砼结构加固设计

砼结构加固设计张浩二OO九年九月前言应院结构专业委员会的要求，给大家作一次结构加层加固设计方面的讲座。大家都知道，工程的加层加固设计比较麻烦，大部分人不愿意做这项工作，但有时候是不得不做的。虽然碰到的不多，但碰到时往往感觉到无处下手，特别是对于年轻同志来说更是如此。工程加固设计有它的特殊性，要照顾到工程的现状，不像新设计那样方便。加固方案一要可靠，二要施工简便，三要经济。同一个工程可能会有不同的加固方案，但最合适的方案可能会达到事半功倍的效果。加固设计的内容很多，本人由于日常的生产任务很重，没有更多的时间投入到这个讲座中，所以这次只讲钢筋砼结构的加固，对于砌体结构和地基等的加固这次没有涉及。另外也是由于时间的问题，这次讲座没有附图（原计划是要附图），这是一件很遗憾的事情，大家可以参阅加固规范和有关的参考书，如果图文并茂效果会更佳，但工作量会太大，时间上不允许，请大家谅解。这次讲座中，根据自己对规范的理解，提出了一些实用的、近似的计算方法，因为没有与同行交流，不知道是否正确？请大家学习后批评指正。目录第一部分加固的基本要求一、加固的原因二、加固的目的和标准三、加固的原则四、加固材料的基本要求第二部分常用的几种加固方法一、加大截面加固法二、外粘型钢加固法三、粘贴钢板加固法四、粘贴纤维复合材加固法五、外加预应力加固法六、增设支点加固法七、置换砼加固法第三部分常用的几种加固技术一、植筋技术二、锚栓技术三、砼缺陷的处理第四部分构件的加固方法一、板的加固二、梁的加固三、柱的加固四、剪力墙的加固五、基础的加固第五部分工程加固设计实例简介一、驭腾大厦加层加固二、中联西北院东办公楼加层加固三、陕西省人大办公楼加层加固四、连云港开发区复合纸品厂单层厂房加固五、西安方欣食品厂快捷酒店加层改造六、中航631研究所辅楼改造七、西安交大第一附属医院水塔加固八、陕西汽车制造厂住宅楼地基加固九、第二炮兵工程学院学员宿舍楼地基加固十、中建西北院南办公楼加层第一部分加固的基本要求一、加固的原因1、勘察、设计和施工中出现了问题：这种工程实例很多，不用举例说明。2、使用功能改变：象改建、扩建、加层等，由于荷载的改变，导致结构内力变化，需要加固。3、自然灾害与偶然事故：象地震、风灾、火灾、水灾、爆炸、滑坡等，比如去年的汶川大地震后，大量的破损房屋都要进行维修和加固。4、结构的耐久性降低：比如西安南郊某医院的水塔支架出现裂缝，使该构筑物的耐久性降低，最后采用了加大截面加固法。二、加固的目的和标准加固的目的就是提高结构的安全度，满足正常的使用要求。提到安全度就牵扯到加固后的安全等级问题；提到正常使用就牵扯到加固后的使用年限问题。关于加固后结构的安全等级问题，要根据结构破坏后的严重性、结构的重要性和加固设计的使用年限，由委托方和设计方按实际情况共同商定。这主要是由于加固前原结构服役时间各不相同，加固后结构功能又有所改变，因此不能直接沿用其新建时的安全等级作为加固后的安全等级，也不能一刀切统一定一个安全等级，要视具体情况由双方商定。关于加固后结构的设计使用年限问题，要由委托方和设计方按实际情况共同商定，一般情况下宜按30年考虑，到期后可重新进行可靠性鉴定，若正常仍可继续延长使用年限，这与咱们新设计的设计使用年限为50年一样。但是要注意对使用胶粘方法或掺有聚合物加固的结构构件，尚应定期检查其工作状态，检查的时间间隔可由设计单位确定，但第一次检查时间不应迟于10年。对于加固设计来说，还要面临一个问题：就是要满足哪一本规范算是满足要求？由于加固的楼往往是按照老规范设计的，因而安全度比按现行规范设计的楼低，那么加固设计是要满足老规范还是要满足现行规范？能否比现行规范适当降低？一般来说是要满足国家现行规范和标准的要求。现行规范包括现行的设计规范和现行的《砼结构加固设计规范》GB50367二者相互补充。设计计算的原则和方法是要按照现行的设计规范，有一些特殊的规定是要按照加固规范来执行。这里要特别注意加固规范中有一些调整系数与现行设计规范不同，不同的系数有着不同的原因。结构构件的尺寸取值，对原有部分应采用实测值，对新增部分采用设计值。原结构构件的砼强度等级和钢筋的抗拉强度标准值要按下列规定取值：当原设计文件有效，且不怀疑结构有严重的性能退化时，可采用原设计的标准值；当结构可靠性鉴定认为应重新进行现场检测时，应采用检测结果推定的标准值。有资料介绍，在有充分依据的情况下，可以利用砼后期强度的增长。我们知道砼的强度取得是28天的强度，随着时间的推移它的强度还会提高，比如普通硅酸盐水泥砼90天的强度比28天大约可提高20%，在潮湿环境下提高得更多，提高的强度在特殊情况下是可以利用的，一般加固设计中不利用这部分强度，把它作为安全储备奉送给结构。当然新设计的结构计算中没有考虑这部分强度，为了使加固设计与新设计具有相同的安全储备，建议不考虑这部分强度。三、加固的原则加固设计的大原则是：技术安全可靠、经济合理、施工简便。具体来讲还要遵循以下原则：1、加固设计前应按照《工业厂房可靠性鉴定标准》GB50144或《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292进行可靠性鉴定，当与抗震加固结合进行时还要按照《建筑抗震设计规范》GB50011或《建筑抗震鉴定标准》GB50023进行抗震能力鉴定，依据鉴定结果再进行加固设计。这一条在实际工程的执行中会遇到一定的困难，许多甲方不愿意做这项工作，设计院须要提前告知甲方，否则可能会遇到一些不必要的麻烦。2、应尽量保留和利用原有的结构和构件，避免不必要的拆除和更换，当然保留的部分要安全可靠。3、要考虑到施工的方便和施工过程中原结构的安全，必要时采用可靠的支撑。4、要保证新增构件与原结构连接可靠，新增截面与原截面的粘结要牢固，这样才能形成一个整体，共同工作。是否考虑和如何考虑加固部分应变滞后问题要视工程的具体情况来考虑，并应避免对未加固结构和构件造成不利影响，必要时可设置临时支撑等进行卸载处理。5、在可能条件下考虑建筑美观，尽量避免遗留加固的痕迹。四、加固材料的基本要求1、钢筋：宜选用比例极限变形较小、强度较低、可焊性较好的热轧钢筋，一般可用HPB235或HRB335级钢。当采用预应力加固法时可选用强度较高的钢材。当砼结构的锚固件为植筋时，应使用热轧带肋钢筋，不得使用光圆钢筋，这主要是由于光圆钢筋的锚固质量差，这一点要引起注意，特别是对于新加跨度较小的板。当锚固件为钢螺杆时，应采用全螺纹的螺杆，不得采用锚入部位无螺纹的螺杆。2、型钢、钢板、扁钢和钢管：宜选用Q235级碳素结构钢或Q345级低合金高强度结构钢。3、水泥：宜选用快硬、早强、收缩性小的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，最好采用早强型水泥或微膨胀水泥，水泥强度等级不应低于32.5，不宜低于42.5。4、砼：强度等级应比原结构提高一级，且不低于C20。当原结构的砼强度较高时，如采用与原结构相同的强度等级，必须采取技术措施以保证新旧砼之间有足够的粘结强度。5、螺栓：用Q235或Q345级钢制作。6、锚栓：用碳素钢或合金钢制作。7、浆液（环氧树脂浆液等）：浆液固化后，其与砼的粘结强度应高于被粘结构的砼抗拉强度和抗剪强度。8、纤维复合材：包括碳纤维布、碳纤维板、S玻璃纤维布和E玻璃纤维布。承重结构加固用的碳纤维，必须选用聚丙烯腈基（PAN基）12k或12k以下的小丝束纤维，严禁使用大丝束纤维。单层碳纤维布单位面积碳纤维质量不宜低于150g/m2，一般采用200~300g/m2，严禁使用大于300g/m2的碳纤维布，这是因为如果大于300g/m2，胶粘剂将很难浸透，即使能设法浸透，但对仰贴和侧贴的部位仍然保证不了施工质量，因为胶粘剂会大量流淌，致使碳纤维的层内和层间因缺胶而达不到设计所要求的粘结强度。碳纤维板的厚度不宜大于2.0mm，宽度不宜大于200mm，纤维体积含量不宜小于65%。选用纤维复合材时必须要有良好适配性的配套树脂类粘结材料及表面防护材料与之配套使用。9、粘结剂—结构胶：承重结构用的胶结剂，按其基本性能分为A级胶和B级胶，对重要结构、悬挑结构、承受动力荷载的结构构件应采用A级胶，对一般结构可采用A级或B级胶，这两个等级的主要区别在于其韧性和耐湿热老化性能的合格指标不同。承重结构用的胶结剂使用前必须进行强度安全性检验。一般加固用的胶结剂还必须通过毒性检验。在承重结构用的胶结剂中严禁使用乙二胺作为改性环氧树脂的固化剂，因为它是一种毒性大而又有脆性的固化剂。在寒冷地区加固砼使用的胶结剂应具有耐冻融性能试验合格的证书。浸渍、粘结纤维复合材的胶结剂必须采用专门配制的改性环氧树脂胶结剂。承重结构中不得使用不饱和聚酯树脂、醇酸树脂等作浸渍、粘结胶结剂，主要是由于这两种材料的耐潮湿和耐老化性能差。底胶和修补胶应与浸渍、粘结胶粘剂相适配。粘贴钢板、外粘型钢或植筋用的胶结剂也都必须采用专门配制的改性环氧树脂胶结剂。承重结构加固用的胶结剂，其钢-钢粘结抗剪性能必须经湿热老化检验合格。因为胶结剂都是有机物，因而都有一个老化问题，承重结构的使用年限要在30年以上，所以胶结剂的后期强度必须得到保证，而固化剂的性能在很大程度上决定着胶结剂长期使用的可靠性，所以湿热老化性检验是非常重要的。湿热老化检验检出不良固化剂的能力很强，劣质固化剂虽然不影响短期强度，但抗老化能力急剧下降。第二部分常用的几种加固方法常用的砼结构的加固方法可分为直接加固法与间接加固法。直接加固法包括加大截面加固法、外粘型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材加固法、置换砼加固法等；间接加固法包括预应力加固法和增设支点加固法等。一、加大截面加固法：加大截面加固法，就是加大构件的截面尺寸，由于截面的加大承载力自然就会提高。它适用于梁、板、柱、墙、基础等一般构件。优点是加固效果好、经济、适应面广；缺点是施工复杂，湿作业工作量大，工期长，对净空和美观有影响。比如构件超筋和墙柱轴压比超限时一般采用此方法，其他情况下就不一定用这种方法，因为比较麻烦。（一）设计规定1、从受力角度来讲，该方法适用于受压和受弯构件。2、原构件的砼强度不应低于C10。3、可按整截面一次计算。4、符合平截面假定，用于正截面计算。（二）加固计算1、计算原则加固受弯构件时，分为受拉区增大截面和受压区增大截面。当增大受压区截面时，变成了叠合式受弯构件，因而就采用现行砼规范关于叠合式受弯构件的计算方法。当增大受拉区截面时，加固规范给出了正截面和斜截面的计算公式，公式类似于砼规范的计算公式，只是新增的钢筋和砼强度给了一个折减系数，正截面受弯时钢筋的折减系数为0.9；斜截面受剪时钢筋的折减系数为0.9，砼的折减系数为0.7；轴心受压正截面计算时钢筋和砼的折减系数都为0.8；偏心受压正截面计算时钢筋和砼的折减系数都为0.9。从理论分析可以看出，加固构件的受力特征与加固施工是否卸载有关，当不卸载或部分卸载时，加固后的构件工作属于二次受力性质，存在着应变滞后问题，当完全卸载时（实际工程中完全卸载很难做到）加固后的构件工作虽属一次受力，但由于受二次施工的影响，其截面仍然不如一次施工的新构件，新增主筋在连接构造和受力状态上不可避免地要受到种种影响因素的综合作用，从而有可能导致其强度难以充分发挥。由于加固设计是按整截面计算的（一次受力），所以考虑这些折减系数是很有必要的。2、实用计算法由于加固规范给出的计算公式对于设计人员来说是比较烦的，必须借助于电算程序，08版PKPM系列程序已经增加了加固设计这一部分，但本人还没用过，不知是否好用？而老版的PKPM软件根本就没有加固设计这一部分，所以必须要用简单的近似方法。这种方法一要简单，可操作性强，二要近似度不能太大，满足工程设计的要求。以前我用了一种近似方法：仍然用PKPM系列软件来计算，就是计算时新加砼与旧砼等级相同，设计图是新比旧的高一级，这样就部分或全部冲减了砼强度的折减，由于新加的截面在总截面中占的份额一般不大，所以斜截面受剪时一般将计算出的需要加固的箍筋面积适当放大，以弥补砼强度冲减不够的部分，另外由于轴心受压的构件在工程中碰到得不多，遇到时再特殊处理；钢筋强度按受弯、受剪、偏心