某既有建筑改造工程结构加固措施分析

赵月明 刘乐乐

1 引言

根据国家统计局数据和中国建筑科学研究院的测算结果，我国目前既有建筑面积约800 亿m2。人们对既有建筑进行改造的需求日益增长。由于大量既有建筑使用年限已超过30 年，存在材料老化、使用不当、施工缺陷、结构受损等情况，需要对建筑进行结构检测鉴定和加固处理。可见加固方案及施工方案的选择对既有建筑改造工程的安全适用、经济合理、质量保障等具有重要意义。

2 结构加固措施及分析

2.1 增大截面法

该方法是在原有结构构件外包一定厚度的钢筋混凝土，使新增钢筋混凝土和原有结构可靠连接，在外荷载作用下共同受力。当应用于梁、柱加固时，由于外包钢筋混凝土层内同时配置纵向钢筋和箍筋，该方法还可以显著提高原结构的延性和耗能性能。该方法适用范围较广，可同时解決结构的承载能力不足、刚度不足以及延性不足等问题。

2.2 外包型钢法

外包型钢加固法是利用外包的型钢及钢缀板焊接而成的构架，对原混凝土构件起到约束作用，与其共同受力的加固方法。按其与原构件连接方式分为有粘结外包型钢法和无粘结外包型钢法。当采用结构胶粘合混凝土构件与型钢构架时，称作有粘结外包型钢加固法，也称外粘型钢加固法，或湿式外包钢加固法。当不使用结构胶，或仅用水泥砂浆堵塞混凝土与型钢间缝隙时，称为无粘结外包型钢加固法，也称干式外包钢加固法。

2.3 粘贴纤维复合材加固法

粘贴纤维复合材加固法是以结构胶为粘料，将纤维织物或纤维板材外贴于被加固构件表面，达到提高结构承载力和延性的目的。目前常用的有3种纤维材料，包括碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芳纶纤维（AFRP）。该方法轻质高强、施工简便可用于曲面或转折粘贴，加固后基本不增加原构件重量，不影响结构外形，但需要考虑结构胶的耐久性和耐火性问题、纤维复合材的有效锚固问题。

2.4 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是在混凝土构件表面用结构胶粘贴钢板，使钢板与混凝土构件整体协同工作，以提高构件承载力的一种加固方法。该方法具有施工简便快速、原构件自重增加小、不影响建筑使用空间、钢材利用率高、有效抑制裂缝发展等优点。但需要考虑结构胶的耐久性和耐火性问题，且钢板需进行防腐、防火处理。

3 结构加固工程实例

3.1 工程概况

某设计于1986 年的高层建筑，两侧裙房8 层，中部塔楼11 层。建筑平面长约73.5 m，宽约50.6 m，建筑高度39 m。主体结构采用框架-抗震墙结构形式。塔楼为筏板基础，两侧裙房为独立基础。根据业主要求该建筑将改为康养用房，待改造面积约为15 000 m2，改造后续使用年限为30 年。

首先委托某建筑工程质量监督检验中心对该建筑结构体系和构件布置、现有结构外观质量、混凝土强度、构件截面尺寸、主体结构安全性和主体结构抗震性进行检测、鉴定。报告显示该改造项目主要问题有：一是上部结构单元现状结构安全性鉴定为Du 级；二是房屋总层数超出规范要求一层；三是部分框架柱、框架梁不满足抗震承载力要求；四是部分结构构件截面尺寸小于设计要求。

根据检测鉴定结果，加固改造的主要内容为：原筏板基础截面加高；框架柱加大截面、外包型钢加固和粘贴碳纤维布加固；框架梁截面加大、粘贴钢板加固；边缘构件外包型钢加固等。

3.2 增大截面法的应用

3.2.1 筏板基础的加固

根据鉴定结果，由于上部荷载增加，导致原核心筒墙边筏板基础抗冲切承载力不足，需要增加筏板厚度以满足设计要求。该项目原基底标高为-3.00 m，基础埋置较浅，具有增加筏板厚度的条件。加固时在原筏板板顶增加厚度250 mm，双向布置20@150 钢筋，板顶钢筋通过12@300 钢筋梅花形交错布置锚入原结构中，浇筑C30 细石混凝土叠合层，最终与原筏板基础共同承担上部结构荷载（图1）。将增大截面法用于加大筏板基础高度，不但可以提高筏板基础的抗冲切承载力，同时也加强了基础的刚度，减少了地基不均匀变形。

图1 筏板基础加固（组图,来源：作者自摄）

3.2.2 框架柱的加固

根据检测鉴定结果，改造后1 至3层每层均存在框架柱轴压比不满足规范要求的情况。轴压比是体现建筑抗震性能的重要参数，其值越大，则混凝土柱的延性越低。限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力。轴压比超限会导致构件在破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察及采取补救措施[1]。增大截面法是解决构件轴压比超限最有效的方法。

本工程中加固位置在使用阶段对柱截面尺寸无特殊要求，故采用此加固措施。原框架柱截面为500 mm×600 mm， 采 用300 号（C28） 混 凝土。加固时，将框架柱沿截面宽度方向加高150 mm，增加420 纵向钢筋和8@100/200 箍筋，加大截面部分采用C35 细石混凝土进行浇筑（图2），有效地解决了轴压比超限的问题。

图2 增大截面加固柱（来源：作者自摄）

3.2.3 梁的加固

项目原结构梁截面尺寸为150 mm×300 mm，由于改造后的使用功能发生改变，使梁上荷载增加，原结构的梁无法满足承载力要求。加固时，在梁底位置将梁高增加100 mm，增加222 纵向钢筋通过植筋法一侧锚入柱内，另一侧锚入墙内，增设8@200（2）箍筋，加大截面的部分采用C30 细石混凝土进行浇筑。

3.3 外包型钢法的应用

3.3.1 框架柱的加固

本工程现有建筑底部三层范围内，部分框架柱配筋不足，且通过粘贴碳纤维加固法仍无法满足承载力要求。结合工程允许使用结构胶的情况，优先采用外包型钢加固法对此部分承载力不足的混凝土柱进行加固。

首层、2 至3 层加固混凝土柱分别采用角钢L100×10、L75×6，配合4 mm厚、宽度为100 mm 的缀板，加密区间距250 mm，非加密区间距400 mm 布置。利用M16 化学锚栓进行锚固，钢板与混凝土灌注结构胶粘结（图3），钢构件进行除锈、防锈漆涂刷后，表面采用25 mm 厚水泥砂浆作为防护层。该方法将型钢与混凝土粘结形成共同工作的复合截面，既节约钢材，又满足了承载力要求。

图3 外包型钢加固柱（来源：作者自摄）

3.3.2 边缘构件外包型钢加固

本工程原剪力墙端部设有明柱，该构造不仅约束了端部混凝土，且当结构在水平荷载作用下，能够有效防止端部钢筋被压屈和防止剪力墙腹板内斜裂缝的迅速开展。试验表明，设置明柱的剪力墙的变形仍以弯曲变形为主，若端部约束作用进一步加强，将使剪力墙整体变形成分中剪切变形的比例增加[2]。因此采用外包型钢加固法，避免边缘构件刚度增加过大，改变其弯曲变形特性。

加固的具体做法为，在边缘构件直角位置竖向采用L100×80×6 mm 不等肢角钢，非直角位置竖向采用6 mm 厚钢板条带，水平方向采用宽度为100 mm，厚度为4 mm 的钢板条带沿墙高方向间隔300 mm 布置，M14 化学锚栓锚固深度为140 mm，沿墙高方向间隔400 mm布置，如图4 所示。

图4 外包型钢加固边缘构件（来源：作者自摄）

3.4 粘贴纤维复合材加固法的应用

根据检测鉴定报告，该工程部分框架柱抗剪承载力不足。要求加固后，框架柱所在位置对室内空间的影响最小。因此选用粘贴纤维复合材加固法。由于碳纤维布对混凝土的约束作用机理与箍筋基本相同，能够直接约束最外层混凝土，所以它比箍筋的作用更直接，所起的作用也更大[3]。

本项目选用环向粘贴碳纤维布加固法。加固的结构柱包含截面尺寸为500 mm×600 mm、400 mm×600 mm等尺寸的矩形框架柱，以及700 mm 直径的圆形截面框架柱。碳纤维复合材采用高强Ⅰ级布，每平米质量不超过300 g。复合材条带的宽度为100 mm，间距为400 mm 布置，对矩形框架柱截面棱角进行打磨圆化处理，圆化半径为25 mm（图5）。根据国内对于碳纤维提高钢筋混凝土柱抗剪承载力的实验研究，碳纤维布层数越多，其破坏时的平均承载能力越小[4]。本项目中加固时采用单层环形箍粘贴。纤维方向与柱的纵轴线垂直，框架柱加固后，对室内建筑空间无明显影响，且其受剪承载力得到显著提高。

图5 粘贴碳纤维加固柱（来源：作者自摄）

3.5 粘贴钢板加固法的应用

虽然在加固受弯构件中常用的方法有粘贴钢板与粘贴碳纤维法，而根据粘贴钢板或碳纤维加固受弯构件效果对比试验的研究结果，粘贴钢板法对于梁的刚度及抗弯能力提高方面具有明显的优势[5]。检测鉴定结果显示，原截面尺寸为250 mm×700 mm 的结构梁，支座处受拉承载力严重不足。故本工程在加固时，选用粘贴钢板法。粘贴钢板采用标号为Q355B 的钢材，在梁支座顶面位置，分别粘贴宽度为100 mm，厚度为5 mm的钢板条带，钢板由支座边缘向两侧分别延伸1.45 m 及1.8 m。钢板采用M8的化学锚栓进行锚固，锚栓按照400 mm的间距布置。加固做法如图6 所示。

图6 粘贴钢板加固梁（来源：作者自绘）

4 结语

既有改造项目面临结构加固问题，需要根据原结构状况，结合经济技术条件，选用合理的加固方法，以满足安全适用、经济合理、质量保障的要求。本文中通过对常用加固方法如增大截面加固法、外包型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法的总结梳理，结合实际项目加固方案进行分析，为相似加固工程提供参考。