浅谈建筑结构加固工艺

田育丰 杨业宇 周凯

摘 要：我国在基础建设快速发展的阶段，进一步加大了对基础设施建设的投入，从而加快了建筑业的发展，充分发挥国家科技力量的支撑作用，相继修建了各种类型的道路、桥梁、高楼、会展中心、重大水利工程等。由于受到自然灾害、空气影响等，这些建筑的结构往往出现过早老化的情况。据相关统计数据显示，全国城镇需要开展加固工作的民用建筑有30亿平方米，其中亟待修复加固处理的建筑有10亿平方米。如何对这些老旧建筑检测加固，需要进行研究探讨。

关键词：碳纤维布；钢板；复合加固；徐变；材料性能

On the Reinforcement Technology of Building Structure

Tian Yufeng Yang Yeyu Zhou Kai

Guangxi Construction vocational and Technical College GuangxiNanning 530007

Abstract：In the stage of rapid development of infrastructure construction，China has further increased the investment in infrastructure construction，so as to accelerate the development of the construction industry，give full play to the supporting role of national scientific and technological forces，and have built various types of roads，Bridges，highrise buildings，exhibition centers，major water conservancy projects.Due to natural disasters，air effects，etc.，the structure of these buildings often appear premature aging.According to relevant statistics，there are 3 billion square meters of civil buildings that need to be strengthened in cities and towns，of which 1 billion square meters of buildings are in urgent need of repair and reinforcement.How to test and reinforce these old buildings needs to be studied and discussed.

Keywords：carbon fiber cloth;steel plate;composite reinforcement;creep;material performance

1 概述

1982年，邁耶在瑞士联邦实验室（EMPA）首先开展了一项碳纤维增强塑料（CFRP）加固混凝土的抗弯试验研究。目前，国外已经为推广CFRP的应用制定了本国的行业规范和各种技术推广会。一些经济发达的国家已经制定了各种设计、施工规程、指南和手册，以促进和应用碳纤维材料在土建工程中的应用。1993年，日本完成玻璃钢混凝土结构设计规范。随后一系列规范和行业标准也相继出台。

1997年和1998年，加拿大政府先后为新型FRP材料产品的研发和纤维增强与加固混凝土结构性能的研究投入了大量的资金。《高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南》的编写工作是经过欧洲9个国家的共同努力，历时4年完成的。相关设计规程（草案）于 1999 年 2 月分别由美国混凝土协会 ACI-440F 和 ACI-440R 委员会发布。并制定了《混凝土结构设计与外贴玻璃钢加固施工指导规程》。ACI-440F 规程提供了包括材料选择、设计计算方法和施工方法在内的一些表面粘贴加固混凝土结构的指南。现在这个技术已经被美国和日本的发达国家产业化了。

2 土建结构常用的几种传统的加固方法

2.1 延长建筑寿命

建设一栋楼，楼的美观性和建筑质量很重要。长期使用的可靠性往往是作为一种比较稳定的建筑产品必不可少的。建筑寿命会随着建筑工程的长期使用而降低，受各种因素的影响寿命也会逐渐降低。因此，为提升建筑工程的合理使用年限，应该加强建筑工程在新工艺、新材料等方面加固施工。

2.2 提高建筑结构耐久性

建筑物建设完成后，要想长期保持稳定性和可靠性是很困难的。各种影响因素多多少少都会对施工质量造成影响，比如环境、人为因素等。不得不考虑的是，不仅要在日常生活中精心维护，更要在改善建筑结构稳定性、增加建筑工程使用寿命等方面采取切实有效的措施，提高建筑工程的持久性。

2.3 提高建筑抗震性

对地震造成的影响要有充分考虑，同时也要有相应的保护措施。建筑工程抗震能力的提高，更应引起重视。从总体上看，房屋建设以增强房屋抗震能力、加强建筑工程加固措施、提高房屋结构抗震性能为首要任务，具体有以下一些加固方法。

（1）混凝土代入法。是将建筑物的缺陷部分换成新混凝土的一种加固方法。施工前，首先对建筑施工区域进行清理，对加固部位外围实施临时支架。为了保证施工的安全和质量，加固部位周围的结构在进行施工时，一旦受到影响，可能需要进行临时加固。在建筑工程的结构加固中采用混凝土替代的方法，虽然存在工程量大、施工要求高、作业时间长等缺点，但对建筑的原貌和原有结构布局不会产生任何影响。如果建筑工程密實度达不到标准，或者混凝土强度太低，质量就会变差，可以考虑用混凝土替代的方式。

（2）加高截面的加固方式。与传统的加固方式相比，在房屋建筑工程施工中，普遍采用加高截面的加固方式，其优点是成本低、施工简便、耐受力可靠。增加混凝土结构或扩大构筑物截面面积，是增加截面加固法的根本原理，目的是提高房屋建筑的承载力。因此，施工人员在具体应用这种方法时，首先要对建筑物的实际情况有所了解，对这些构件进行合理的加固处理时，对房屋建筑的结构承受力，如板梁柱、混凝土结构等，都要计算得比较清楚。如屋舍内易发生弯梁截面和柱正截面，可对梁正截面和柱正截面进行抗剪加固，以提高地基承载力，扩大基底面积，从而有效防止屋舍内梁、柱弯曲现象的发生。

（3）房屋加固常用钢板法。它通过使用黏合剂在最薄弱的加固部位粘贴钢板，目的是使钢板和部件融合在一起，使这个部位的承重能力得到提高。由于工期短、工艺简单成熟、成本低、工艺先进等一系列优点，钢板法在建筑工程加固中广泛应用。

（4）加固纤维增强复合材料。这种加固方式是指将碳纤维单向织物布复合材料粘贴在需要加固的构件表面，以提高构件的承重能力。通过使用改性环氧树脂胶，可使构件表面牢固地粘贴碳纤布或碳纤板，使结构承载力得到加强。纤维复合加固的应用优点是耐腐蚀，耐潮湿、重量轻、寿命长、维护费用低。混凝土修复治理要落实到位。在处理时，需要先打磨部件的外表，把碳化层去掉。构件表面若有裂纹，需用环氧树脂胶水封死。如果某一部件被风化冲刷，则需进行修补混凝土的工序。在对受损部位进行修复时，应清除破损部位，并采用高分子水泥砂浆修复。各种受力性能的混凝土构件，包括梁、板、柱、墙等，都可以采用纤维复合加固。

（5）喷射法是利用动力源（如压缩空气）通过喷射机对定量配比的材料进行高速喷射，使材料迅速凝结并硬化在加固部位的一种喷射法。这种材料具有优异的黏合力和耐久性，同时还具有很好的力学性能，能有效增强结合面的承载力，对拉力和剪切力的承受能力也有很好的提高作用。

3 房屋建筑工程的结构加固和重建需要实施的原因分析

3.1 忽视房屋结构耐久性

据相关研究显示，影响房屋建筑毁损的因素，除了施工、材料等因素外，建筑耐久性设计不合理也会造成房屋毁损。从某种程度上说，直接影响了正常的建筑使用。在长时间的使用过程中，房屋建筑会直接受到雪载、风载等外部环境的影响，同时也会受到一些化学物质的腐蚀，建材各方面的功能也会随着时间的推移而逐渐减弱，从而不同程度的损坏房屋建筑结构等。

3.2 忽视房屋的使用年限

设计出科学合理的建筑结构是房屋建筑工程的首要任务。大多数设计专业人员平时对房屋建筑的质量、承重等方面都非常重视。但是，在对房屋建筑使用时长的考量上，却存在疏漏之处。虽然在一定程度上能够达到对房屋荷载强度的要求，但是在使用年限上却存在着一系列的缺失。通过加固房屋建筑结构，以便于房屋建筑符合使用年限的规定。

如何对结构损伤程度进行科学评估，采取有效的处理措施，延缓其损伤进程，延长其寿命，成为工程界热切关注的热点问题，也是当前工程界的一大热点问题。在工程界的研究中，结构鉴定和加固改造技术进步非常显著，处于空前地位。

3.3 我国开展研究的时间较晚

在国内研究CFRP材料加固与修复结构技术的时间比较晚。CFRP加固修复建筑结构研究始于20世纪90年代后期，国内众多科研机构近年来对CFRP加固修复混凝土结构性能开展了大量研究，成果丰硕。但从总体上看，调研课题仍相对基础，内容偏窄，反复调研的方式处在较低层次上。我国1997年正式开展的FRP补强加固钢筋混凝土构件研究工作，是由国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早开展此项工作的。随后，FRP加固结构的研究也在多所高等院校和科研单位展开。

我国于2000年成立纤维增强塑料（FRP）及工程应用专业委员会，中国土木工程学会混凝土与预应力分会，并举办了四次全国性的FRP学术会议，对国内FRP加固混凝土结构理论与应用研究有了较大的推动作用。《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS 146：2003）》由中国工程建设标准化协会于2003年5月发布实施。碳纤维加固混凝土结构这一新技术在国内的推广和应用起到了积极的导向和规范作用，而与之相关的其他规范也呼之欲出。

粘钢加固法是采用特殊的建筑结构黏合剂，在构件表面粘贴钢板进行加固的方法，以提高结构构件的承载力。粘钢加固法的钢板与其他直接加固法相比，钢板很薄，所以不容易观察到粘钢加固法构件的二次受力特点。

3.4 我国粘钢加固结构的快速发展阶段

我国工程界起步较晚的是粘钢加固结构，1978年才第一次使用结构胶加固粘钢结构。此后，在实际工程中逐步扩大了这一加固技术的应用。《混凝土结构加固技术规程（CECS 25：90）30》由建设部于1991年发布，对粘钢加固、外包钢加固的设计和施工具有指导意义。

我國部分高校和科研单位从20世纪80年代开始，就广泛开展钢筋混凝土结构或构件加固的试验研究和理论分析工作。目前基本以试验研究为主的粘钢加固技术研究包括：

（1）静载试验研究粘钢加固构件；（2）动载试验研究粘钢加固技术；（3）分析粘贴层受力情况。对粘钢加固钢筋混凝土梁的受力机理，同济大学黄勤等进行了实验与理论研究；针对不同卸载时混凝土梁粘钢加固正断面承重的计算，武汉大学的王天稳进行了实验研究；混凝土粘钢补强用结构胶的耐久性研究由北京建工学院蔡光汀等人完成。

综上所述，粘钢加固构件的静载试验研究工作，已在国内外开展。该研究主要关注粘钢构件在试验过程中受到各种不同因素的影响，包括极限强度、开裂荷载、刚度、变形、延性、破坏类型等对粘钢构件结构性能的影响。包括以下内容：钢板厚度、胶层厚度、混凝土强度、黏结剂性能、锚固形态等。

结构加固技术目前国内外的研究大多集中于采用一种材料，采用两种或两种以上的材料比较少。虽然有多种加固方式可供选择，但在不影响结构美观的情况下，粘贴钢板加固方式具有易锚固、施工方便、周期短、占用空间小、对环境影响小等诸多优点。因此，同时使用这两种材料复合加固结构具有更广阔的应用前景，而对其进行试验研究也就具有很好的理论意义和工程实用价值。

4 钢材的徐变

试验研究结果表明，在徐变条件下，钢结构与零件的强度往往不取决于材料的屈服极限或强度极限，而是由在给定的工作期限和温度下导致破坏的应力，即长期强度极限所决定的。钢材在徐变条件下的破坏可能具有不同的性态，许多徐变破坏发生于大变形情况下（20%～30%，甚至更多），并伴随着颈缩现象，这种破坏具有韧性性质，称为韧性破坏；有时徐变破坏在小变形下发生（可能小于1％），且破坏前不形成颈缩，可称为脆性破坏。韧性破坏通常对应着较高的应力和较短的破坏时间，而较低的应力和较长的破坏时间则有脆性破坏的可能性，因此，韧性破坏的发生时间会相对较长。一般认为，前者与晶内滑错有关，而后者是晶间裂纹的形成和发展的结果，当然，有时破坏也可能同时具有上述两种特点。

直接从试验来研究钢材的徐变破坏时间是一项困难和费时的工作，因此许多研究者试图根据较容易获得的徐变资料来估计钢材和零件的破坏时间。

由于在常温下较大应力时，钢材存在徐变的特性，同时也必然存在松弛特性。因此，我国新的《混凝土结构设计规范》GB500102002对预应力螺纹钢在预应力损失中的松弛损失做出了相应的规定，以保证结构的安全适用规范设计。

5 结论和展望

很多工程材料的变化特征非常明显。经检测发现，这些物质可能存在数倍甚至数十倍的弹性变形。另外，由于采用弹性力学方法所得到的应力比徐变断裂时要低得多。结构的正常运转有时会受到材料徐变的严重干扰，甚至可能造成结构的破坏，引起更大的破坏。因此，研究材料的徐变性质对于安全、经济地设计结构意义重大，目前国内外结构加固材料的研究大多采用一种材料，而采用两种或多种材料进行加固的研究较少。笔者认为，对钢板与CFRP复合加固材料的徐变进行研究，对于确定该复合加固材料中CFRP在各种应力水平下的徐变变化规律，以及在预张拉CFRP过程中应力损失的计算，对其混凝土结构和CFRP加固钢结构的应用加固、结构修复加固工程能够提供重要的理论依据是十分必要的。

因此，通过研究碳纤维布与钢板粘贴后的复合物的徐变性能，将修复材料的徐变控制和优化考虑到温度、湿度、时间、受力大小、碳纤维布增强塑料（CFRP）含量和黏结剂等因素。所以要分析研究它的徐变性能，就需要在不同的条件下有具体的测试方法。

参考文献：

［1］卢亦焱，易越磊.粘接碳纤维材料加固混凝土结构设计方法［J］.特种结构，2002，19（1）：5357.

［2］王文炜.纤维复合材料约束钢筋混凝土梁抗弯性能研究［D］.大连：大连理工大学，2003.

［3］饶欣频.外贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的徐变试验研究［D］.湖南大学，2006.

［4］Meier U.Strengthening of Structures Using Carbon Fiber/Epoxy Composites.Construction and Building Materails，1995，9（6）：341351.

［5］陶忠，于清.FRP约束混凝土柱徐变特性的理论分析［J］.工业建筑，2001，31（4）：1216.

［6］于清，韩林海，张铮.长期荷载作用对FRP约束混凝土轴心受压构件力学性能的影响［J］.中国公路学报，2003，16（3）：5863.

［7］郭永昌，李丽娟，刘锋.碳纤维布加固混凝土构件的探讨［J］.广东工业大学学报，2002，3：5659.

［8］任慧韬，胡安妮，赵国藩.碳纤维布片材的徐变性能试验研究［J］.工程力学，2004.

项目：2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：碳纤维布与钢板粘结后的复合材料徐变性能研究项目资助，项目编号：2021KY1168

作者简介：田育丰（1979— ），男，汉族，甘肃定西人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为建筑新工艺。