或钢构架与原构件形成组合结构，采取措施使其共同工作。 外部粘钢加固法 用结构胶把钢板粘结在原构件的表面。 FRP(Fiber Reinforced Plastic)加固法 用结构胶把FRP（纤维增强塑料）粘结在原构件的表面 其他加固法二、间接加固法 间接加固法是通过一些措施，改变结构传力途径，减少荷载效应。 增设构件加固法 在原有构件之间增加一个新构件，减少原有结构的受荷面积。 增设支点加固法 在梁、板、柱等构件上增设支点，减少计算跨度（长度）。 增加结构整体性加固法 通过支撑等构造措施使多个构件形成整体，整体破坏的概率小 改变结构刚度比加固法 改变刚度比，调整结构的内力分布。 其他加固法3.2 砼结构加固设计3.2.1砼受弯构件的加固一、 加大截面加固法 受压区加现浇砼层加固法 方法在钢筋砼受弯构件受压区加砼现浇层 原理增加截面有效高度，扩大截面面积 效果提高构件正截面抗弯、斜截面抗剪能力和截面刚度 受力特点同二阶段受力的钢筋砼叠合受弯构件 计算方法同叠合受弯构件 注意问题新旧砼强度不同；新加部分与原构件可靠连接； 叠合面抗剪承载力计算。 设计思路确定现浇砼层厚度验算正截面承载力并确定受压钢筋的数量判断结果是否合理验算斜截面和叠合面承载力。 受压区加现浇层加固梁计算简图增大主筋面积加固法 方法及原理 增大受拉主筋面积 效果 提高构件正截面抗弯能力和截面刚度 受力特点当加固时不进行完全卸载时，加固后构件属二次受 力构件，新加钢筋的应力和应变均滞后与原钢筋； 当加固施工时采用完全卸载时，属一次受力构件， 新加钢筋与原钢筋应力和应变将同步发展。 计算方法 近似地按照一次受力构件计算，但应考虑实际二次 受力和二次施工协同工作不如一次施工好等原因 引起的新加受力钢筋强度得不到充分发挥的不利 影响，对新加钢筋强度进行折减。 注意的问题 界线破坏受压区高度系数xb 设计思路 确定加固的范围计算新增受拉钢筋的面积。 (a) (b) ( c ) (d) 增大主筋面积加固梁截面计算简图 a：连接短筋； b：截面示意；c：计算简图；d：截面应变受拉区加现浇砼围套加固法 方法 受拉区加现浇砼围套加固 原理 增加受拉钢筋面积和截面有效高度 效果 提高构件正截面抗弯、抗剪能力和截面刚度 受力特点 同增大主筋面积加固梁 计算方法 同增大主筋面积加固梁 注意的问题 界线破坏受压区高度系数xb”； 原纵筋加固后在新载下其应力发展较慢 设计思路 初步确定加固粱截面尺寸确定新增纵向钢筋的 面积验算斜截面承载力判别加固方案是否满 足要求，否则修改截面尺寸或采用其它加固方法 (a) (b) ( c ) (d) 受拉区加现浇砼围套加固梁截面计算简图a:单面加固；b:三面加固；c：截面平均应变；d:承载力计c算简图二. 预应力加固法预应力水平拉杆加固法 方法受拉区增设预应力拉杆。 原理拉杆内产生轴向拉力，偏心地反作用于在构件中产生偏心 受压作用，该作用克服了部分外荷载产生的弯矩，减少了 外荷载效应，同时受弯构件变成偏心受压构件。 效果提高了构件的抗弯能力和斜截面抗剪承载力。 受力特点当水平拉杆与与构件底面紧密贴合形成一整体时， 其结构性能和应力特征与后张预应力砼构件相似； 反之，拉杆不能与构件共同挠曲，其应力应变增量 小于后张预应力砼构件，拉杆不能充分发挥作用。 计算方法原构件与水平拉杆组成了一个复合超静定结构体系 可根据变形协调条件求解内力，截面承载力计算按 偏心受压构件构件的方法。 水平拉杆轴向拉力的确定 由预应力和新增荷载产生的拉力两部分组成: N=Ap（spsl ）DN DN水平拉杆的作用效应增量,由以下几部分组成：a. 新增外荷载引起的变形： Ddq=DdADdB = c(sinqA+ sinqB)=c(qA+ qB) b. 水平拉杆偏心反作用（弯矩）引起的变形： DdM=DdADdB =c(sinqAM+ sinqBM)=c(qAM+ qBM) c. 水平拉杆反作用压力引起的变形： d. 水平拉杆轴向拉伸变形 上述变形应满足： Dd=DdqDdMDdN 预应力水平拉杆加固梁截面计算简图 水平拉杆与原构件组成的超静定体系计算简图及其变形(a):复合体系示意图；(b):新增荷载下的变形；（c）：拉杆反作用弯矩下的变形；(d):拉杆反作用轴力下的变形 预应力的施加方法 机张法、电热法和横向收紧法。 采用两根预应力水平拉杆横向收紧张拉时，横向收紧量DHa. 无撑杆一点收紧:根据 得 b. 有撑杆一点收紧:根据 得 c. 有撑杆两点收紧:根据 得： (a) 图3.7 水平拉杆横向收紧量计算简图(b) :无撑杆一点收紧；(b):有撑杆一点收紧；（c）：两点收紧1被加固构件；2水平拉杆；3收紧螺拴；4撑杆 设计思路 确定拉杆的截面面积。可近似按下式计算： 根据偏压构件正截面承载力，计算拉杆所需承担的轴向拉力N 计算新增荷载作用下的水平拉杆作用效应增量DN 确定对水平拉杆施加的预应力值sp，sp应满足： 和 验算斜截面承载力判断结果的合理性，否则修改方案。 预应力下撑式拉杆加固法 方法图示，一个由被加固构件和下撑式拉杆组成的复合体系 原理拉杆轴向力传递给被加固构件，抵消部分外荷载，改变了 截面内力特征，使构件由受弯构件变成了偏心受压构件。 截面内力包括外荷载效应和预应力拉杆产生的附加效应下撑式拉杆加固构件示意图截面附加内力计算简图 计算方法按砼偏心受压构件的计算方法计算。 作用效应增量的计算 按结构力学的方法计算。把拉杆视为多余约束解 除，代之多余力DN，则按力法方程得： 下撑式拉杆加固梁拉杆作用效应增量的计算简图 预应力施加机张法、电热法和横向收紧法及竖向张拉法。 当对下撑式拉杆进行横向收紧张拉时，横向收紧量DH为： 下撑式拉杆横向收紧量计算简图根据：得： 或近似写成： 上式的推导是在假设拉杆水平段与斜段轴向力相等，即忽略拉杆与垫棒之间的摩擦力影响的基础上得出的，因此按照该式计算的横向收紧量进行横向收紧时，由于实际摩擦力的存在，拉杆实际得到的拉力，在水平段上要大于spAp，而在斜段上要小于spAp。 当采用沿梁两侧竖向张拉时，张拉移动量D1和D2为：图3.13 下撑式拉杆竖向张拉量计算简图根据几何关系可得： Dab和Dbc尚应满足： 解得： 设计思路初步确定拉杆截面面积按构件承载力要求确定N 计算拉杆作用效应增量DN确定对下撑式拉杆施加 的预应力值sp，sp应满足： 和 三、 外部钢加固法 粘钢加固法 方法在构件承载力不足区段表面粘帖钢板。 粘钢加固示意图 计算方法按同类按钢筋砼构件的方法计算 注意问题钢板强度的利用率？钢板的应变滞后？钢板的锚固 构造 适用环境：温度60C，相对湿度ec0时，应变发展应力无变化，此时即使应变滞后，仍可能充分利用新增砼的材料强度。偏心受压应变分布不均匀：远离中和轴处（新增）应变增量大一些。二、 预应力撑杆加固法 方法加预应力撑杆,外包钢构架加预应力。 原理预应力导致荷载转移，缓和了原柱的应力超前。 适用性适用于受压不足的小偏心受压构件。 计算方法按照二次制作的一次受力构件进行计算。 当预应力撑杆与原柱采用湿式联结时，可按照钢筋混 凝土结构设计方法，按整截面构件计算； 当预应力撑杆与原柱采用干式联结时，应按组合截面 柱计算，即将柱所承受的荷载效应按撑杆和原柱的刚 度比例分配计算。 撑杆预应力的确定 目的是保证撑杆与被加固构件能够共同工作， 预压应力值不必过大。应满足： 预应力的施加方法 竖向顶升法：顶升量： 撑杆预压应力的施加 横向收紧法：横向收紧量DH a：双侧预应力撑杆加固柱单侧预应力撑杆加固柱三、外包钢加固法湿式外包钢加固柱 计算方法假设外包钢与原构件完全共同工作，近似地按照两 次成型的一次受力构件，按照钢筋混凝土偏心受压 构件的设计方法计算，但应考虑实际而次受力的影 响，对外包型钢的强度予以折减，折减系数取0.9。湿式外包钢加固柱干式外包钢加固柱 计算方法设两部分完全独立工作，按组合构件计算。 干式外包钢加固柱的内力分配 外包钢柱连接构造三、 其它加固法 粘钢加固法 FRP加固法 增设支点加固法等等 3.2.3 砼结构耐久性加固一、砼结构耐久性的损伤 混凝土的裂缝 按产生原因分类：荷载裂缝；变形裂缝；腐蚀裂缝； 施工操作裂缝等 按裂缝方向分类：水平裂缝；垂直裂缝；纵向裂缝；横向裂缝； 斜向裂缝；放射状裂缝；顺筋裂缝等。 按裂缝深度分类：表面裂缝；深进裂缝和贯穿性裂缝等。钢筋的锈蚀与裸露 蜂窝、麻面、酥松二、砼裂缝的修补 表面修补法：涂抹水泥砂浆 涂环氧胶泥 粘贴玻璃布等 表面凿槽嵌补内部修补法： 内部修补法是用压力胶结材料压入砼裂缝中， 并通过其胶结性使原结构恢复整体性。灌浆工艺流程：裂缝处理 埋设灌浆嘴、盒管等 封缝 密 封检查 配置浆液 灌浆 封口 检查 结构加固法：一般结合承载力加固同时进行。加设钢筋混凝土围套；加钢套箍或粘钢；设置预应力拉杆三、钢筋锈蚀与裸露的处理 （阻止）防止锈蚀加剧，增设加强钢筋。四、蜂窝、麻面、酥松的治理 置换：确定缺陷的范围清除凿毛清洗修补。3.3. 砌体结构加固设计 常用的直接加固方法： 增大截面法 组合砌体法 外包钢法， FRP加固法3.3.1 加固砌体的受力性能 加固后砌体的组成： 原砌体 新加部分（砌体，钢砼，钢，FRP等） 材料的受力特点： 新加部分应变滞后，破坏时，可能达不到充分利用。 新加部分强度利用率： 与加固前砌体的应力水平、材料的应力应变关系、受力 形式（偏心否）等有关，暂取：0.8（轴心受压构件） 或0.9（偏心受压构件）3.3.2加固砌体的计算方法 增大截面法：对新材料强度折减后，迭加，按砌体结构计算 组合砌体法：对新材料强度折减后，按组合砌体计算 外包钢法：对湿式外包，对钢材强度折减后按整截面（组合 砌体的方法）计算。 对干式外包，应将外力按刚度比分配后分别计算。 FRP法：3.3.3构造要求 应采取措施保证新旧部分的可靠连接。3.4 钢结构加固设计 常用的直接加固方法： 增大截面法， 预应力及撑杆加固法， 局部替换法 增大截面法： （原）钢材的老化问题 应变滞后问题。 局部替换法：施工时的临时支撑。 预应力及撑杆加固法：形成新的结构体系。预应力及撑杆加固法举例3.5 地基基础加固设计3.5.1地基基础的鉴定 一般分析：原勘探资料的分析，沉降及倾斜观测等 地基的鉴定：勘探，原状土实验，荷载实验等 基础的鉴定：基础类型，损伤情况，材料强度及质量 复核计算：地基承载力及变形，基础承载力等3.5.2基础的加固 基础注浆：适用于损伤（裂缝）等的加固修复 加大基础底面积：减少对地基的压力 基础加深：用现浇砼（分批）置换原基础下土层，至好土层。3.5.3地基的加固 静压桩加固法： 方法：压桩，有锚杆静压桩，坑式静压桩等 适用性：适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土 和人工填土等静力触探比贯入阻力小于8Mpa的土 计算方法：按桩计算。 锚杆静压桩施工工艺： 基础上开压桩孔开锚杆孔并埋设锚杆压桩接桩封孔 坑式静压桩施工工艺： 基础下的导坑压桩接桩浇砼与原基础成一体 树根桩法： 方法：钻孔成桩 适用性：适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、 碎石土和人工填土等 计算方法：按桩计算。 施工工艺：定位成孔放钢筋笼和注浆管添碎石注浆 双灰桩法： 方法：由生石灰和粉煤灰组成的揉性桩。 适用性：适用于地下水位以下的饱和粘性土、 粉土、松散粉细砂、杂填土及饱和黄土等， 计算方法：按复合地基计算。 施工工艺：定位成桩（包括成孔和填料，有振动成桩、 锤基成桩、螺旋钻成桩、洛阳铲成桩等）。 注浆加固法： 方法：向土层内高压注入水泥砂浆或水泥水玻璃双液浆。 适用性：适用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等。可用于堵漏防渗、提高地基的强度和变形模量，控制地层沉降等。 计算方法：按复合地基计算。 施工工艺：钻孔将注浆管压入土层分层注浆 碱液加固： 方法：向土层内注入氢氧化钠溶液 适用性：用于处理以黄土地基的湿陷事故。 高压旋喷注浆加固法：3.5.4 建筑纠倾（偏） 迫降纠倾（偏）：强迫沉降，有堆载、掏土、降水等方法 顶升纠倾（偏）：强迫顶升3.5.5 建筑移位4. 抗震加固及增层改造的结构体系4.1砖混结构抗震加固结构体系的选择 常规方法： 构造措施设置钢拉杆（圈梁）和构造柱等，提高整体性 补强措施采用结构性加固措施，组成新的结构体系。4.1.1 组合墙结构体系加固方法：将（部分）墙体改成钢筋砼与砌体组合墙加固原理：钢筋砼夹板墙与砖墙的共同工作，组合墙承载力和 刚度明显提高，结构的整体性较好。结构分析：受力性能类似于钢筋砼剪力墙，可按类似于剪力墙 结构的计算方法进行结构内力分析。截面设计：组合墙截面承载力可按组合砌体偏压承载力计算， 但应考虑二次受力的影响对加固材料强度折减适用性：适用于墙体分布均匀，上下连续的多层砖混建筑。4.1.2 框架砖墙结构体系 加固方法：对原砖混承重结构采用框架托换，在托换过程中, 结合建筑要求尽量保留原有砖混结构的承重体 系，形成了由框架和砖墙组成的结构体系。加固原理：砖混结构作为第一道受力防线，由于其四周由钢筋 砼梁柱围套，抗震能力明显提高。第二道防线是框 架结构，抵抗后续作用，保证最低限度的安全。 受力全过程：第一阶段：以原有砌体为主，其受力性能类似于砖混构 可按砖混结构的计算方法进行验算；第二阶段：当原砌体结构损伤后，框架结构开始明显参与 与砌体共同受力，形成框架砖墙工作机制； 第三阶段：当原砌体结构严重破坏后，由于框架的作用， 结构的变形仍受到控制，其受力性能类似于框 架，可按框架结构的计算方法进行验算。适用性：适用平面布置复杂，建筑等级较高的房屋。 框架砖墙结构示意 组合墙示意4.2 整体式外套结构体系房屋的加层方法 整体式和分离式。整体式加层包括： 直接加固增层 整体式框架结构加层 整体式框架剪力墙结构加层4.2.1直接加固加层：