钢筋混凝土结构加固技术探析

杨龙龙

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广州 510641）

0 引言

钢筋混凝土是现阶段使用最广泛的建筑材料之一，因其可模性好、整体性好等优点在世界范围内广受青睐。改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，各地兴建了大量的钢筋混凝土结构建筑。时至今日，相当一部分建造时间较为久远的建筑由于各种原因已经无法满足现阶段的使用需求。主要包括：建筑服役时间较长导致结构性能出现退化；灾害性事件的发生导致结构构件出现损伤；使用功能需求多样化导致设计承载力无法满足当前的需求；规范标准的提升导致既有结构无法满足现行规范标准的要求。实际情况决定无法将存在安全隐患的钢筋混凝土结构悉数推倒重建，因此，采用合理有效的加固方法提高钢筋混凝土结构的承载能力，保证其使用安全，延长其使用年限或改变其使用功能，使之能继续安全服役，具有重要的经济和社会意义。

本文以钢筋混凝土结构为研究对象，首先总结了对钢筋混凝土结构进行加固的意义；随后，从加固方法的原理、技术要点、适用范围和优缺点方面对不同的加固方法进行了对比分析，探讨了不同加固方法的适用性，总结了不同加固方法在设计及施工时应注意的问题，希望能为从事钢筋混凝土结构加固的工程师提供借鉴。

1 钢筋混凝土结构加固的意义

1.1 延长结构的使用寿命

钢筋混凝土结构在正常使用过程中难免会遭遇一些极端的自然灾害或受到外界环境的侵蚀，这些不利因素会导致结构承载能力的退化，缩短结构的使用寿命［1］。直接拆除这些结构不仅会造成资源的浪费，还会对环境造成严重的污染。采用合理的加固技术，对钢筋混凝土结构的受损部位进行加固修复，可以有效地提升构件的承载力，延长结构的寿命，使其能够继续正常地使用。

1.2 提高结构的抗震性能

我国位于环太平洋地震带，地震活动较频繁。随着经济水平的提高，我国对结构的抗震性能提出了更高的要求。一些抗震性能较差或结构布置不合理的钢筋混凝土结构已经难以满足现行抗震设计规范的要求。引入可行的结构加固技术，对结构构件或整体结构进行加固，可以达到增加结构稳固性，提升结构抗震性能的目的［2］。

1.3 保证人民的生命财产安全

建筑结构为人的各种生产生活活动提供了场所，但是一旦其安全性出现问题则会造成巨大的损失。随着建筑使用时间的增长，其稳固性和可靠性均会出现一定程度的衰减，而且结构设计和施工过程中的问题也可能导致结构出现安全隐患［3］。因此，利用钢筋混凝土结构加固技术对安全性不满足要求的建筑进行加固，提高它的安全性，可以达到保护人民生命财产安全的目的。

1.4 满足人民的多样化需求

随着科技和经济的发展，人们对建筑功能的要求也日益提高。一些兴建年代较为久远的钢筋混凝土结构的性能已经无法满足人们的使用需求，但是结构重建又受到土地资源和经济成本的限制［4］。因此，对原有的钢筋混凝土结构进行加固改造，不仅节约了成本，还可以丰富老旧建筑的使用功能，满足现阶段人民的多样化需求。

2 钢筋混凝土结构的加固方法

根据钢筋混凝土结构加固方法的受力特点可以将其分为直接加固法和间接加固法［5］。直接加固法是通过一些加固补强措施，直接提高构件的承载能力或刚度使其满足设计要求的方法；主要包括增大截面法、置换混凝土法、外包型钢法、粘贴钢板法、粘贴纤维法以及绕丝法等，如图1 所示。间接加固法则是通过一些技术措施改变结构的传力途径，减小被加固构件的荷载效应从而使其满足设计需求的方法；主要包括预应力加固法、增设支点法等，如图2所示。

图1 直接加固法示意图Fig.1 Schematic Diagram of Direct Strengthening Methods

图2 间接加固法示意图Fig.2 Schematic Diagram of Indirect Reinforcement Method

2.1 增大截面加固法

增大截面法的原理是在原有钢筋混凝土构件的周围增加新的混凝土层提高构件的承载力和刚度，进而达到加固混凝土结构的目的，如图1⒜所示。这种方法适用于钢筋混凝土受弯构件的抗弯承载力和抗剪承载力加固以及受压构件的加固，具有工艺简单、设计施工经验成熟以及传力可靠明确等优点；缺点是现场湿作业量大、工期长、影响正常的生产生活，而且加固后的截面尺寸增大会压缩建筑原有的使用空间［6］。

工艺流程及技术要点：增大截面法的工艺流程为界面处理➝补配钢筋➝支模➝浇筑混凝土➝养护拆模➝施工质量检验。加固时应当注意以下几点要求：①加固前应卸除构件上的活荷载；②新增混凝土强度等级应比原构件高出一级，且不低于C20；③用于加固钢筋混凝土楼板时，新增混凝土层的厚度不得小于40 mm，用于加固梁柱构件时不得小于60 mm；④配钢筋需采用热轧钢筋，板、梁、柱的受力钢筋直径分别应不小于8 mm、12 mm、14 mm，U 形箍直径应与原构件箍筋保持一致；⑤新增受力钢筋应与原钢筋焊接；当对构件受拉侧进行加固时，应设置与原箍筋焊接的U 形箍，焊接长度为单面焊10d或者双面焊5d，d为箍筋直径；⑥梁新增纵向受力钢筋两端应可靠锚固；柱新增纵向受力钢筋下端伸入基础，上端与上层柱脚连接。

2.2 置换混凝土加固法

该方法保留原构件中的钢筋，采用新混凝土替换原结构中存在缺陷的混凝土，从而提高结构承载力，如图1⒝所示。此方法一般适用于受压区混凝土强度不足或存在缺陷的承重构件局部加固，加固后不影响建筑使用空间，但湿作业时间长，凿除混凝土时易扰动原钢筋［7］。

工艺流程及技术要点：置换混凝土加固法的工艺流程为搭设支撑➝卸荷➝剔除缺陷混凝土➝界面处理➝支模➝浇筑混凝土➝养护拆模➝施工质量检验。加固技术要点如下：①加固梁构件时应施加有效支顶，加固墙、柱构件时应对原构件在施工过程中的承载状态进行验算、观测和控制，确保置换界面处的混凝土不出现拉应力；②新混凝土强度等级应比原构件混凝土高一级，且不低于C25；③非置换部分混凝土现场实测强度不可低于原设计强度；④混凝土置换深度对于板构件不小于40 mm，对梁、柱构件不小于60 mm，置换长度应超过检测和验算结果所确定范围至少100 mm；⑤置换梁受压区混凝土时，置换区域应沿梁中线对称，不可仅置换一隅；⑥原构件混凝土表面处理应符合国家标准相关规定，确保新旧混凝土协同工作。

2.3 外包型钢加固法

外包型钢加固法是将型钢包于混凝土构件的角部或两侧，用缀板将型钢连接成钢构架与原混凝土构件共同受力，如图1⒞所示。可根据型钢构架与原混凝土构件之间是否存在有效粘结分为外粘型钢法（湿式外包）和无粘结外包型钢法（干式外包），两种方法均适用于加固承载力和抗震能力不足的钢筋混凝土柱和梁。其优点为施工简便、现场工作量少、受力可靠且加固效果好，缺点是型钢易生锈，不宜用于含腐蚀性介质的环境［8］。

工艺流程及技术要点：外包型钢加固法的工艺流程为型钢骨架制作➝界面处理➝型钢骨架安装➝注胶➝固化养护➝施工质量检查➝防护层施工。加固技术要点如下：①当工程允许时应优先采用湿式外包法；②角钢厚度不应小于5 mm，加固梁和桁架时长度不应小于50 mm，加固柱时不应小于75 mm；③沿构件轴线需采用截面大于40 mm×4 mm的钢箍板/缀板与角钢连接，间距不得超过角钢最小回转半径的20 倍，且不得超过500 mm；④加固梁构件时，应在梁角部粘贴角钢，如受压区存在翼缘或楼板，可将受压区角钢更换为钢板，箍板需穿过楼板与钢板连接（楼板空洞待箍板焊接后用结构胶封堵、锚固）；⑤梁端角钢需与柱角钢焊接；⑥采用湿式外包法时，原构件截面的角部需打磨为直径不小于7 mm的圆角，胶缝厚度为3～5 mm。

2.4 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是将薄钢板用粘接剂粘贴于混凝土构件表面，使其形成具有整体性的复合截面，如图1⒟所示。该方法一般用于加固承受静荷载的受弯构件、受拉构件和大偏心受压构件。此方法的优点是施工速度快、材料利用率高、基本对原构件截面无影响，缺点是不适用温度长期高于60 ℃的环境、加固效果易受胶粘工艺与操作水平影响［9］。

工艺流程及技术要点：粘贴钢板加固法的工艺流程为卸除活载➝加工钢板➝界面处理➝粘接钢板➝固定养护➝施工质量检验。加固技术要点如下：①不适用于纵向受力钢筋单向配筋率小于0.2%的钢筋混凝土构件；②构件混凝土现场实测强度应大于C15，且混凝土表面的正拉粘结强度不得低于1.5 MPa；③钢板的宽度应小于100 mm，手工涂胶时钢板厚度不超过5 mm，压力注胶时不超过10 mm；④加固梁正截面抗弯承载力时，应在钢板端部及集中荷载两侧设U 形箍；加固板时应设横向钢压条进行锚固；⑤加固梁或大偏心受压构件斜截面时，U 形箍间距不应大于规范规定的最大箍筋间距的70%以及梁高的1/4。

2.5 粘贴纤维加固法

粘贴纤维加固法是采用粘接剂将碳纤维、玄武岩纤维等纤维材料织物粘贴在混凝土构件表面，与构件共同工作提升承载力，如图1⒠所示。该法可用于加固受弯、抗剪、以及抗拉承载能力不足钢筋混凝凝土构件，也可用于提高钢筋混凝土柱的延性。优点是材料轻质高强，不影响构件截面、加固效果好、施工简便工期短；缺点与粘贴钢板法相似，粘贴剂工作环境受限且胶粘质量要求较高［10］。

工艺流程及技术要点：粘贴纤维加固法的工艺流程为卸除活载➝界面处理➝涂刷底胶并找平➝粘贴纤维布➝养护➝施工质量检验➝防护面施工。加固技术要点如下：①为保证纤维与混凝土协同工作，构件的混凝土实测强度不得低于C15，且正拉粘结强度不得低于1.5 MPa；②为缓解纤维布的应力滞后现象，施工前应卸除构件活载；③当纤维布需要底胶时，不得私下减少涂刷底胶工序；④粘贴纤维时需保证底胶表面平整无凸起，无残留物及灰尘。

2.6 绕丝加固法

绕丝加固法是在混凝土构件表面缠绕钢丝，约束混凝土的横向变形，使混凝土处于三向受压状态提高其单轴抗压强度，从而提高构件承载力和抗震性能，如图1⒡所示。绕丝法一般适用于钢筋混凝土柱的延性加固，其优点是施工简便，不影响使用空间，缺点是使用条件受限，加固非圆形构件时效果明显降低。

工艺流程及技术要点：粘绕丝加固法的工艺流程为卸除活载➝剔除保护层➝界面处理➝绕丝施工➝混凝土面层施工➝养护➝施工质量检验。加固技术要点如下：①混凝土强度较高时，绕丝法的约束较差，所以不得加固混凝土强度高于C50 的构件；②为了提高对混凝土的约束效应，加固方形截面构件时应在截面四边中部设直径为25 mm 的钢筋，并对角部进行倒角；③绕丝应连续进行，且钢丝间距应保持均匀，施力绷紧时需对钢丝点焊加以固定。当局部钢丝松弛时应当打入钢楔绷紧，但不能导致其他部位变松。

2.7 预应力加固法

预应力加固法是采用预应力拉杆、钢绞线或型钢支撑等施加反向荷载，减小被加固构件的应力或变形，如图2⒜所示。一般用来加固处于高应力状态且难以卸荷的构件，尤其适用于大跨度结构构件。该方法施工方便，可消除后加结构的应力滞后现象，后加部分能与原结构很好地协同工作，但存在体外预应力结构易损坏且延性较差、锚固区存在较大集中力等缺点［11］。

工艺流程及技术要点：加固工艺流程为清理结构➝装置定位➝装置制作➝装置安装➝张拉固定➝施工质量检验➝防护面施工。加固过程中应当注意以下要求：①锚固区传力预埋件、挡板以及承压板的安装应符合设计要求，锚固区要局部加强；②张拉时要施力同步，防止构件发生侧向失稳或扭转；③新增预应力拉杆、锚具、垫板缀板及各种紧固件均应进行防锈蚀处理。

2.8 增设支点加固法

增设支点加固法的原理是通过新增支点减小钢筋混凝土构件的跨度，调整构件截面的内力分布，降低构件的内力峰值，从而使构件的承载力满足设计需求，如图2⒝所示。一般适用于梁、板、桁架的加固。该方法的优点是可大幅度提高承载力，减小梁、板的挠曲变形，施工简单，受力可靠，缺点是影响建筑原貌和使用功能，占用空间。

工艺流程及技术要点：加固工艺流程为卸除活载➝型钢套箍制作、安装➝节点板安装➝钢斜撑安装➝连接节点检测➝验收。加固时应当注意以下要求：①制作支承结构的材料，应根据加固结构所处的环境和使用要求确定；②采用弹性支点加固法时，应充分考虑支承结构与原结构刚度对结构内力分布的影响。

3 混凝土结构加固改造中应注意的问题

3.1 考虑局部加固对整体结构的影响

在加固设计中，各种加固方法多停留在构件层面，但是结构作为一个复杂的整体，局部的加强难免会对相邻构件甚至整体结构造成影响。因此要求设计师在制定加固方案时要对整体结构进行分析，从总体上把握，尽量减少对原结构的破坏和损伤［12］。

3.2 合理运用各种加固方法

每种加固方法都有优缺点和适用范围，在工程中，采用单一加固方法往往效果非常有限。因此在实际工程中同时采用多种加固方法进行综合加固，不仅可以解决单一加固方法使用条件受限的问题，还可发挥多种加固技术的优势，达到更好的加固效果［13］。

3.3 与实际施工技术相结合

在钢筋混凝土结构加固改造工程中，施工技术水平的高低直接影响加固的效果［14］。加固后新加受力构件如不能与原构件协同受力，将造成巨大的安全隐患。所以加固设计中必须保证施工后的新增构件与原结构能连接可靠，粘接牢固，形成整体，共同工作。

4 总结

混凝土结构的加固方法种类繁多，每种方法都有自己的优缺点和适用范围。增大截面法适用范围广但会影响使用功能；置换混凝土法不影响使用空间但易扰动原构件钢筋及混凝土；外包型钢法受力可靠但施工要求较高；粘贴钢板法施工便捷但需解决钢板的防腐及抗火问题；粘贴纤维法不增加结构自重但胶粘质量对加固效果影响较大；绕丝法不影响使用空间但使用条件受限；预应力法能解决应力滞后问题且易于后期维护但工艺较复杂；增设支点法受力明确易于拆卸但对使用空间影响较大。

工程师在选择加固方法时应充分考虑各加固技术的适用性及其不足之处。当要求加固后使用空间不受影响时应优先采用置换混凝土法、粘贴钢板法、预应力法以及粘贴纤维法等对构件截面影响较小的加固方法；当建筑长期处于高温或腐蚀环境中时应优先采用增大截面法、置换混凝土法以及增设节点法等在恶劣环境下受力可靠的的加固方法；当原设计地基承载力富余量较小时应优先采用粘贴纤维法、预应力法以及置换混凝土法等对结构自重影响较小的加固方法；对建筑进行临时加固时应优先选用增设支点法等具有可逆性的加固方法。