钢筋混凝土结构加固设计的常用方法

付明芳

(晋中市建筑勘察设计院，山西 晋中 030600)

钢筋混凝土在建筑结构中扮演着重要的角色，它是一种常见的建筑材料。然而，因各种因素的影响，包括自然灾害和事故、设计和施工问题、使用功能的改变等因素，钢筋混凝土结构可能会遭受各种损伤和承载力不足的情况，从而影响其安全性和可靠性。为了确保建筑物在使用寿命内保持结构完整和安全，正确的加固设计和施工变得至关重要。将综述常用的钢筋混凝土结构加固方法，并介绍每种方法的原理、应用范围、优缺点以及实际工程案例。通过对各种加固方法的综合了解，希望能够为工程师和相关从业人员提供有价值的参考和指导，以确保加固设计的有效性和可行性[1]。钢筋混凝土结构加固设计是保障建筑物结构安全的重要措施，对于维护和延长建筑物的使用寿命具有重要意义。

1 常用方法

1.1 增大截面加固法

1.1.1 原理

增大截面加固法是根据工程要求和原结构构造及受力实际情况，选择在受压区或受拉区增设现浇钢筋混凝土外加层的加固方式，以提高结构的承载能力。这种方法可以通过加大梁和柱的截面尺寸来提高其受弯和受压承载力，通过向板中增加受拉和受压区域的混凝土和钢筋来提高其承载能力。

1.1.2 应用范围

增加截面尺寸是一种广泛适用于不同类型和规模的钢筋混凝土结构的加固方法。其应用范围包括但不限于以下4个方面。

(1)梁加固，增加截面尺寸常用于加固受弯梁。当原有梁的截面尺寸不足以满足设计要求或承载能力不足时，通过在梁的下方增加混凝土或加固钢筋，提高梁的截面面积和承载能力。

(2)柱加固，在柱底部或上部增加截面尺寸可以提高柱的承载能力和刚度。对于受力较大、需承受更高荷载或处于破坏边缘的柱，增加截面尺寸的方法可以有效地提高其抗弯、抗压和抗剪能力。

(3)梁柱节点加固，梁柱节点是结构的重要部位，常常存在着较大的弯矩和剪力传递。当节点的截面尺寸不足以承受荷载时，通过增加截面尺寸，可以提高节点的受力性能和承载能力，确保节点的安全稳定。

(4)框架结构加固，增加截面尺寸广泛应用于钢筋混凝土框架结构的加固设计，包括多层建筑的柱、梁、节点等部位。通过增加截面尺寸，可以提升整体框架的抗震能力和整体承载力，确保结构在地震等外力作用下的安全性。

1.1.3 优缺点

优点：1)提高承载能力，通过增加截面尺寸，增加了结构的有效受力面积，从而提高了承载能力。这可以使原本不足以满足荷载要求的结构，在加固后承受更大的荷载，保证结构的安全性；2)提高刚度和稳定性，增加截面尺寸可以提高梁或柱的刚度，增加其抗弯和抗压能力。这对于提高结构整体的稳定性和抗震能力非常重要，能够减小结构的挠度和变形；3)延长使用寿命，通过增加截面尺寸，可以提高结构的强度和耐久性。这有助于减缓结构的劣化过程，延长结构的使用寿命；4)施工相对简单，相比其他加固方法，增加截面尺寸的施工比较简单，一般不需要拆除原有结构，只需在梁或柱下方增加新的混凝土或加固钢筋[2]。这可以减少工程的施工难度和时间。

缺点：1)空间限制，增加截面尺寸需要具备足够的空间，这对于一些空间有限的结构来说可能不太适用，可能需要采用其他加固方法；2)增加自重，增加截面尺寸会增加结构的自重，可能导致对原有基础和支撑条件的要求增加。这需要结构工程师在设计时进行综合考虑，确保加固后的结构能够承受自身的重量；3)结构变形问题，增加截面尺寸可提高结构的刚度，但可能导致结构的变形和开裂问题。因此，在设计和施工过程中，需要注意合理控制变形，避免出现过大的裂缝和变形情况；4)施工现场的湿作业工作量大，工期长。

1.1.4 加固方法

施工之前，需要将原构件混凝土表面的缺陷清理到密实部位，并使用凿子将表面凿毛，将梁柱的棱角打掉。需要将混凝土表面上的浮灰和碎渣清除掉，然后将其冲洗干净。如果构件表面有积水在凹处，就需要使用麻布吸去。为了保证新旧混凝土之间的结合力，在原有混凝土结合面上涂刷1层界面结合剂，然后再浇筑混凝土。为提高新旧混凝土粘接强度，增强结合面的抗剪能力，必要时还可再结合植入短钢筋。在新浇筑的混凝土中，应当选择坚硬的碎石作为粗骨料加入，其最大粒径不应超过20mm。对于厚度小于100mm的混凝土，应使用细石混凝土或灌浆料进行浇筑。

1.2 粘贴碳纤维复合材料法

1.2.1 原理

粘贴碳纤维复合材料法原理是通过将高强度、高刚度的碳纤维片或布粘贴在结构的受拉区表面，并利用胶粘剂将其与混凝土表面结在一起，以提高结构承载力的黏合能力。

1.2.2 应用范围

粘贴碳纤维复合材料是钢筋混凝土结构加固设计中广泛适用的方法之一。其应用范围十分广泛，包括但不限于以下5个领域。

(1)钢筋混凝土梁的加固：对于存在承载力不足的钢筋混凝土梁，可以通过粘贴碳纤维复合材料在梁底面或梁支座处加固来增加梁的抗弯承载力，用以提高结构的抗弯性能。

(2)钢筋混凝土柱的加固：钢筋混凝土柱在长期使用或遭受外力作用后可能出现弯曲、开裂或承载力不足等问题。通过在柱子外表面采用沿其全长无间隔地环向连续粘贴纤维织物的方法进行加固，柱子的抗弯和抗剪承载能力可以增加，提高其抗震性能。

(3)钢筋混凝土板的加固：钢筋混凝土板在使用过程中可能会出现裂缝、挠度过大等问题，影响其承载能力和使用安全性。在板的底面粘贴碳纤维复合材料，可以提高板的刚度和承载能力，减小挠度，增加结构的稳定性。

(4)钢筋混凝土墙的加固：钢筋混凝土墙体在抗震性能方面可能存在不足，需要进行加固以满足抗震要求。粘贴碳纤维复合材料在墙体的表面，可以有效地提高墙的抗震、抗剪等性能，增强墙体的整体稳定性。

(5)钢筋混凝土框架结构的加固：钢筋混凝土框架结构在使用过程中可能出现柱-梁节点开裂、梁柱连接不牢固等问题。通过粘贴碳纤维复合材料在节点区域加固，可以增强节点的刚度和承载能力，提高框架结构的整体抗震性能。

1.2.3 优缺点

优点：1)高强度和轻质特性：碳纤维复合材料具有比传统钢材更高的拉伸强度和弯曲强度，同时重量轻，增加基本上尺寸和自重不会改变构件的原结构，有助于提高结构的承载能力和刚度；2)耐腐蚀性能优越：碳纤维复合材料具有较好的耐腐蚀性能，不会受到水、氧气、酸碱等环境因素的侵蚀，能够延长结构的使用寿命；3)黏结性能良好：粘贴胶粘剂具有良好的附着性能，能够将碳纤维布与结构表面充分黏结在一起，形成紧密的结构整体，提高结构的整体稳定性；4)施工方便快捷：粘贴碳纤维复合材料的施工过程相对简便，不需要进行大规模的拆除和重建，可以在短时间内完成加固工作，减少对使用者的影响。

缺点：1)受温度影响较大：碳纤维复合材料对高温敏感，长时间高温环境下会导致材料性能下降，当环境温度超过60℃时，应该采取有效的防护措施。要在高温环境下使用碳纤维复合材料来加固时，需要仔细考虑材料的选择和使用限制；2)要求表面准备工作较为繁琐：粘贴碳纤维复合材料需要对结构表面进行充分清洁和处理，以确保黏结胶粘剂的附着力。表面预处理工作的要求比较严格，可能增加施工的难度和耗时；3)强度难以预测：粘贴碳纤维复合材料的加固效果与黏结胶粘剂、碳纤维布及施工质量等因素密切相关，强度难以预测[3]。因此，在设计和施工过程中需要进行充分的试验和评估，确保加固效果符合设计要求；4)可见性问题：粘贴碳纤维复合材料相对于其他加固方法可能会对结构外观产生一定影响，特别是在一些对外观要求较高的情况下。这需要在加固设计过程中进行充分的考虑。

1.2.4 加固方法

在进行混凝土表面处理和碳纤维复合材料之前，应当在加固设计的部位进行放线定位。施工单位应在施工过程中对混凝土表面进行处理，清除任何混凝土缺陷，使混凝土结构层露出，并进行平整修复。在清理干净后，对较大的孔洞、凹陷和露筋等部位，需要使用黏结能力强的修复材料进行修补。应该打磨平整被粘贴的混凝土表面，去除表层浮浆、油污等杂质，直到完全露出混凝土结构新面。在转角粘贴处，应该进行导角处理，并将其打磨成圆弧状。而且，圆弧曲率半径不应小于20mm。对于已经加固完毕的结构表面，应该进行防护处理。碳纤维片材表面涂刷的胶粘剂应与防护材料的黏结性能相容，并能够可靠黏结，同时还需要符合相应的防火要求。

1.3 外粘型钢加固法、粘贴钢板加固法

1.3.1 原理

这种方法可用于对钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件进行加固。在这个方法中，在混凝土结构的受拉或受压区域的表面上粘贴型钢或钢板，用以提高结构的承载能力。型钢或钢板加固可以在结构加固设计中起到重要的作用，特别适用于柱、梁和节点等位置。

1.3.2 应用范围

钢筋混凝土结构加固设计中常常采用型钢或钢板加固的方法。它的应用范围广泛，通常包括以下4个方面。

(1)梁和柱的加固：型钢或钢板加固常用于加固梁和柱，特别是在受弯构件和受压构件的加固设计中应用较多。当原有的梁和柱的截面尺寸不足以满足设计要求或承载能力不够时，可以通过加固钢板的方式，在梁和柱的表面增加强度和刚度，提高其承载能力和抗震性能。

(2)墙体加固：钢板加固也适用于钢筋混凝土墙体的加固。有时候墙体会承受外部荷载或内部压力导致的变形和破坏，通过在墙体表面粘贴或焊接钢板，可以增加墙体的刚度和强度，提高抗荷载和抗震能力。

(3)屋面和地板加固：在屋面和地板结构加固方面，钢板也是常用的加固材料。在屋面或地板的底部或顶部添加钢板可以提升结构的承载能力和刚度。特别是在需要增加楼板荷载承载能力的情况下，钢板加固是一种有效的解决方案。

(4)梁柱节点加固：结构的节点是其弱点之一，也是容易发生破坏的部位。在梁柱节点的加固中，常采用钢板加固的方法[4]。通过在节点处添加钢板，可以提高节点的刚度和强度，增强连接部位的承载能力。

1.3.3 优缺点

优点：1)简单可靠，传力直接，加固效果可靠，耐久性好。通过钢板加固，可以显著提升结构的承载能力；2)施工便捷，钢板加固的施工工艺简单，并且施工周期也较短。现场没有湿作业，或者只有一些抹灰等少量的湿作业。通常情况下，只需要在结构表面安装和连接钢板，不需要拆除和改动原有结构，从而降低了工程对业主和使用者的影响；3)经济高效，钢板加固相对于其他加固方法，成本较低。钢板材料本身价格相对较低且易获取，在加固设计和实施时，能够快速且经济地提升结构性能。

缺点：1)空间限制，钢板加固需要在结构表面预留空间安装和连接钢板。在原有结构空间受限的情况下，可能存在难以安装和加固的局限性；2)修改外观，钢板加固涉及对结构表面的改动，可能会对建筑外观产生影响。在对外观要求较高的建筑中，需要在加固设计中进行考虑；3)当温度超过60℃、相对湿度超过70%或存在化学腐蚀环境时，该方法使用必须采取有效的防护措施；否则，不应该使用该方法。此外，对于混凝土强度等级低于C15的构件，不适宜采用该方法；4)结构性能限制，钢板加固的效果受到钢板的尺寸和连接方式的限制。在设计过程中需要准确计算和模拟，确保钢板加固后的结构能够满足设计要求。

1.3.4 加固方法

构件加固前需要对结合面进行处理，包括打掉构件的抹灰层。处理构件表面局部破损的步骤是先凿毛，然后用高强度水泥砂浆修补，最后进行处理。将混凝土构件的结合面进行打磨处理，使其表面变得平整，并使用清水将其冲洗干净。必须选择未生锈或微锈蚀的钢板进行粘贴，然后使用喷砂、砂纸或干砂轮将其打磨，直到可以看到金属的光泽为止。擦洗钢板表面时，应尽量增加打磨粗糙度，并使打磨纹理与钢板受力方向垂直。在加固前，应该先卸载，以减轻和消除后沾钢板的应力和应变滞后现象。在使用粘钢之前，需要对粘结剂进行现场质量检验，只有质量检测合格才能使用。将配制好的粘结剂用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上，以确保粘合剂能充分浸润、渗透、扩散并附着在结合面上。在进行粘贴之前，需要确保粘贴面没有空洞，如果出现空洞，则需要将钢板剥下来进行胶水补充，然后重新进行粘贴。最好用膨胀型锚栓固定，钢板粘贴后应立即用夹具夹紧或支撑。要达到保护效果，应对进行粘钢加固的钢板进行表面防腐处理，可以使用水泥砂浆对钢板进行粉刷。

1.4 增设支点法

1.4.1 原理

增设支点是钢筋混凝土结构加固设计中常用的方法之一，该方法适用于加固梁、板和桁架等结构。这个方法根据支承结构受力性能的不同可以分为2种，即刚性支点加固法和弹性支点加固法。在设计时，应该根据被加固结构的构造特点和工作条件选择其中1种。通过改变结构的受力路径，可以减小原有结构受力的程度，以此来提高结构的承载能力和稳定性。

1.4.2 应用范围

预应力技术是钢筋混凝土结构加固设计中常用的方法之一。它的应用范围非常广泛，适用于以下3个方面。

(1)梁的加固，当梁的跨度过大或荷载较重时，可能会出现挠度过大、裂缝或承载力不足等问题。通过增设支点，可以在梁的中间或其它适当位置添加新的支点，减小梁的跨度，改变受力状态，提高梁的承载能力和刚度。

(2)桁架结构的加固，桁架结构在长期使用或遭受外力作用后可能出现节点开裂、连接处松动等问题。通过增设支点，可以在桁架结构的相应位置增加新的支点，改变受力路径，减小各单元材料的受力，提高整体结构的稳定性和承载能力。

(3)屋面的加固，对于存在屋面下沉、开裂或变形的情况，可以通过增设支点来提供额外的支撑和稳定[5]。通过在适当的位置增加新的支点，可以改变屋面的受力分布，减小原有结构的荷载，增加屋面的刚度和稳定性。

1.4.3 优缺点

优点：1)提高结构的承载能力，通过增设支点，可以将原有结构的荷载分散到新的支点上，减少原有结构受力的集中程度，从而有效提高结构的承载能力；2)增加结构的刚度和稳定性，新的支点可以形成额外的支撑力路径，增加结构的刚度和稳定性。可以减少结构的挠度、变形和震动，提高结构的整体稳定性；3)节约材料和工程量，相比其他加固方法，增设支点通常不需要大量的材料和拆除重建工程，可以在原有结构基础上进行调整和改善，从而节约了材料和工程量；4)施工相对简单，增设支点的施工过程相对简单，不需要进行大规模的结构改造，可以在较短时间内完成加固工作。这降低了施工风险和对使用者的影响。

缺点：1)空间影响，对需要增设支点部位可能会影响到原有建筑物的使用空间；2)工程结构影响，为保证增设支点支撑传力明确，其下端连接可能需要新增基础，需按一般的基础构造进行处理；3)施工措施保证，对需施加预加力的构件，为保证支点能够有效发挥作用，需要在施工过程中施加预加力需预加力的大小较难控制，否则可能会造成被支顶构件的破坏。

2 案例分析

本文所述的工程案例为1座8层框架结构办公楼。因业主使用功能的改变和增加层数的需要，将结构类型改造为框架剪力墙结构。经计算复核，主体结构出现一部分不满足现有承载力需求的构件，需要对存在问题的结构构件进行加固，本文仅列举梁加固方法。结构工程师通过综合考虑建筑物的使用目的、现状和预算等因素，主要采用了增大截面加固法和外粘型钢、粘贴钢板加固法。

在实际应用中，设计师需要根据加固后的钢筋混凝土结构构件的加固效果来选择合适的加固方法。如果加固后的正截面受弯承载力提高幅度超过40%，还需要验算其受剪承载力，以避免构件在受弯破坏之前因受剪力过大而破坏。其中对弯矩提高超过40%或者趋近于40%的梁采用型钢加固或者增大截面加固。对弯矩提高幅度远小于40%的梁构件采用粘钢加固法。

增加截面尺寸：结构评估发现某些梁截面尺寸不满足设计要求。为了加固这些梁，工程师决定在现有梁的下侧增加100mm并配置钢筋。通过增加梁截面的有效宽度，提高了梁的承载能力和刚度。

型钢或钢板加固：在一些承载能力不足的梁上，工程师采用型钢或钢板加固的方法。首先，对结构进行评估和计算，确定加固所需的钢板尺寸和位置。然后，将钢板固定在梁的表面并与之焊接或螺栓连接，以增加结构的承载能力。

通过以上加固方法的综合应用，成功提升办公楼的结构强度和稳定性。在施工过程中，需要充分考虑结构的特点和施工难度，确保加固工程的质量和安全。该案例已投入使用多年，实际表明加固成果良好，满足了业主的使用要求。

3 结语

钢筋混凝土结构加固设计是保障现有建筑物安全的重要措施。通过以上方法，可以提升结构的承载力和抗震能力。在实际工程中，应根据具体情况选取合适的加固方法，并进行综合评估和设计，以确保加固效果达到预期目标。