建筑结构加固改造设计分析

文／刘史韬 广东省建筑设计研究院有限公司 广东广州 510000

引言：

建筑结构加固改造是一个关键的领域，涉及到现有建筑物的维修、改造和提升结构性能的问题。随着时间的推移，许多建筑物面临着老化、结构损伤或不符合新的设计要求的情况。在许多情况下，拆除和重建并不切实可行，因此，加固改造成为一种经济有效且可行的选择[1]。加固改造设计的目标是通过增强结构的强度、刚度和稳定性，提高建筑物的安全性、可靠性和使用寿命。在进行加固改造设计之前，必须进行全面的结构分析和评估，以了解现有结构的问题和潜在风险。根据结构分析的结果，可以制定相应的加固策略和设计方案。

1.加固改造设计基本原则和方法

1.1 结构加固的原则

结构加固的原则是在保持原有建筑结构整体稳定性和完整性的基础上，提高其承载能力、刚度和抗震性能。首先，合理利用和充分发挥原有结构的潜力。通过评估和分析原有结构的强度、刚度和耐久性等性能，确定其承载能力和改造潜力。在加固设计中，应尽可能保留和加强原有结构的优势，充分发挥其作用，减少对结构的破坏和改动。其次，根据结构的特点和需求制定合理的加固方案。加固方案应根据结构的工作状态、荷载特点、结构形式和使用要求等因素来制定。在选择加固方案时，应考虑技术可行性、经济性和施工可行性等方面的因素，并综合评估不同方案的优缺点。再则，采用适当的材料和技术进行加固[2]。根据加固设计方案的要求，选择合适的材料和施工技术进行加固工作。常见的加固材料包括钢材、纤维复合材料、碳纤维板等，而加固技术可以包括粘结钢板加固法、增大截面法、粘贴碳纤维布加固法等。最后，加固设计应考虑结构的可维护性和可操作性。在加固设计过程中，应充分考虑结构的维护和管理需求，确保加固后的结构能够方便进行日常维护和定期检查。此外，加固设计应尽量简化施工过程，提高施工效率，减少对现有使用的干扰。

1.2 加固改造方法

1.2.1 增加结构强度

为了提高建筑结构的强度，通过增加结构构件的截面尺寸或采用高强度材料，可以有效增加结构的抗弯、抗剪和抗压能力。此外，可以通过增加构件的数量或布置方式来增加结构的重力承载能力[3]。例如，在混凝土梁的底部增加钢梁承托或粘贴钢板加固以提高其承载能力。还可以通过加固构件的连接方式，如增加连接件的数量、使用高强度螺栓等，提高结构的整体强度和刚度。另外，使用钢筋混凝土套筒、纤维增强复合材料等加固材料进行包裹或加固某些薄弱部位，也是增加结构强度的有效手段。在增加结构强度时，应充分考虑结构的整体协调性和平衡性，避免出现局部过于强硬而引发其他问题。

1.2.2 增加结构刚度

结构刚度是指结构在受力过程中抵抗变形的能力，对于提高结构的整体稳定性和抗震性能至关重要。可以采用加固构件的方式，如在现有结构中添加钢梁、钢柱等加固构件，以增加结构的整体刚度，这种方法可以有效地提高结构的承载能力和刚度，使其能够更好地抵御外部荷载和地震力的作用[4]。刚性节点是指在结构中设置较大的剪力墙、框架节点或剪力连接件等，以增强结构在水平方向上的刚度和稳定性，这种方法可以有效地抵抗地震力和水平荷载的作用，提高结构的整体抗震性能。此外，还可以通过提高结构的组合刚度来增加结构的整体刚度，组合刚度是指通过结构的布置和连接方式，使结构的各个部分相互协作，形成一个整体刚性体系。例如，在某些情况下，通过合理的柱网布置和梁柱连接方式，可以有效地提高结构的整体刚度和稳定性。

1.2.3 提高结构的抗震性能

地震是一种严重威胁建筑物安全的自然灾害，因此加固改造设计必须考虑结构在地震作用下的响应和承载能力[5]。为了提高结构的抗震性能，可以加固结构的承载体系，增加其整体的刚度和稳定性，例如增加柱子、剪力墙和框架梁的尺寸和数量，增强其抗震承载能力，使结构在地震荷载下能够更好地抵抗变形和破坏。采用加固材料和技术来提高结构的抗震性能，使用高强度混凝土或钢材料替换原有结构中的弱点部位，以增加其强度和韧性。此外，可以采用预应力或钢筋混凝土加固技术，通过施加预压力或添加钢筋来提高结构的承载能力和抗震性能。另外，增加结构的阻尼和能量耗散能力也是提高抗震性能的重要手段，通过在结构中引入阻尼器、减震器或能量耗散器等装置，可以吸收和消散地震能量，减小结构的震动响应，提高其抗震性能和稳定性。

1.2.4 加固构件的连接与布置

加固构件的连接方式能够确保荷载的有效传递，并保证连接部位的强度和刚度与原有结构相匹配。常见的连接方式包括螺栓连接、焊接连接和粘结连接等，连接部位的细节设计和施工质量也需要严格控制，以确保连接的可靠性和稳定性。加固构件的布置应该根据结构的受力机制和受力状况进行合理规划，布置的目标是在关键部位引入足够的加固构件，以提供所需的强度和刚度增加[6]。加固构件的布置应避免集中加固和刚度不均匀的情况，同时考虑结构整体的平衡和协调。通过合理的布置，可以实现结构的整体优化和最佳性能。此外，加固构件的选择和材料的使用也对连接和布置起到重要影响，根据结构的需求和设计要求，选择合适的加固构件类型和材料，如钢材、纤维复合材料等。同时，考虑加固构件的尺寸和形状，以便与原有结构相协调并兼顾施工可行性。

2.结构加固改造设计分析框架

2.1 结构评估

2.1.1 结构性能评估

在进行建筑结构加固改造设计之前，对现有结构的性能进行评估是至关重要的。结构性能评估旨在了解结构的强度、刚度、稳定性和耐久性等方面的情况，以便确定加固改造的需求和方向[7]。表1 用于结构性能评估的分析，根据评估结果，可以确定结构性能存在的问题和不足，并进一步确定加固改造的重点和方向。例如，如果结构的强度不足，可以针对强度不足的部位进行加固措施；如果结构的刚度不足，可以采取增加刚度的方案进行改造；如果结构的稳定性不足，可以进行稳定性分析并采取相应的加固措施。

表1 结构性能评估分析

2.1.2 结构损伤评估

通过对结构的损伤程度和性质进行评估，可以准确了解结构的受损情况，为后续的加固改造设计提供有效的依据。在进行结构损伤评估时，需要综合考虑多种因素，包括结构的材料性质、力学性能、施工质量以及外部荷载等。常用的评估方法包括可视检查、结构缺陷检测、非破坏性测试和结构监测等[8]。可视检查是最基础也是最常用的损伤评估方法之一，通过对建筑结构进行仔细观察和检查，可以发现结构表面的裂缝、变形、腐蚀和脱落等明显的损伤迹象。同时，还可以收集和分析相关的结构使用和维护记录，以了解结构的历史性能和维护情况。结构缺陷检测是一种通过特定的仪器和技术手段，对结构缺陷进行定性和定量分析的方法，常用的结构缺陷检测技术包括超声波检测、红外热像仪检测、雷达检测和摄像监测等，这些技术可以帮助识别结构内部的隐蔽缺陷，如裂缝、空洞、锈蚀和松动等。非破坏性测试是一种通过施加外部负荷或能量输入，通过观测和记录结构的响应来评估结构的损伤程度的方法。常用的非破坏性测试方法包括振动测试、声发射测试、电阻测试和红外热成像测试等。这些方法可以测量结构的振动特性、声波传播速度、电阻变化和热分布等信息，从而判断结构的受损情况。结构监测是一种长期、连续对结构进行观测和记录的方法。通过安装传感器和监测设备，可以实时监测结构的变形、应力、振动和温度等参数，以获取结构的工作状态和损伤演化过程。结构监测可以提供更加详细和准确的损伤评估数据，为结构加固改造设计的决策提供更可靠的依据[5]。

2.2 方案选择

2.2.1 加固方案比较与评估

加固改造设计的关键步骤之一是对不同的加固方案进行比较和评估，以确定最合适的方案。在进行方案比较时，需要考虑多个因素，包括技术可行性、经济性、施工可行性和环境影响等。针对结构的具体情况，需要考虑加固材料的可用性和适用性，以及加固方法的有效性和可行性，不同的加固方案可能涉及不同的材料和技术，因此需要综合考虑结构的特点和需求，选择适合的技术方案。同时，加固方案应考虑施工过程中的可行性和实施难度，包括施工方法、施工时间和现场操作要求等，评估方案的施工可行性可以减少施工风险，并确保加固改造工程的顺利进行。加固改造可能会产生一定的环境影响，如噪声、粉尘、废弃材料等。评估加固方案对环境的潜在影响，并采取相应的环境保护措施，以减少负面影响，保护生态环境。

2.2.2 经济性评价

在选择最合适的加固方案时，需要综合考虑经济性因素，以确保在满足设计要求的同时，尽可能降低成本和资源投入。加固改造的成本对于项目的可行性和实施决策具有重要影响，经济性评价的主要目标是通过对不同加固方案的成本和效益进行综合分析，找到最经济合理的设计方案。在进行经济性评价时，需要对加固方案的成本进行评估，包括材料成本、劳动力成本、设备租赁成本以及施工期间产生的其他费用等，不同加固方案可能涉及不同的材料和施工工艺，因此需要对每种方案的成本进行详细分析和比较。还要评估加固后建筑结构的使用寿命和维护成本，加固改造设计的目的之一是延长建筑的使用寿命并降低维护成本，通过综合考虑结构的耐久性、维护周期和维护工作量等因素，可以对加固方案的长期经济效益进行评估。此外，还需要考虑加固改造设计对建筑物功能和价值的影响，有时加固方案可能会对原有建筑的功能、使用空间或美观度产生一定的影响。在经济性评价中，需要权衡加固方案的经济成本与对建筑物功能和价值的影响之间的关系，找到一个平衡点。

2.3 设计优化

2.3.1 结构参数优化

通过对结构参数的优化，可以使加固改造设计更加科学、高效和经济。在进行结构参数优化时，需要考虑多个方面的因素，包括结构材料的选择、构件尺寸的确定以及连接方式的设计。不同材料具有不同的力学性能和成本特点，因此在优化过程中需要综合考虑材料的强度、刚度、耐久性以及成本等因素，通过合理选择材料，可以使结构在加固后既满足强度要求，又尽可能减少材料成本。构件尺寸的大小直接影响到结构的刚度和承载能力，在优化过程中，需要考虑不同构件的尺寸比例，以实现结构的合理布局和力学性能的优化，通过准确计算和分析，可以确定最优的构件尺寸，使得结构在加固后具备更好的整体性能。连接方式的选择和设计直接关系到结构的刚性、可靠性和施工难度，不同连接方式的适用性，以及连接部位的设计细节，通过优化连接方式，可以提高结构的整体刚度和稳定性，同时简化施工过程。

2.3.2 结构布置优化

结构布置直接影响到结构的稳定性、刚度分布和荷载传递效果。在进行结构布置优化时，需要综合考虑以下几个方面的因素。结构强度和刚度分布：通过合理的布置和配置构件，可以实现结构强度和刚度的均匀分布，从而提高结构的整体稳定性和承载能力。荷载传递路径：结构布置应确保主要荷载沿着预定的传力路径传递，避免荷载集中或传力路径不清晰的问题，以提高结构的整体性能。施工可行性：在优化结构布置时，需要考虑施工的可行性和经济性。合理的结构布置应考虑到施工过程中的可操作性，以减少施工难度和成本。

3.工程实践分析

以最近我国南方某电视台改造加固项目为例，能更好了解结构加固改造设计分析框架的具体实践。该项目地下2 层，地上21 层，高度为97.75 米，总建筑面积为13.54 万平方米，于2012 年11 月完成主体结构工程验收后一直闲置至今。项目原设计为广播电视使用功能，现因业主需求改变为办公性质对外出租。在本项目设计前期，委托相关鉴定单位进行安全性鉴定，通过可视检查、结构缺陷检测技术现场查勘，对结构薄弱部分进行重点检测，并提供最终检测报告。设计人员通过检测报告，结合结构计算模型，对现有结构进行综合评估、分类处理，比选可行性结构加固方案并估算工程量，确定最具经济效益的加固方案。本项目确定梁的加固原则为计算配筋较实际配筋相差40%以内采用粘贴钢板形式加固，40%以上采用加大截面加固法，楼板采用粘贴碳纤维布补偿加固处理，剪力墙加固采用扁钢抗剪键+钢板压条+穿墙螺杆的加固形式（图1）。地下室由于采用暗梁+空心板楼盖结构布置，上述加固方法均存在一定施工难度，所以本项目采用在暗梁底或板底加钢梁承托的加固形式，以提高结构的承载能力。此外，本项目在部分区域新增结构楼板，设计人员通过结构布置及连接方式优化，尽可能减少对原有结构传力路径的改变，同时提高结构的整体性及安全性。

图1 剪力墙开洞加固大样

结语：

本文通过深入研究和分析建筑结构加固改造设计，提出了一个综合的设计分析框架，通过结构评估、方案选择和设计优化等环节，可以有效地指导建筑结构的加固改造设计。该框架为工程实践提供了重要的参考和指导，以期能推动建筑结构加固改造设计的发展和创新。