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      建筑物修復補強加固和改擴建
      發布時間:2014-08-05

        摘要:建筑物出現大小不同的問題后,對其修復、補強、加固和擴建,總要在使用后滯后一段時間。其一般的基本思路要從該建筑物是否具有修復補強加固和改建的可行條件。要分析其有關特點,根據加固、改造相關原則,采取相應不同的方法,把握住其中主要的關鍵,才能有效地實現修復、補強、加固和改擴建。這類工程的開發前景目前是很廣寬和可觀的。

        關鍵詞:修復 補強加固 改擴建 基本思路

        目前我國建筑工程已進入一個新建和修復、補強加固和改建并舉的歷史時期。民用建筑物在使用一定階段后,隨著時間推移會出現這樣或那樣一些問題和社會發展使用功能的新需要,要求擴大面積,增加面積,甚至改變使用;而工業建筑已基本飽和,新建項目較少,主要隨著生的產力的發展,實行技術改造,調整產品結構,開拓新產品,增加產量,擴大生產,提高質量,已經進入一個補缺配套以改擴建為主,少量新建為輔的新時期;以及民用和工業建筑在使用期內不同程度地出現一些損裂、損傷、損壞等的質量和安全問題,均需要進行相應的修復,補強加固和改造。

        目前,城市正在處于新發展時期,根據城市新的規劃,可保留及應保留的建筑物,除需要將個別遷移外不適宜拆除;保留后進行立面造型改造,或加層加高,進行必要的修復、補強、加固,以便充分發揮其作用和潛在的價值,有利于提高和發展城市的特色和市容。

        一般來說,“沒有不能修復、補強、加固和改造”的建筑,無非是技術難度程度上的差異,和經濟上的合理性和投資的差別。因此要求根據已有建筑物的現狀,功能上的要求,技術措施的安全可靠,操作上的方便可行,經濟上相對合理等因素綜合考慮,決定是否進行修復、補強加固和改造。

        另外,修復、補強加固和改擴建,還要根據國家發展背景的大環境,地區城市規劃的發展,社會市場的要求等因素確定。今天人們生活水平不斷提高,生產力的不斷發展和創新,客觀上要求功能性改變;但又不可能都去新建,特別是我國人口多,可耕地少資源和能耗相對貧乏的現狀,可通過修復補強加固和改擴建,提高已有建筑物的耐久性和使用壽命,改變使用功能要求增加使用面積是一條有效舉措和途徑。當今修復補強加固和改擴建的正逐步蓬勃發展,成為我國建設事業的一個重要支柱,也是我國可持續發展戰略的一個重要方面。

        1.修復補強加固和改擴建應具備那些必備條件。

        修補、補強、加固和改擴建的建筑物應具備六個不同的必備條件。

        1.1可用性

        建筑物在正常使用期內基本完好可繼續使用;或雖有些質量問題,但無致命的整體性缺陷,或存在局部缺陷方面,可以采取措施加以彌補。對接近或者已經達到服役年齡,仍有較大或者特具有使用價值,可滿足再生利用,均可通過修復補強和加固和改造、煥發青春,滿足新的使用功能要求。

        1.2可變性

        原有建筑物和地基雖在承載力、剛性、抗裂沉降等方面不宜加大負荷,但可通過修復、補強加固和改造,增強良好結合共同工作的處理,可以改變增加結構的承受能力,提高整體剛度和抗裂度,克服因地基承載力的不足,以免造成過大的不均勻沉陷。經過加固改變,能滿足新的功能變化的空間、面積和分格布置要求;或原有建筑物在承載力方面有富余,可滿足使用功能的改變,少增加費用,稍加補強加固可滿足需要。

        1.3可擴性

        原有建筑物面積不能滿足需要的情況下,內部有空間可以增層擴大,或在上下有空間可增層發展;兩側有場地可向周邊擴展;也就是說有必要可擴的場地,滿足增加需要的面積和空間。

        1.4適應性

        對原有建筑物在城市當前和長遠規劃中雖可保留,但根據城市市容的新要求,需要矮樓加高、需要改造立面造型藝術裝飾的可能,適應城市發展,并與城市整體面貌要求相結合。

        1.5價值性

        對原有建筑物中必須保留的古建筑、歷史性建筑和紀念性建筑,以及具有民族或地區特色的典型建筑物,這些建筑物中古建筑是無價之寶,是具有歷史、科學、文化、藝術四大價值的建筑,是國家的瑰寶。并對其只能修復、補強加固,不能改造,也不能用經濟價值來衡量,即一般不考慮在經濟價值上的合理性。

        1.6 可操作性

        在修復補強加固和改擴建時,施工上要盡可能做到簡便易行,在施工操作上可行,不致造成施工時出現難以解決的困境。

        2.修復、補強加固和改擴建的主要特點

        已有建筑物根據修復、補強加固和改造的需要,在修復、補強加固和改擴建中,要考慮原有建筑物的現狀;一般均在一定程度上要比新建更為復雜,它具有多學科、綜合性處理性質,是屬于土木工程建筑結構的邊緣學科。其主要特點有:

        2.1具有不同的歷史現狀:

        不同的已有建筑物其設計、施工、使用的情況不同,經過的歷史階段不同,特別是古建筑,需要分別經過檢查和檢測,通過現代測試技術和手法,檢測其內外的質量,隱患和險源,弄清其歷史和現狀,獲得其承載力、強度、剛度、抗裂、沉降和傾斜等各種有關信息,為處理提供了可靠的依據。

        2.2加固條件的限制

        根據功能能不同和功能改變,要考慮現有建筑物各種條件上的限止,例承載力的限止、建筑物凈空的限止,避免對不加固部位影響的限止,合理傳力和有效結合及連接的限止,與原有結構不能形成柔性結構與脆性結構混合體不相適應和協調的限止等。

        2.3二次受力的滯后現象

        加固構件與原有結構組合在一起共同二次受力時,要采取必要的措施克服與加固構件的間隙,以及在克服加固構件的松弛、彎曲后,減小受力滯后現象的影響,達到有效的共同受力。

        2.4周圍環境的限止

        原有建筑物外部改造時,需要考慮城市環境,對規劃用地的限止,以及裝飾美化的要求,使之容合于該城市區域的環境。

        2.5使用年限上的不一致性

        原有建筑物補強加固改擴建時,總是在已使用了一定時間后,其使用年限與新加固、改造部分不一致。要考慮一種是新加固改造部分年限與原有建筑物剩余使用年限一致的問題,即新加固改造設計降低使用年限;另一種是原有建筑物在加固時,提高其使和年限,達到與新加固、改造部分的使用年限一致。

        2.6施工條件的限止。

        施工前不但要受到原有建筑使用的限制,要求施工荷載(堆料)的限制,還要受原有建筑空間范圍狹小的限止,施工加固改造在技術的難度上比新建要大。并不得損傷不加固改造部分。在施工時,更加嚴格要求控制施工質量和安全。

        3.修復、補強加固和改擴建的主要原則

        在滿足建筑物新功能要求的基礎上,根據現有建筑的歷史和現狀,采用現行設計和加固的有關規范進行補強加固和改擴建設計,確保安全可靠。在加固設計中,要盡可能少拆和不拆,才能真正做到經濟合理。

        3.1合理加固、改擴建結構體系

        加固、改擴建結構與原有結構體系結合在一起共同工作,要求使用年限要互相一致,其間的變形要協調,避免脆性結構與柔性結構兩種完全不同的結構組合在一起。只有當加固擴建結構與原有結設縫分離時,可以采用不同的結構體系。

        3.2應力分析

        補強加固和改擴建設計,要使結構傳力路線短而直接,要經過嚴格計算;對一般加固時,允許采用彈塑性應力分析;但對重要工程和有防水要求的結構應按彈性應力分析,對新老構件結合共同受力時,在連接程度上存在松弛、不均勻緊密度差異無法解決時,要考慮其受力時的利用系數0.8~0.9,較差時采用0.8;對采用預應力加固,要考慮由于預應力筋的受力不均勻系數0.9和5~10%預應力損失的超張拉。并采取必要的構造措施確保被加固、改擴建建筑物的安全可靠。

        3.3優先采用輕質高強材料

        對補強加固和改擴建工程,應優先選用輕質高強度材料保溫、防水性能好的材料,以便減輕加固時自重,減少對原有結構的影響,也有利于減少地震效應。

        3.4充分利用原有結構

        要盡量發揮和利用原有結構的功能作用,做到少拆,物盡其用,減少加固工程范圍和工程量。對功能不變、荷載不變,對次要的梁板結構,與現有強度相差10%以內,可以不予補強加固,仍應保持一定的儲備安全度。

        3.5克服受力的滯后現象

        補強加固往往由于新舊構件間的間隙,加固筋松弛,需要采用預緊、鐵楔或采用體外預應力卸荷增強等措施,達到克服二次受力時的滯后現象。

        3.6加固時,荷載控制在設計容許范圍內。

        加固設計和施工時,要考慮盡量減少活荷重和堆積材料的荷載,其最大的荷載不得超過原設計容許的荷載。但加固設計時,已考慮荷載的增加,施工時已增加安全支撐等措施后,可以超過設計容許荷載。

        3.7經濟的合理性

        修復、補強加固和改擴建,要考慮經濟合理,盡可能減少投資,采用較經濟合理的方案。但對古建筑可在資金合理需要的基礎上,按實際需要控制。

        4.修復、補強加固和改擴建的方法

        由于已有建筑物現狀的不同,存在的問題和缺陷不同,功能改變的要求不同;室內環境各異,其重要性和使用的差異,需要采用的修復、補強加固和改擴建方法也各有差異。

        4.1構件修復

        對一般結構表面的裂縫、碳化、剝落、劈裂翹曲、油漆色變一般可采用修復處理。

        1)裂縫

        構件表面的裂縫待發展穩定后,對細小的表面裂縫采用水泥砂漿注入或壓力注入。對較大的裂縫采用水泥砂漿或膠漿采用灌入法或壓力灌漿,裂縫寬度≥0.5mm,要采用鑿補法,開鑿V型或U型,嵌固填入改性環氧樹膠修補;當裂縫引起鋼筋銹蝕要除銹皮后,要涂防銹劑,然后填補。

        2)風化、碳化、剝落

        對構件表面混凝土或磚露外產生的風化碳化甚至剝落,則應鏟除干凈至堅硬部位沖洗干凈后,刷純水泥漿結合層,然后采用高一號水泥砂漿抹面或采用噴射高一號細實混凝土或另加鋼絲網置換。

        3)劈裂、油漆色變和翹曲

        木結構因干縮引起的劈裂,則可在裂縫中注射結構膠,采用粘鋼或粘結纖維,豎向和橫向加固。然后膩子抹平后油漆防腐。對油漆受風吹雨淋變色和受潮翹邊,清除后,在干燥狀態下重新油漆、防腐。

        4.2強度補強加固

        對結構構件中的梁、柱、板、墻在抗拉、壓、彎、剪、扭等方面強度不足,剛度不足,撓度過大,或整體結構的空間剛度較弱、穩定性較差,均會對結構、構件的生的安全問題或隱患,需要采取補強加固。

        4.2.1強度不足剛度不足

        結構構件的強度和剛度不足,需要補強加固時,采用加大斷面、改變結構的體系等方法解決。

       。1)采用粘鋼板設射釘固定或粘玻璃纖維或碳纖維加固設U型箍,特別是兩端壓錨。采用纏繞鋼絲、纖維達到約束構件提高原有構件的抗彎、抗剪、抗扭強度和延性。

       。2)加大構件斷面,可采用單面、雙面、三面、四周擴大,混凝土、砌體要采用鋼或鋼筋混凝土增加受力面積,達到提高物件的承載力和剛度。

       。3)改變結構的體系減少原有構件的內力,采用增加構件的支承點,加斜撐,縮小跨度,增加剪力墻或托梁,設懸掛吊桿、拉桿、斜拉桿,但要注意新加支承點的內力變化。采用千斤頂、電熱法、夾緊法、懸重法預應力,采用直線法、折線法、綜合法,達到卸除構件的部分內力,然后增強原有構件并共同工作,同時還可使裂縫閉合,提高構件的承載力和抗裂度。

        4.2.2整體穩定性不足

        當結構整體空間剛度不足,可在建筑物屋面和柱間的周邊、中部和薄弱處,增設水平系桿和豎向支撐。組成框式封閉的支撐體系,確保結構的有效強度,整體空間剛度,達到穩定性可靠的目的。

        4.3結構傾斜

        由于建筑物基礎產生過大的不均勻沉降,從而引起結構傾斜易引發失穩,需要糾偏、提升克服不均勻沉降,使之恢復到容許范圍以內,確保建筑物的正常使用。

        4.3.1灌水

        在基礎沉降少的一側灌水或注水,軟化土體降低承載力失放地基應力,從而引起新的沉陷逐步達到縮小不均勻沉降,使之實現基本均勻沉降,滿足規范的要求。

        4.3.2掏土

        當基礎埋置深度較淺時,可在少量基礎沉降小的一側人工掏土,逐步使沉降增大,達到基本滿足規范要求的不均勻沉降。

        4.3.3頂升

        當部分基礎或墻體沉降較大,可切斷原有支撐構件采用夾緊柱、墻,由千斤頂頂升后,重新將該處切斷的構件采用相同材料連接或充填,恢復沉降的平衡。

        4.3.4加壓

        對少量基礎的產生較少的不均勻沉降時,在沉降小的一側基礎上加壓,強迫沉降使之達到基本滿足規范規定的要求。

        4.4改擴建

        改建擴建根據生產、生活和工作需要增加面積,及技術改造要求擴大規模有四種情況,一是立面造型和內部裝飾改造,二是內部空間擴大和改造,三是上、下加層和改造,四是周邊擴建。

        4.4.1造型、裝飾

        原有建筑物進行了立面造型上的改變,內部調整裝飾,會引起周邊需要附加后的裝飾構件,結構上會增加少量荷載,但一般對結構影響不大。此時應注意裝飾處理的可靠連接,如設裝飾性的玻璃幕墻,其連接不得采用膨脹螺栓,需采用植筋后錨技術。當增加的荷載超過設計容許荷載時,要采用必要的補強加固。

        4.4.2內部空間擴大,需要拔柱、拆墻需要改變受力體系,增加支承結構改變傳力方式;其支承結構有梁、柱、框架、桁架和基礎等需增加或擴大構件斷面。

        4.4.3上下增層、周邊擴大和改造

        當在已有建筑物周圍無場地時,可在原有建筑物上部增層加高,下部增加地下室;周邊有場地在靠近原有建筑物擴建,這種擴大改造一般可采用與原有建筑物相結合的方式有三種,完全分離的方式和既結合又分離的方式。

        1)結合式

        對原有單層、多層建筑物具有足夠的承載和空間時,可在單層的內部和多層的上部直接加層,此時一般加層數不宜過多,以1~3層為宜;當原有建筑物承載力不足,則需要通過加固柱、或墻體和基礎,穿過樓板與原有建筑物結合在一起共同工作。原有建筑物在周邊擴建時,亦可將挨著一側柱基或者墻體結合在一起共同工作,此時應注意可能引起的不均勻沉降特別在柱基結合處,可采用樁基加固地基。當采用結合式增加地下室一至二層時,要采用檔土墻、樁、柱替換原有建筑物柱、基。

        2)分離式

        當原有多層建筑物沒有足夠的承載力能力增層,可采用分離式,從原有建筑物頂上采用轉換層跨越,原有建筑物在兩側另立柱基支承,與原有基礎分開,另設基礎或樁基支承,全部分離形成獨立的受力系統,亦可稱套建式增層。在單層廠房有較高空間內,增層亦可自成結構體系,避開原單層基礎,兩端形成雙懸臂增層結構。至于在建筑物兩側擴建,挨著時為了避免互相影響,可在原有建筑物基礎上鉆孔,打入樁和附近設樁,在原有建筑物基礎上采用隔離式樁臺,支承擴建柱,形成與原有建筑物完全分離的單獨樁承載的措施。

        3)復合式

        采用結合式、分離式組合的復式改擴建,可以結合式為主,局部或次要部分分離;亦可以分離式為主,局部和次要部分結合。因此復合式增層改擴建要根據結構的特點、地基條件,改擴的規模大小而定,但要特別重視兩種方法組合使用時,注意避免引起不均勻沉降過大。

        5.補強加固、改擴建的幾個關鍵性問題

        建筑物補強加固、改擴建時,首先要克服原有建筑物存在的問題,要選擇合理加固、改造的結構體系。傳力路線、加固材料,良好的結合、連接,保持原有建筑結構風貌和一致性;并符合現行設計和加固規范的要求。

        5.1.合理加固、改造的結構體系

        在加固改造前,要對原有建筑結構存在的質量問題作相應的補強加固外,特別要對原有結構體系上存在的平立面嚴重不對稱,過大突變、荷載分布嚴重不均勻,質量中心與剛度中心存在較大的偏心,縱橫向各自兩端剛度變化差異過大,或其墻體錯位較大,從而造成建筑結構整體不均衡,因此在加固改造時要適當加以調整,或采取設縫和加強措施予以彌補,以求得到有效的改善。

        5.2.合理傳力路線

        被加固構件的傳力方式,無特殊原因,不應經過過渡性構件使結構間接傳遞受力,以免增加結構的復雜性和材料消耗。增加的構件也不宜在支承構件的側面連接,應直接在原有結構的上部支承連接,以免增加支承構件的彎矩或扭矩;對砌體結構上部構造柱,不宜生根在上部的圈梁內,以免地震時,不能形成連續的整體性抗震,宜應上下構造柱連通。

        5.3克服加固構件的受力滯后

        一般在加固構件連接上存在間隙或松弛,不能與已有荷載和二次加荷時同步受力,往往要滯后一個變形或時間,或使加固構件不能充分發揮作用;至于在原構件表面鑿毛或鑿槽或植短筋錨固要采用微膨混凝土澆灌加固部分與原有構件的連接,可改善在二次受力時能盡早與原有構件共同工作。

        但較理想的克服加固構件的受力滯后的辦法是采用體外預應力加固,可通過千斤頂、電熱法、夾緊法在加固筋上建立預應力,既可在預應力時,卸除原有構件的部分應力,又可使加固構件提前與原有構件共同受力;但應注意在對稱預應力加固構件時,由于兩側加固構件的松緊不一,使預應力有差異的,要考慮其受力差或要在千斤頂預應力加固時通過兩端螺栓擰緊,消除其間隙和松弛,一般可先建立0.03KPa的預應力;對預應力加固時還要考慮長期使用過程中的預應力損失5%。

        對采用鋼構件加固時,可通過打入填鐵、楔子、清除間隙和松弛,然后在構件間的縫隙內填以水泥砂漿、粘結砂漿,可以在一定程度上改善二次受荷后的共同工作。

        5.4滿足構造和受力的限值要求。

        所有加固構件要滿足設計和施工的最小限值要求,其中有最小斷面及最大開洞率最低混凝土標號,最小配筋率、配箍率最小保護層,植筋、植螺栓的最小邊距和中距,壓桿的細長比、軸壓比、限制撓度控制值,裂縫控制值。結構的高厚比、高寬比,平面突出部分允許長度、埋深等要求。

        5.5良好的連接

        要求良好的連接是保證新老構件組成整體的關鍵,連接時除了將原有構件鑿毛,設鍵槽、拉筋外,當采用粘鋼或纖維加固時,要用相應不同的粘結劑,要設射釘或U型箍和壓條加以固定,避免剝離。要在附近設有高溫和火源時采取隔熱和防火,以免結構膠在60℃以上,強度逐漸降低,遇火燃燒。

        當新老構件為剛性連接時,要將主筋互相焊接;螺栓連接時,其強度應大于鋼材強度,滿足錨固長度要求;或采用植筋,埋入混凝土內15d-20d左右。當新老構件鉸接時,可設牛腿支承連接或螺栓連接。

        對柱子加固要穿過樓板,固定在柱上時,要把加固鋼筋或角鋼互相焊接植入基礎,要在基礎上用混凝土加以固定;新增剪力墻加固時,鋼筋穿過樓板與支承梁上下外包;與基礎連接采用鉆孔植入。

        5.6.材料選擇的物理力學性質

        加固時選擇的材料應選用與原有建筑結構相協調一致,或相差不大的材料,以免因不同材料的彈性模量之間相差過大造成變形不協調,其材質的物理力學性質要符合規范標準。一般要選用高強輕質材料,盡量減少自重,有利于減小地震效應;所采用的鋼材、不同混凝土標號等材料的彈性模量要選用較小的屈服變化;較薄的混凝土構件,宜采用噴射細石混凝土;所采用的混凝土均應比原有構件高一號,其骨料粒徑不得大于加固層厚度的1/3。

        5.7.保持建筑物的原貌

        在古建筑修復、補強加固時,必須采取隱蔽嵌固式加固外,并使原有外型、色彩,保持原貌,達到補強加固后“依舊如歸”。

        5.8加強防護

        對所有外露構件,鋼材要刷防腐、防銹、防銹劑油漆,鋼結構在熱源區和防火災要求采用防火涂料或石棉水泥砂漿隔熱防火;混凝土、磚體露外表面要刷涂料,防止過早過快的引起碳化、風化,以便延緩老化;木結構要在干燥后使用外,要采取防裂防腐、防蛀等有效防護措施,從而確保各種結構的正常使用。

        6.修復、補強加固和改擴建的發展前景

        我國目前正處于生活水平提高、房地產興起,工業建筑在目前生產力發展后,工業實行技改,出現改造擴大的新階段。民用建筑有些過去設計中未考慮抗震要求,以及施工和使用中往往出現大小不同的各種問題,以及使用中要求功能改變和擴大,客觀上對已有建筑物的修復、補強加固和改擴工程隨著其使用年限的增加會越來越多。工業與民用建筑不斷增多的修復補強加固和改建,已積累了不少經驗教訓,為其發展創造了良好的基礎。并逐步形成為土木工程中的一個重要分支學科。

        1)修復、補強加固和改擴建方法有新發展

        特別要提到的是體外預應力加固的發展,有效的解決了二次受力的滯后問題;和植筋后錨固新技術的成熟發展,有效地解決了新老構件連接的可靠錨固結合問題,不但克服了過去膨脹螺栓后錨力小,不可靠,是使補強加固變得又方便更可靠。

        2)加固材料創新發展

        加固材料新發展中,有碳纖維復合材料,不但強度高,且薄而輕,可不占有使用空間,同時結構膠的研制成功,使不同構件材料間粘結得更好,且比原有材料的強度要高得多;從而使碳纖維材料的增強作用得到充分發揮,使得施工很方便簡單可行。

        3)設計、施工規范的逐步完善

        我國在修復補強加固和改擴建工程方面,在總結已有實踐的基礎,完善的加固設計規范和施工規范,為今后修復、補強加固和改擴建工程創造了更有利的條件,并帶來極大的方便。

        隨著修復、補強加固和改擴建的方法發展,加固材料的創新,加固設計、施工的規范化、標準化,施工技術和工藝技術改進和提高;必將進一步推動修復、補強加固和改擴建事業的向前發展;其前景是非常廣寬的,對社會發展、改善生產和生活,以及滿足人們的需求所發揮的作用也是很可觀的。



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