大连理工大学网络教育学院

本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题    目：    建筑结构加固综述      

学习中心：                    

                层    次：     专科起点本科      

专    业：       土木工程      

年    级：        年  季        

学    号：                  

学    生：                      

指导教师：                    

完成日期：   2022年7月25日    

内容摘要

随着我国经济的发展，在大规模的城市建设的同时，旧城改造项目也在不断的增加，既有建筑的改造加固被提升到了我国城市建设的显著位置，为了满足新的使用功能要求部分老建筑在改造过程中需要采取必要的加固措施。其次，有一部分已建建筑及新建工程由于设计施工过程中种种原因导致工程质量存在着一定缺，需要进行结构加固改造后才能使结构能够在使用过程中做到安全、可靠。本文以此作为基础，对建筑结构加固方面进行较为深入的研究和分析，对建筑结构加固的目的、重要性以及方法等进行总结，希望通过本文的研究能够为我国建筑结构加固领域带来具有价值的参考和借鉴。

关键词：建筑加固；建筑改造；结构分析

目     录

内容摘要... I

引   言... 1

1  绪论... 1

2  结构加固的重要性和常用方法... 2

2.1  结构加固的原因和重要性... 2

2.2  结构加固的常用方法... 2

2.2.1  粘钢加固法... 2

2.2.2  加大截面加固法... 3

2.2.3  外包钢加固法... 3

2.2.4  预应力加固法... 3

2.2.5  增设支点加固法... 4

2.3  与结构加固配套使用的技术... 4

3  新型加固方法的研究及工程应用... 6

3.1  新型加固方法简介... 6

3.1.1  FRP复合材料加固法... 6

3.1.2  钢绞线加固法... 6

3.2  新型加固方法的应用... 7

3.2.1  FPR在土木工程中的应用... 7

3.2.2  钢绞线加固的应用... 9

4  工程实例分析... 10

4.1  工程概况... 10

4.2  加固采用桥梁技术标准... 10

4.3  加固依据及资料... 10

4.4  加固设计要点... 10

4.5  加固方法... 11

4.5.1  主拱圈... 11

4.5.2  拱上建筑... 11

4.5.3  桥面... 12

4.5.4  桥台及基础... 12

4.6  桥梁加固施工顺序... 13

4.7  加固主要材料... 13

4.8  施工方法、要点及注意事项... 14

5  结构加固有待解决的问题... 16

5.1  加强对加固基础理论的研究... 16

5.2  重视加固技术的研究与交流... 16

5.3  加强维修加固决策的研究... 16

5.4  建立和完善混凝土结构加固的技术标准... 16

5.5  加强对新型加固材料和产品的技术研究与开发... 16

5.6  加强混凝土结构加固的软件开发... 16

6  结论与展望... 18

参考文献... 19

引   言

在发展迅速的城市建设中，建筑是城市即现代建筑都诉说着城市的演变，而对不同时期的建筑群出现的结构问题，或是功能性的改变需要不同的维修加固方法来延续建筑的价值，而建筑结构的鉴定也是密不可分的。

建筑物、构筑物因出现功能性改变，如接建、增加荷载等，或出现质量问题，如混凝土强度不够、配筋不足、灾后修补等，都需要进行加固。其加固施工及加固方案的制定尤为重要，对于需要加固的建筑物、构筑物，应根据建筑物、构筑物的不同情况制定不同的加固方案。方案的确定要遵循安全、经济、快捷、施工方便的原则，只有这样，加固工程才能收到良好的社会效益和经济效益。建筑结构的鉴定与之密不可分，是保证加固成果的重要手段和措施。

1  绪论

建筑物维修加固的目的主要是提高结构构件的强度、刚度、稳定性和耐久性，恢复结构的使用功能和安全性，减少事故隐患，延长结构使用寿命。结构加固作为工程结构的一个重要分支，近年来取得了长足的发展。

我国从50年代起就开始了混凝土结构的加固处理。几十年来，这门技术的发展非常迅速。目前已经相继颁布《混凝土结构加固技术规范》、《建筑抗震加固技术规程》等规范，这些规程的制定，对促进我国混凝土结构加固技术的发展和应用起到了很大的推动作用。

但是多年来，人们习惯于已有的加固经验，在混凝土结构加固实践中往往就事论事，缺乏深层次的理论研究与探索，加固水平提高不快。我国传统的混凝土结构加固方法虽已形成了比较系统、配套的工艺和技术，但总的来说，工艺仍然相对落后，技术含量偏低。具体表现在以碳纤维为代表的新型材料在加固工程中的应用还不普及，相关的设计、施工还存在很多问题。其次，检测设备技术水平低，与发达国家相比，在检测软件及设备系统方面存在着较大的差距。

2  结构加固的重要性和常用方法

我国现有建筑中，由于各种自然、人为灾害以及旧建筑功能限制等原因，建筑加固修复业近年来迅速发展。特别是随着我国经济发展和人民生活水平的提高，旧城改造几乎成了各大、中城市的共同问题^[1]。我国混凝土结构常用的加固方法主要有5种——粘钢加固，加大截面加固，外包钢加固，预应力加固及增设支点加固法等，另外还有托换技术、植筋技术、裂缝处理技术和结构表面处理技术等4类主要技术。

2.1  结构加固的原因和重要性

建筑物维修加固的目的主要是提高结构构件的强度、刚度、稳定性和耐久性，恢复结构的使用功能和安全性，减少事故隐患，延长结构使用寿命。结构加固作为工程结构的一个重要分支，正方兴未艾，近年来取得了长足的发展。过去，人们把加固视为修修补补，“头痛医头。脚痛医脚”，缺少系统的分析和理论探讨。近十余年来，结构加固技术发展迅速，已经逐渐发展为一门新的学科。

混凝土结构加固的原因主要有以下几个方面^[2]：1）设计基础资料和设计方法不准确，导致设计出来的建筑物存在着安全问题；2）施工方法的错误、施工管理的不善及偷工减料等原因，使建筑物存在质量问题；3）由于高湿酸碱环境、温差、冻融等影响以及地震、流沙等自然灾害的作用，导致建筑物发生严重损坏；4）设计规范的修订和设计标准的提高，按原规范标准设计的结构将不能满足设计标准的要求；5）原有建筑物使用功能和要求的改变，需要对其进行改造、加固。

我国是一个自然灾害多发的国家，在二十世纪五六十年代修建的大批工业厂房、公用建筑和民用建筑的加固改造任务已经大量的提到日程上来。大量的桥梁工程由于交通量和荷载的增加、修建时间较长或原设计标准较低，已经出现严重的损坏，急需加固改造处理。据统计，到2018年我国建筑面积约为50亿平方米，其中约23亿平方米需分期分批进行鉴定和加固，近10亿平方米急需维修加固才能使用。总之，大规模建设之后，结构加固将成为建设的主角，无论是从历史文化保护角度还是对居住安全耐久性等角度，结构加固将变得尤为重要。

2.2  结构加固的常用方法

2.2.1  粘钢加固法

粘钢加固法原理是在混凝土构件表面胶粘特制钢板，以提高混凝土构件承载能力的一种加固方法。适用于受弯或受拉构件，包括梁、板、桁架等。该方法的优点是施工快速、现场无湿法作业或仅有抹灰等少量湿作业，对生产和生活的影响较小，且加固后对原构件外观和原有净空间无显著影响。不足之处在于加固效果在很大程度上取决于胶结工艺和操作水平。

混凝土粘结钢板必须满足3个因素：（1）被粘结表面必须清洁。（2）环氧至少有混凝土强度的粘结强度。（3）为避免脆性的板分离破坏，板必须长而薄，或采用足够的锚固，来充分发挥钢板的性能。

2.2.2  加大截面加固法

加大截面加固法的原理是采用同种材料增大混凝土结构或构件的截面面积，以提高结构或构件的承载能力和变形能力。适用于梁、柱、板、墙等一般结构的加固。该方法的优点在于施工工艺简单、适应性强、且具有成熟的设计和施工经验。缺点是现场施工的作业时间长，对生产和生活有一定影响，且加固后的建筑物净空间会有一定的减小。

加大截面法的加固效果与原结构在加固时的应力水平，结合面构造处理，施工工艺，材料性能及加固时是否卸载等因素直接相关。加大截面法在设计构造方面必须解决好新加部分与原有部分的整体工作共同受力问题。

2.2.3  外包钢加固法

外包钢加固法是一种在混凝土构件四周或两个角部包以型钢的加固方法。具有受力可靠、施工简单、现场工作量小等优点。缺点在于用钢量较大，且不易在无防护的情况下用于以上的高温场所^[3]。

外包钢加固分为湿式和干式两种情况。湿式外包钢加固外包钢与构件之间采用乳胶水泥粘贴或环氧树脂化学灌浆等方法粘结，以期型钢与原构件能整体工作共同受力；干式外包钢加固型钢与原构件之间无任何粘结，有时虽填有水泥砂浆，但并不能确保结合面剪力和拉力的有效传递，外包钢架与原构件不能整体工作，彼此只能单独受力。

2.2.4  预应力加固法

预应力加固包括预应力拉杆加固和预应力撑杆加固两种形式。适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性的混凝土结构，它同时具有卸载、加固及改变结构受力三种功能。预应力加固法克服了采用其他方法加固时加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点，保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作^[4]。并且具有施工简便、不占用空间等特点，是一种经济的加固方法。

外加预应力加固法的优点为：（1）施工方法简单、成熟；（2）用户X射线或其他无损检测技术可以在结构运行期检验；（3）拉杆或绞线可替换。该方法的缺点源于结构的外部，易于锈蚀、易燃、外观已损坏。外部施加预应力系统对外界侵蚀成分与防火的保护通常采用外包混凝土或喷射混凝土。其锈蚀问题可通过使用纤维加筋塑料来解决。但目前对纤维加筋塑料的机械性能并不十分了解，还有待进一步研究。

2.2.5  增设支点加固法

   增设支点可以大大减少结构构件的计算长度、计算弯矩，大幅度地提高结构和构件的承载力，减少挠度，缩小裂缝宽度，达到加固原结构的目的。该方法简单可靠，适用于梁、板、桁架、网架等水平结构的加固，缺点是使用空间受受到一定的影响。

增设支点法按支承结构的变形性能，又分为刚性支点和弹性支点两种情况。刚性支点法是通过支承结构的轴心受压或轴心受拉将荷载直接传给基础或柱子的一种加固方法。弹性支点法是以支承结构的受弯或桁架作用间接传递荷载的一种加固方法。

2.3  与结构加固配套使用的技术

（1）换托技术

换托技术为托梁拆柱、托梁接柱和托梁换柱等技术的概称；由相关结构加固、上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成；适用于已有建筑的加固改造；与传统做法相比，具有施工时间短、费用低、对生活和生产影响小等优点，但对技术要求较高，需由熟练工人来完成，才能确保安全。

（2）植筋技术

植筋技术为一项对混凝土结构较简捷、有效的连接与锚固技术；可植入普通钢筋，也可植入螺栓式锚筋；已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程，如施工中漏埋钢筋或钢筋偏离设计位置的补救，构件加大截面加固的补筋，上部结构扩跨，房屋加层接柱和高层建筑增设剪力墙的植筋等。

（3）裂缝修补技术

裂缝修补技术为根据混凝土裂缝的起因、性状和大小，采用不同封护方法进行修补，使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复的一种技术；适用于已有建筑物中各类裂缝的处理，但对受力性的裂缝，除修补外，尚应采用相应的加固措施。

（4）碳化混凝土修复技术

碳化混凝土修复技术是通过恢复混凝土的碱性（钝化作用）或增加其阻抗而使碳化造成的钢筋腐蚀得到遏制的技术。

（5）混凝土表面处理技术

混凝土表面处理技术是指采用化学方法、机械方法、喷砂方法、真空吸尘方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油迹、残渣以及其他附着物的专门技术。

（6）混凝土表层密封技术

混凝土表层密封技术是指采用柔性密封剂充填、聚合物灌浆、涂膜等方法对混凝土进行防水、防潮和防裂处理的技术。

3  新型加固方法的研究及工程应用

近年来，随着新材料、新成果、新技术在加固领域的应用，加固方法也越来越多，例如FRP复合材料加固法，包括CFRP、GFRP和AFRP，内嵌筋材加固法，高强不锈钢绞线网加固法等等^[5]。

本章主要就一些新的加固方法进行详细分析，阐述其主要概念、作用原理，工程应用及优缺点等内容。

3.1  新型加固方法简介

3.1.1  FRP复合材料加固法

FRP(fiber reinforced plastics)复合材料主要有碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)及玻璃纤维(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同优点是:轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。另外,FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,虽然其前期投资较大,但维护成本低,经济效益明显。因此,FRP(片材)复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。

粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构表面，与原建筑结构共同作用，以提高混凝土结构的承载能力，达到对建筑结构的加固、补强目的。CFRP是碳纤维增强聚合物的简称，它是由环氧树脂粘接高抗拉强度碳纤维束而成，具有施工工期短、施工方便、强度高、效果好、自重轻、抗腐蚀、对基层要求低、施工费用低等优点。

碳纤维材料具有优良的力学性能，其强度为普通钢材强度的10倍以上，但当纤维织成纤维布后在受力时各碳纤维丝很难同时共同发挥作用，纤维丝因无法同时受应力而逐根断裂，无法发挥碳纤维布的整体作用力和碳纤维的高强性能。当使用高强粘结剂后，每根碳纤维因粘结剂固化而很好的共同发挥作用，较完整的发挥了每根碳纤维的高强力学性能，同时也能保证与原混凝土结构共同工作，从而达到补强的目的。

3.1.2  钢绞线加固法

高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固技术是一项新型的加固技术，其中使用的主要材料为高强不锈钢钢丝绳网片或高强镀锌钢丝绳网片、聚合物砂浆、界面以及固定销等。高强不锈钢钢丝绳网片具有强度高、施工方便等优点。聚合物砂浆具有良好的粘接性能和耐久性能。高强不锈钢钢丝绳网片加固技术可以提高混凝土土梁、板的抗弯和抗剪的承载力，提高粱、板的抗弯强度，对混凝土梁、板构件的裂缝的产生和发展有明显的抑制作用；高强不锈钢钢丝绳网片技术还可以提高混凝土柱的抗压以及抗剪承载力，可以提高混凝土柱的轴压比，并且可以增加混凝土构件的耗能能力，可以提高混凝土剪力墙以及砖砌墙体的抗压和抗剪承载力，并且可以控制墙体裂缝的发展。

3.2  新型加固方法的应用

3.2.1  FPR在土木工程中的应用

 将FRP片材粘贴在构件表面受拉，可以增强构件的受力性能。早在20世纪80年代，这项技术在我国的工程实践中就曾尝试过：云南海孟公路巍山河桥的加固中采用了外贴GFRP内夹高强钢丝的方法，此后在湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等处，都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固，但这项技术在我国的发展缓慢。而在80年代，瑞士联邦实验室的Meier等人对FRP板代替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究，并在1991年用CFRP板成功地加固了瑞士的Ibach桥。此后，FRP片材加固混凝土结构技术的研究在欧洲、日本、美国和加拿大等国得到迅速发展，并在实际工程得到较多的应用，特别是美国北岭地震和日本阪神地震后，FRP加固技术的优越性在已损坏结构的快速修复加固中得到了很好的验证。尤其是EB-FRP法(外部粘贴FRP片材加固),最多是应用在钢筋混凝土结构,包括框架梁,柱,节点,桥梁,桥面板,墙体,管道,烟囱,遂道以及海洋结构,近海结构等。

加固的目的如下：

a.增强梁的抗弯,抗剪强度,改善其耐疲劳性能,限制裂缝的开展,减小变形。

b.提高柱的抗弯,抗剪,抗震能力,改善柱的延性。

c.减小板的挠度和裂缝,增强抗弯承载力。

d.增强墙体的整体性能,限制墙体开裂,提高持荷能力,包括加固剪力墙及砖墙等。研究表明，EB-FRP加固砌体结构效果良好。众多的古建筑都是砌体结构，而EB-FRP法由于体积小，基本不改变建筑效果，因此对历史文物的保护有重要意义。

e.加固钢结构，增强钢结构的稳定性，提高承载力以及抗循环荷载的能力，这项研究目前已在日本广泛展开。

(1)FRP布缠绕加固混凝土柱，通过约束混凝土提高混凝土强度和变形能力，并可提高柱的抗剪能力。这是FRP布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到国内外大量试验的验证，而且各种FRP片材均有效。但研究表明，FRP对混凝土柱的约束效果与截面形状有很大关系，对于矩形截面柱一般只能提高变形能力和抗剪能力，而对受压承载力的提高有限，正常加固量下一般不超过25％。但如果将截面形状适当处理成有一定弧度，则可显著提高受压承载力。

(2)在梁、板受拉面粘贴FRP片材，提高其抗弯承载力，并可使裂缝得到有效控制。这种加固形式在国内应用较多，但从加固效果来看存在以下一些问题：FRP片材的受拉作用只是在受拉钢筋屈服以后才能得到有效发挥，而此时梁和板的挠度变形一般已很大，因此FRP片材用于受弯加固通常只能作为一种安全储备；加固后受弯承载力提高程度与加固前梁板的原有配筋量有很大关系，且FRP的强度一般不能得到充分利用；FRP片材用于受弯加固时易产生剥离破坏，应充分注意采取抗剥离的构造措施。为了提高受弯加固效果，采用预应力方法可以获得较好的效果，我国已成功开发出预应力CFRP布张拉设备和加固技术。FRP加固可有效控制裂缝的开展，尤其在梁的侧面粘贴FRP条带，可控制梁腹配筋不足导致裂缝过大的情况。

(3)对梁、柱构件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，提高其抗剪承载力。这种加固形式也较为有效，不过同样需注意其提高程度与原构件配箍率有关，且FRP片材强度的发挥一般只有20％～40％。此外，对于U形或侧面粘贴加固，剥离破坏仍是主要破坏形式，因此，FRP与混凝土界面间的剥离是非常值得深入研究的问题。

目前虽然FRP片材加固混凝土结构已得到广泛应用，但仍有许多问题值得深入研究，主要有：界面粘接性能和剥离、疲劳性能、二次受力、防火问题、耐久性以及环境影响等。对于隧道、涵洞、烟囱、壳体接构等特种结构的加固，粘贴FRP片材有很大优势，研究工作在我国已有开展，但还较少。

FRP片材的截面积较小，使得加固效果受到影响，因此近年来采用FRP网格材加固、FRP筋表面嵌人式加固技术以以及FRP索体外预应力加固在国内外有较多的研究和应用。 除了用于混凝土结构加固外，FRP也可用于砌体结构、木结构和钢结构的加固，这方面的研究和应用工作目前国内也有开展。FRP对于钢结构的加固包括无初始缺陷构件的加固和有初始缺陷钢梁的加固。加固的效果主要体现在疲劳寿命、极限承载力、屈曲荷载和耐腐蚀性能的提高，其中通过试验表明，疲劳性能的提高非常显著。在西方国家用FRP加固铸铁结构应用也较多。总体上，我国对FRP加固钢结构的研究还处于起步阶段，仍需进行深入的研究。

另一个值得注意的问题是，FRP材料直到破坏都基本表现为线弹性，这与传统的钢材和混凝土的力学性能有很大差别，因此采用这种材料加固以及直接作为构件、组合构件或结构，其极限状态、设计方法和可靠度问题，以及设计指标都需重新考虑。

3.2.2  钢绞线加固的应用

京沪高速铁路土建工程六标段五工区三作业区，施工范围为丹阳至昆山特大桥阳澄湖桥段(2)DK1245+829～DK1252+017.79段，主要为桩基、承台、墩柱、上部连续梁施工。总长6.189km。DK1245+829～DK1246+867.83段处于阳澄湖湖区，为水上作业。

京沪高铁设计时速为350km/h，初期运营速度300km/h。正线数目为双线，线间距为5米，采用高架桥形式。设计使用年限100年。 三作业区位于苏州市阳澄湖区，该段在正仪镇所辖范围内。经过地区均为平原地区，多为农田、村庄、河流，道路众多，沟渠纵横，湖泊密布。地质情况复杂，桩基础施工采用反循环旋转钻孔施工工艺。  

本作业区混凝土结构物设计体积较大，承台、墩柱各有193个，最小尺寸承台为10.5m×5.6m×2m，最大尺寸承台为:18.2m×10.4m×3.5m，墩柱高度从7.5m—21.5m，截面3×2.2m，下部混凝土构造属于大体积混凝土施工，大体积混凝土施工对模板和模板施工工艺要求较高，因此作业区下部构造模板全部使用大块组合钢模板，对拉方式也全部采用新式的钢绞线对拉工艺。

钢绞线对拉工艺的优点：

（1）对拉钢绞线具有极强的对拉力；

（2）对拉钢绞线可以任意弯曲，特别适用于大体积混凝土结构物和作业面限制的情况，杜绝了拉杆遗留在结构物中的弊病，保证了混凝土构造物的施工质量和耐久性。

（3）通过对拉钢绞线的预张，钢绞线的张拉力可以抵消混凝土荷载和施工荷载（浇筑前钢绞线的张拉力可由内撑钢管等平衡），从而可以保证浇筑时钢绞线零长，模板不变形，保证大体积混凝土的尺寸和外观。