结构加固与修复技术-钢加固综述

许凯龙

(广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510000)

随着社会的进步和科技的发展，现代建筑也在不断进步，对建筑的结构要求也越来越高，但是对于已建成的建筑来说，不可能全部推倒重建，所以对于原有的建筑结构进行加固是必然选择。我国自然灾害多，地震、风灾、洪水自然灾害几乎每年都发生，对土木工程结构的安全构成严重威胁。地震具有很大的破坏力，可以使大量建筑物在瞬间损坏或倒塌，并造成各种次生灾害，造成人员伤亡，带来破坏与恐慌，是迄今人类尚难以抵御的自然灾害。在地震灾害调查中发现，在地震中，受损的工程结构对人类的生命和财产构成了更大的威胁。因此，对地震破坏后的结构抗震性能进行评价，研究加固修复技术具有重要的工程价值。

5·12汶川地震中，大量建筑结构遭受地震损伤。根据地震灾区的调查结果，除少数地区建筑物倒塌和严重损坏外，受影响地区轻度或中度损坏的建筑比例相当高，特别是根据我国地震规范进行抗震设计和正常施工与使用的建筑，即使强度过大，损坏程度不同，仍能达到“中震可修，大震不倒”。对于能够再次修复的建筑物，无论是从解决灾区人民问题的紧迫性还是从灾后重建的经济角度来看，“加固、修复”比“推动重建”更合理。所以在未来的数十年内，加固势必成为建筑业内的重要角色。在我国已成熟的各项加固技术中，钢材料应用到加固结构在后期使用过程中都体现出了优良的抗震性能，所以本文结合钢加固的特征具体概述几项在实际工程中经常使用到的钢加固技术。

1 结构钢加固的需要

钢材料在结构加固中无论是从应用面还是施工展现出来的优势有很多，重要的是它在后期的结构耐久或抗震方面都起到了重要的作用，这也就是钢材料本身优良的力学性能的体现。下面就具体的描述钢加固的几项特点。

1.1 适用范围广

现代建筑结构种类较多，其中有框架结构、混凝土结构、钢结构等。对于这些结构进行加固的技术也有很多种，但很多由于材料或施工不能通用，但是钢加固却没有这方面的限制。经过实际调查，目前在国内所有的加固结构中，均可用钢材进行加固。相比于混凝土加固或是碳纤维布加固，钢加固的应用面更广。

1.2 施工方便

钢加固的施工工序是先对所需加固的型钢进行设计和制造，然后再对结构进行加固，所以对于钢加固来说，简化了在实际结构场地的加固施工工序，也节省了工地的物力和人力，尤其对于抢险工程来说，更是大幅节约了施工资源和施工时间。并且如果加固方案不满足，很容易进行变更，只需在工厂重新制造加固所需的钢构件，无需对原有结构改造，避免了对结构的二次破坏。

1.3 力学性能

由于钢材本身就具有良好的力学性能，尤其体现在弹塑性能上，具有良好的变形能力。在抗震中，它良好的耗能变形能力可以发挥很大的作用，无论是抗拉或是抗压，钢材都能够满足。在地震中，建筑物所受到的力是多向的，结构所受到的约束力也必须是多向的，在力学上，钢材加固后力学分析也正是多向的。相对于混凝土加固只能提供抗压力和碳纤维布所提供的抗拉力，钢加固在力学性能上的优势是显著的。

1.4 加固后耐久性能

建(构)筑物在长期自然环境和使用环境作用下会逐渐受到破坏，这是一个不可逆的客观过程，见图1曲线①。如果结构设计出现错误，施工维护质量较低劣，或设计时使用环境和荷载条件比预期差，结构的承载力会随着时间急剧下降，缩短结构的使用寿命。加固、修复老化和损坏的钢筋混凝土结构可以延长建筑物的使用寿命，如曲线①和曲线②分别代表老化和损坏的建筑物的使用寿命曲线，它们的使用寿命分别为OA和OB；在C点时同时用钢材和混凝土进行加固修复，则形成了曲线③和曲线④，使建筑物的使用寿命延长至OE或OD，可以明显看出，在修复后，钢材的使用期限明显比混凝土修复要长。所以在加固中，钢加固的耐久性能良好。

图1 钢结构加固与修复耐久性示意图

2 钢加固在实际加固工程中的应用方法

2.1 粘钢加固法

粘钢法，如图2，3所示，就是将钢板或是钢条通过粘贴高强建筑结构胶使其原加固结构结合成为一个整体，从而提高结构承载力的加固方法。在这种加固方法中，加固上的钢板或钢条代替横向的箍筋或是纵向的钢筋。可以提高结构的承载力和耐变能力，但对于结构的刚度几乎不增加。

图2 结构梁粘钢(钢条)法示意图

但是在粘钢加固中，对于加固效果影响较大的则是钢板或钢条和构件之间的粘结锚固性能，因此，加固构件的锚固破坏机理与如何采取措施避免锚固破坏等则是该加固方法的关键所在。该加固方法适用于各种缺筋少筋的钢筋混凝土梁结构，它的优点是施工简单，用钢量少，对于构件的截面积影响小，缺点则是加固后的受力依赖锚固强度，效果相对来说不可靠。

2.2 外粘型钢加固法

外粘型钢的加固方法又称包钢,是通过胶栓和高强度无机粘结材料将角钢和钢板箍与原混凝土柱可靠连接，为了达到整体受力，共同约束原始构件，改进承载力能力要求的加固方法。

此外，因其新增钢板箍的横向约束作用，使原混凝土柱产生良好的三轴应力状态，从而可以大幅度提高柱子的承载力。在对柱、桁架、梁和一般构筑物加固时，具有受力可靠的优点，结构和构件的承载能力可得到显著提高，对使用空间的影响较小，施工简单,湿作业少。

外粘型钢和钢板的加固方法适用于受静力作用的受弯构件、受拉构件，不允许增加使用中构件的截面尺寸，它可以大大提高钢筋的承载力和刚度。其优点是施工方便，现场工作量少，工期短，受力可靠，对建筑物外观和净空影响不大；缺点是钢材用量大，加固维护成本高。

2.3 钢构套加固法

钢构套加固就是把钢板或是型钢包在被加固的构件(梁或柱)外侧，如图4所示。通过结构胶或是焊接的方式把型钢以及钢板紧密的和被加固构件结合在一起，然后在外包钢板与构件之间充分注胶，使结合后形成的钢构套与加固构件共同作用，从而达到提高加固构件承载力和刚度的目的。该种方法主要通过约束原有构件以提高耐变形能力，同时它也可增加构件的受弯和受剪能力。

图4 结构柱、梁钢构套法示意图

钢构套加固的优点是加固后框架柱占用的使用面积小，不改变结构外形，不影响美观，并且加固效果很明显，加固后对各项力学性能都能够提升，不足是它的施工相对复杂，尤其在有焊接的时候，需要注意不能在焊接时破坏被加固的构件。缺点同样也有用钢量大，加固费用相对偏高。

2.4 绕丝加固法

绕丝加固法是通过缠绕退火钢丝使被加固的受压构件混凝土受到约束作用，进而增加其极限承载力和延性，具有增加重量少、截面形状和尺寸变化小、对构件的环境空间要求少的优点。但缺点是矩形截面混凝土构件承载力的增加不显著，限制了该方法的应用，其加固法常用于薄壁圆筒构件。

2.5 高强钢筋网及复合砂浆外层加固

高强度钢筋网片—复合砂浆外层加固法则是间接使用钢进行加固的方法，该种加固方法用于钢筋混凝土受弯构件和大偏心受拉构件时，具有对原有构件的修复与界面处理比较简单，网孔力学性能较好的优点，如果使用高强度不锈钢钢筋，也能抵抗腐蚀性介质的作用。

3 结构钢加固与修复的工序

加固前的鉴定。包括资料收集、整理分析、现场检测、实验室实验、抗力验算和鉴定报告的编写等内容。

确定钢加固的具体方案。在选择加固修复方案时, 需要听取使用和施工单位的意见, 选择技术可靠、经济合理、对使用功能影响不大、施工方便的加固和修复方案，例如选择粘钢、包钢或是钢构套。

型钢构件的设计和加固材料的控制。根据已确定的加固和修复方案选择型钢材料, 进行结构计算、构造处理和绘制钢构件图。设计人员应该把设计的型钢构件的力学性能交代清楚, 有利于加固后对整个结构力学性能效果的估算，同时要充分考虑到施工时型钢构件对建筑物正常使用时的吻合性。并且在方案确定后，对于各种钢材焊接技术要严格控制，并且在对钢材粘贴时所使用的胶水反应后的粘合强度进行计算控制，保证在加固时钢材加固在结构上的应有效果。

钢加固的施工。其因为施工场地狭小, 受到设施管道和原有构件的限制, 施工时需要考虑到复杂性和特殊性, 做好施工组织设计, 严格按照计划方案施工, 保证加固的结构胶的质量。

加固后工程验收。加固和修缮工程完工后, 由使用单位或其主管部门验收，对一些重要加固部位和施工质量或是钢构的材料产生怀疑时, 需要采取必要的检测手段对加固和修复效果进行检验，主要包括加固后钢的质量和结构胶水的粘合性进行检验。

4 钢加固修复的注意事项

原构件表面不平整的，先将原有的基层清理干净，直到露出新的密实底层，如果还不平整就设法将其填补平整。

各加固方法的各种型钢的下料必须与现场的实际情况吻合，严格控制型钢尺寸，将其与加固构件匹配。

在加固时使用到建筑结构胶也要严格控制粘结质量，并且在施工时要注意使其黏贴紧密，在粘结完后注意要加紧锚固，使其胶水与构件充分反应，粘结牢固。

在钢构件的焊接时，必须严格控制焊接的质量，并且避免在焊接时对加固构件造成的热破坏。

在钢构套或包钢加固时，钢构件的封边必须要严密牢固。

5 结 语

与目前我国的经济技术水平适宜，结构的加固和修复主要是以传统的方法与技术为主。但是鉴于建筑结构加固修复技术的发展，特别是钢材料为代表的加固修复技术的发展已成为主要方向，我们应该从结构的检测、鉴定和评价到所有的加固设计、施工和工程质量相应的各个环节，建立起具体钢加固方案，应将所有的钢加固方法归纳分类，建立一个以钢加固为主的适应各种结构的加固体系。从国内发展来看，土木工程结构加固上，钢材料和钢加固技术都得到了广泛的关注，其发展和应用具有非常广阔的前景。因此，在后期的结构加固与修复中钢材料的使用成为了重要组成部分。