结构的检测加固与再设计

中国建筑科学研究院(编写人：徐有邻、刘刚)

　　1．我国基本建设现状及发展
1.2我国基本建设现状
基本建设的规模；存在问题：质量问题、安全隐患、消耗巨大、环保压力、耐久性差……。
1.2.结构检测加固的内容
(1) 结构安全性(危房及安全隐患)鉴定，排除抗力缺陷引起的建筑物安全隐患。
(2) 结构安全事故的调查处理，判断事故的原因、性质、后果以及处理方案。
(3) 结构服役期制度化的定期检查、维修以保证安全及使用功能。
(4) 建筑归属关系变化导致功能的改变引起的检测鉴定，作为再设计的依据。
(5) 设计使用年限后期为延长使用期进行的检测鉴定及再设计。
(6) 几百亿平方米低安全度既有结构的检测与再设计。
1.3. 检测加固与再设计的发展
(1) 我国结构安全事故频发，形成了不小的检测加固市场。
(2) 大规模基本建设后，服役期和使用后期的继续使用问题。
(3) 历史形成几百亿低安全度既有结构的继续使用，提出了巨大的需求。
(4) 基建高潮后发达国家经济增长模式变化，既有建筑改造利用的再设计。
(5) 我国在大规模基建以后，建筑业必然转变为以加固改造的再建造为主。
2.结构缺陷及混凝土缺陷的检测
2.1工程事故调查

2.2 结构质量事故的特点
(1) 混凝土结构、构件承载力不足以及恶性事故的比例相对较少。
(2) 大量问题是影响使用功能的可见裂缝及过大的变形。
(3) 混凝土早期低强以及模板施工超载的影响，施工阶段是质量事故的高发期。
(5) 传统设计安全度偏低以及长期服役后的耐久性问题，近年事故发生较多。
(6) 建筑商品化以后，不恰当使用对结构影响而引起事故的频率加大。
(7) 混凝土结构事故的原因很少是单一的，往往为多种因素综合作用所致。
2.3 结构检测与工程验收

结构检测的基本原则：公正、公开、客观、科学、全面、严密。坚持必要的工作程序。
2.4 混凝土结构检测方法
（1）结构混凝土强度的检测：钻芯法、回弹法、超声法、综合法、拔出法、射钉法、推剥法…
（2）混凝土缺陷检测：表面缺陷的观察；裂缝描绘及量测；内部缺陷检测；检测结果分析。
（3）结构几何参数检测：结构体形偏差、构件尺寸偏差、钢筋移位量测、量测结果分析。
（4）耐久性检测：环境类别、资料调查、混凝土耐久性检测、锈蚀钢件检测、量测结果分析。
（5）结构试验检测：作用和特点、预制构件试验、结构原位试验、内力模拟的加载原则。
3.结构(构件)的评定（鉴定）
3.1结构安全的基本概念
安全的基本概念；结构安全的可靠度；结构(构件)的可靠性评定。

3.2 建筑结构的综合评定
承载能力评定；构件子单元的评定；建筑结构的综合评定；可靠性鉴定标准。
3.3其它类型的评定
改变用途的评定；使用状态的评估；耐久性评估……。
3.4 结构(构件)评定（鉴定）的意义
确定结构安全-功能状态；探讨造成缺陷原因；决定结构处理原则；建议结构加固设计方法。
4.构件的加固处理
4.1构件加固设计的原则
（1）保证构件的承载力和结构的安全。
（2）避免拆改，影响、干扰原结构的传力途径，尽量维护结构的整体稳定性。
（3）尽量减小加固后质量、刚度的突变，减少对原受力体系的影响。
（4）尽可能减少对于使用功能（观感、防水、渗漏、保温、隔音等）的影响。
（5）彻底根除影响安全、耐久和使用功能的隐患，保证加固处理后有足够的使用年限。
（6）加固措施应该具有可执行性，构造简单易行，施工操作方便，能够保证质量。
（7）经济节约，尽量减少对材料、资源的消耗，减少加固处理的经费。
（8）加固处理方法具有多样性，应注意分析、比较，进行方案的优化选择。
4.2 加固的意义及局限性
缺陷构件的加固是整个结构加固-处理的基础。但局部加固可能引起刚度-质量突变而影响结构整体稳固性。应从结构方案上采取更为彻底的“既有结构再设计”解决。
4.3 增大混凝土截面加固法
加固机理；加固方法；注意事项：后浇混凝土层的构造；界面的连接；对质量-刚度的影响。
4.4 外包钢材加固法
加固机理；加固方法；注意事项：与构件连接方式；保证施工质量；考虑对内力分布的影响。
4.5 锚贴钢材加固法
加固机理；加固方法；注意事项：基底处理；卸荷状态施工；保证锚贴施工质量；覆盖保护。
4.6 粘贴碳纤维加固法
加固机理；加固方法；注意事项：转角处理；碳纤维布的锚固与搭接；附加锚固措施。
4.7 外加预应力加固法
加固机理；加固方法；注意事项：合理选择加固形式；外加预应力的控制；预应力张拉-转折-锚固；预应力筋保护。
4.8 改变传力途径加固法
加固机理；加固方法；注意事项：满足使用功能；资质问题；约束性文件。
5. 结构再设计的意义
5.1 再设计的意义
我国基本建设状况；发达国家的基建状况；我国基本建设的发展趋势；既有建筑维护、加固、改造为目的“再设计”和“再建造”为主的工作模式。
5.2建筑结构的安全层次
（1）传统安全概念局限性：建立在材料强度和构件屈服基础上的安全概念。“重构件-轻结构”；“重计算-轻构造”的偏向，忽略了结构真正的安全隐患。
（2）恶性事故调查分析：造成构件解体-结构倒塌的真正原因是结构方案（整体性稳固性—鲁棒性）不良；变形性能太差（脆性断裂）；连接构造缺陷（结构解体），具体表现为以下原因;
结构方案的根本性缺陷：底层垂直构件墙、柱及静定构件屋架、悬臂等太薄弱；
结构体系传力途径不合理：屋架、悬臂、砖拱等构件缺乏必要的冗余约束；
材料脆性：砌体、冷加工钢筋导致结构延性太差，在强迫位移下脆断引起结构解体；
连接构造质量差：关键受力部位及连接构造缺陷，节奌、底柱、底墙破坏引起连续倒塌；
服役期的使用问题：野蛮施工；管理不善；超载使用，随意加层，不恰当改建……等。
人为因素：无意、有意、悪意打击“死穴”而造成倒塌，“用最小能量摧毁最大建筑”的研究。

　　（3）灾害中结构倒塌的调查分析：天灾人祸偶然作用：长江洪水、桑美台风、衡阳大火、湘黔冰灾、汶川地震、舟曲泥石流、9.11事件……，造成结构倒塌的巨大损失。几乎都与材料强度和构件承载力无关，而是由于结构方案、内力分析、连接构造的缺陷。
（4）建筑结构的安全层次：“911事件”后对结构安全的新认识。结构安全的层次。
使用安全感观：服役结构太大的挠度、裂缝、耐久性缺陷引起的不安全感。
构件截面屈服：在不利承载下钢筋屈服-混凝土破碎发生强度破坏的影响。
结构连续倒塌：偶然作用下结构局部构件破坏而引起的连续倒塌。
5.3结构的防灾性能及整体稳固性
（1）结构防灾性能及整体稳固性：结构安全的核心是防灾能力—偶然作用下防连续倒塌性能。防灾能力取决于结构的整体稳固性。在设计中反映为结构方案、内力分析、连接构造等。
（2）防倒塌概念设计：避—选址规避；泄—作用渲泄；隔—隔离防护；备—备用途径；强—强化保护；柔—柔性耗能；躲—躲藏待援。这是很重要的综合安全性能的考虑。
（3）结构防连续倒塌设计：混凝土结构设计规范简介定量设计方法：局部加强法、拉接构件法、拆除构件法的原理；操作性更强的防连续倒塌设计规程正在编制。
5.4 既有结构再设计的特点
（1）结构再设计的定义：从结构体系整体稳固性考虑，针对既有结构在结构方案、内力分析、连接构造等方面的缺陷而进行全面的再次设计。仅在构件层次上加固太局限，甚至效果相反。从结构整体角度来处理混凝土缺陷，才能够提高结构的安全性。
（2）经济发展的需要：早期基建进入服役后期；低安全度设计-建造的欠缺；未考虑耐久性设计的遗畄问题；几百亿平米既有结构延长使用年限现实……。经济发展模式变化带来通过“再设计”获得继续发展，对结构再设计的要求肯定会与日俱增。
（3）建筑业转型趋势：基建高潮后的平稳发展期。建筑产业化走向：建造-制造；粗放-集约；劳力密集-技术密集。检测加固和再设计-再建造必然成为建筑业的主要形式。
6.既有结构的再设计
6.1 再设计的应用范围
5种情况：续用、复核、改建、加固、修复；分为两类：复核验算以及重新再设计。
6.2 结构的安全及处理原则
（1）结构方案缺陷的影响：传统设计“重构件-轻结构”；“重计算-轻概念”造成既有结构经常带有根本性的缺陷，往往在偶然作用下发生倒塌。
（2）汶川教学楼倒塌分析：原因是结构体系缺陷；砖砌墙体无圈梁-构造柱；质量分布头重脚轻；大跨-悬臂梁支承单薄；横向无备用传力途径；底层窗间墙太弱；结构缺乏抗侧力能力；楼盖平面蜂腰瓶颈；楼梯间竖向错层受力；预制装配的连接构造缺失；冷轧带肋钢筋脆断……。
（3）框架倒塌分析：多层混凝土框架及底框房屋倒塌原因是：质量分布头重脚轻；楼盖厚重水平惯性力大；底层框架柱薄弱；缺乏剪力墙-钭撑的抗侧力措施；强梁弱柱使柱端屈服形成塑性绞而倾覆；柱端配箍约束不够；混凝土碎裂撒落使立柱压溃；底柱破坏引发连续倒塌……。
（4）构件加固的局限性：构件层次的局部加固不解决根本问题属于比较低的层次。考虑结构方案的“再设计”才是最重要的。构件加固方法渐趋成熟，应提升到再设计的层次。
6.3 再设计的特点
（1）再设计的不确定性：常规设计是理想化条件下进行的，可以由设计者确定，并作为设计依据。而再设计具有很大的不确定性，设计的难度要大得多。
（2）作用荷载和材料性能的变化：作用荷载已有很大变化；加上各种分项系数及组合，传统设计的结构须再设计复核。材料性能的设计参数也已改变。混凝土“标号”改“强度等级”及钢筋强度提升和延性要求；材料实际强度及性能指标与设计目标的差异……。不得不重新确定既有结构再设计的设计参数。
（3）结构体形变化及缺陷的影响：既有结构再设计须考虑：长期使用耐久性的影响；沉降、裂缝、徐变、老化、偶然作用损伤造成结构体形的变化及性能退化。。
（4）再设计的难度：设计条件的不确定性：设计参数不能由设计者自行确定，须通过调查、检测、分析，根据实际情况确定。难以照抄现行规范及设计程序。
6.4 既有结构的检测评定
（1）必要性：通过检测评定确定既有结构的实际情况和设计参数，作为再设计的基础。
（2）检测：《建筑结构检测技术标准》GB 50344指导下的各种检测方法以及相关的标准。
（3）评定：《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153、《工业建筑可靠性鉴定标准》GB 50144、《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292等的评定结果，作为再设计的依据。
6.5优化再设计的结构方案
（1）结构方案的优化：选择抗力较好的结构类型；结构外形简单匀称；有效控制结构尺度；适当规划结构分缝；合理布置构件体系；避免质量头重脚轻；刚度分布连续均匀；传力途径直接通暢；保证备用传力途径……。弥补传统设计不足，属于概念设计的范畴。还应考虑功能需要。
（2）合理的计算模型：既有结构与后加部分形成新结构体系；考虑刚度变化及构件间变形协调-约束的影响一并进行内力分析；分析模型根据实际情况合理调整。
（3）构件及连接的构造：结构体系中各类构件对安全影响的次序。
布置方向: 垂直构件（柱、墙）—水平构件（梁、板）—基础。
构件形状: 杆形构件（柱、梁、杆）—面状构件（墙、板）—实体。
所处位置: 底层构件—关键构件—一般构件—自承重构件。
重视构件间连接：避免简支连接；宜有冗余约束及超静定连接；可靠的节点传力性能……。
（4）结构优化设计原则
四要：方正规矩、传力直接、冗余约束、备用途径；
四忌：头重脚轻、奇形怪状、间接传力、材料脆性；
四强：强脚柔腰、强柱弱梁、强墙轻板、强化边角；
四宜：连接可靠、围箍约束、空心楼盖、以柔克刚。
6.6 再设计的设计指标
（1）使用功能和续用年限：再设计应有很大灵活性，可根据实际情况和经济性综合考虑，进行适当调整。再设计目标不一定符合现行标规范。可以适当调整使用功能；降低荷载数值；缩短后续使用年限……，采用调整的设计目标，在达到安全-实用的条件下，实现最经济的目标。
（2）结构的实际状态：当检测结构的实际状态变化不大而基本符合原设计的要求时，可以按原设计的规定取值，以简化计算。
（3）材料的设计参数：既有部分材料性能指标，根据检测结果统计分析后确定。当检测结果符合设计规范要求时，也可按设计规范的相应规定取值。再设计的后加部分采用现行规范数值。
（4）设计规范的差别应用：对正常使用极限状态的功能（荷载）和后续年限，可适当调整。对承载能力极限状态则分别对待:续用、复核验算的再设计“宜”符合现行规范规定；结构扩建、扩建、改造、修复性质的再设计则“应”符合现行规范的规定。
6.7 既有结构再设计的方法
（1）再设计方法：结构分析按加固后结构整体进行；各构件则按叠合-组合构件进行设计。
（2）水平构件设计：施工阶段构件有可靠支撑，按一般受弯构件设计。如无支撑，按两阶段受力的叠合构件进行设计。混凝土结构设计规范已有详细规定，不再赘述。
（3）竖向构件设计：应考虑既有柱、墙实际几何参数变化的影响；根据承载历史以及施工支顶的情况；考虑既有部分和后加部分持力的分配，进行施工阶段和使用阶段的承载力计算。既有柱墙的设计参数按检测结果取值；后浇混凝土和后加钢筋强度乘折减系数确定。
（4）叠合界面的构造要求：通过设计-施工措施保证叠合界面的构造：界面粗糙度（凹凸差）以及越界面的构造钢筋。