文／劉史韜 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510000

引言：

建筑結(jié)構(gòu)加固改造是一個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)域，涉及到現(xiàn)有建筑物的維修、改造和提升結(jié)構(gòu)性能的問(wèn)題。隨著時(shí)間的推移，許多建筑物面臨著老化、結(jié)構(gòu)損傷或不符合新的設(shè)計(jì)要求的情況。在許多情況下，拆除和重建并不切實(shí)可行，因此，加固改造成為一種經(jīng)濟(jì)有效且可行的選擇[1]。加固改造設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，提高建筑物的安全性、可靠性和使用壽命。在進(jìn)行加固改造設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估，以了解現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的問(wèn)題和潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，可以制定相應(yīng)的加固策略和設(shè)計(jì)方案。

1.加固改造設(shè)計(jì)基本原則和方法

1.1 結(jié)構(gòu)加固的原則

結(jié)構(gòu)加固的原則是在保持原有建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和完整性的基礎(chǔ)上，提高其承載能力、剛度和抗震性能。首先，合理利用和充分發(fā)揮原有結(jié)構(gòu)的潛力。通過(guò)評(píng)估和分析原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和耐久性等性能，確定其承載能力和改造潛力。在加固設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能保留和加強(qiáng)原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮其作用，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞和改動(dòng)。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和需求制定合理的加固方案。加固方案應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、荷載特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式和使用要求等因素來(lái)制定。在選擇加固方案時(shí)，應(yīng)考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性等方面的因素，并綜合評(píng)估不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。再則，采用適當(dāng)?shù)牟牧虾图夹g(shù)進(jìn)行加固[2]。根據(jù)加固設(shè)計(jì)方案的要求，選擇合適的材料和施工技術(shù)進(jìn)行加固工作。常見的加固材料包括鋼材、纖維復(fù)合材料、碳纖維板等，而加固技術(shù)可以包括粘結(jié)鋼板加固法、增大截面法、粘貼碳纖維布加固法等。最后，加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性和可操作性。在加固設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理需求，確保加固后的結(jié)構(gòu)能夠方便進(jìn)行日常維護(hù)和定期檢查。此外，加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化施工過(guò)程，提高施工效率，減少對(duì)現(xiàn)有使用的干擾。

1.2 加固改造方法

1.2.1 增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

為了提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸或采用高強(qiáng)度材料，可以有效增加結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪和抗壓能力。此外，可以通過(guò)增加構(gòu)件的數(shù)量或布置方式來(lái)增加結(jié)構(gòu)的重力承載能力[3]。例如，在混凝土梁的底部增加鋼梁承托或粘貼鋼板加固以提高其承載能力。還可以通過(guò)加固構(gòu)件的連接方式，如增加連接件的數(shù)量、使用高強(qiáng)度螺栓等，提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度。另外，使用鋼筋混凝土套筒、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等加固材料進(jìn)行包裹或加固某些薄弱部位，也是增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效手段。在增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)性和平衡性，避免出現(xiàn)局部過(guò)于強(qiáng)硬而引發(fā)其他問(wèn)題。

1.2.2 增加結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度是指結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中抵抗變形的能力，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗震性能至關(guān)重要?？梢圆捎眉庸虡?gòu)件的方式，如在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中添加鋼梁、鋼柱等加固構(gòu)件，以增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，這種方法可以有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，使其能夠更好地抵御外部荷載和地震力的作用[4]。剛性節(jié)點(diǎn)是指在結(jié)構(gòu)中設(shè)置較大的剪力墻、框架節(jié)點(diǎn)或剪力連接件等，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水平方向上的剛度和穩(wěn)定性，這種方法可以有效地抵抗地震力和水平荷載的作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。此外，還可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的組合剛度來(lái)增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，組合剛度是指通過(guò)結(jié)構(gòu)的布置和連接方式，使結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分相互協(xié)作，形成一個(gè)整體剛性體系。例如，在某些情況下，通過(guò)合理的柱網(wǎng)布置和梁柱連接方式，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。

1.2.3 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

地震是一種嚴(yán)重威脅建筑物安全的自然災(zāi)害，因此加固改造設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)和承載能力[5]。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以加固結(jié)構(gòu)的承載體系，增加其整體的剛度和穩(wěn)定性，例如增加柱子、剪力墻和框架梁的尺寸和數(shù)量，增強(qiáng)其抗震承載能力，使結(jié)構(gòu)在地震荷載下能夠更好地抵抗變形和破壞。采用加固材料和技術(shù)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使用高強(qiáng)度混凝土或鋼材料替換原有結(jié)構(gòu)中的弱點(diǎn)部位，以增加其強(qiáng)度和韌性。此外，可以采用預(yù)應(yīng)力或鋼筋混凝土加固技術(shù)，通過(guò)施加預(yù)壓力或添加鋼筋來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能。另外，增加結(jié)構(gòu)的阻尼和能量耗散能力也是提高抗震性能的重要手段，通過(guò)在結(jié)構(gòu)中引入阻尼器、減震器或能量耗散器等裝置，可以吸收和消散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)，提高其抗震性能和穩(wěn)定性。

1.2.4 加固構(gòu)件的連接與布置

加固構(gòu)件的連接方式能夠確保荷載的有效傳遞，并保證連接部位的強(qiáng)度和剛度與原有結(jié)構(gòu)相匹配。常見的連接方式包括螺栓連接、焊接連接和粘結(jié)連接等，連接部位的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量也需要嚴(yán)格控制，以確保連接的可靠性和穩(wěn)定性。加固構(gòu)件的布置應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制和受力狀況進(jìn)行合理規(guī)劃，布置的目標(biāo)是在關(guān)鍵部位引入足夠的加固構(gòu)件，以提供所需的強(qiáng)度和剛度增加[6]。加固構(gòu)件的布置應(yīng)避免集中加固和剛度不均勻的情況，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體的平衡和協(xié)調(diào)。通過(guò)合理的布置，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和最佳性能。此外，加固構(gòu)件的選擇和材料的使用也對(duì)連接和布置起到重要影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需求和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的加固構(gòu)件類型和材料，如鋼材、纖維復(fù)合材料等。同時(shí)，考慮加固構(gòu)件的尺寸和形狀，以便與原有結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)并兼顧施工可行性。

2.結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)分析框架

2.1 結(jié)構(gòu)評(píng)估

2.1.1 結(jié)構(gòu)性能評(píng)估

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)之前，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行評(píng)估是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)性能評(píng)估旨在了解結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性等方面的情況，以便確定加固改造的需求和方向[7]。表1 用于結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的分析，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，可以確定結(jié)構(gòu)性能存在的問(wèn)題和不足，并進(jìn)一步確定加固改造的重點(diǎn)和方向。例如，如果結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，可以針對(duì)強(qiáng)度不足的部位進(jìn)行加固措施；如果結(jié)構(gòu)的剛度不足，可以采取增加剛度的方案進(jìn)行改造；如果結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足，可以進(jìn)行穩(wěn)定性分析并采取相應(yīng)的加固措施。

表1 結(jié)構(gòu)性能評(píng)估分析

2.1.2 結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度和性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，可以準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)的受損情況，為后續(xù)的加固改造設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估時(shí)，需要綜合考慮多種因素，包括結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、力學(xué)性能、施工質(zhì)量以及外部荷載等。常用的評(píng)估方法包括可視檢查、結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)、非破壞性測(cè)試和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等[8]。可視檢查是最基礎(chǔ)也是最常用的損傷評(píng)估方法之一，通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)觀察和檢查，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面的裂縫、變形、腐蝕和脫落等明顯的損傷跡象。同時(shí)，還可以收集和分析相關(guān)的結(jié)構(gòu)使用和維護(hù)記錄，以了解結(jié)構(gòu)的歷史性能和維護(hù)情況。結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)是一種通過(guò)特定的儀器和技術(shù)手段，對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行定性和定量分析的方法，常用的結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)包括超聲波檢測(cè)、紅外熱像儀檢測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)和攝像監(jiān)測(cè)等，這些技術(shù)可以幫助識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱蔽缺陷，如裂縫、空洞、銹蝕和松動(dòng)等。非破壞性測(cè)試是一種通過(guò)施加外部負(fù)荷或能量輸入，通過(guò)觀測(cè)和記錄結(jié)構(gòu)的響應(yīng)來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度的方法。常用的非破壞性測(cè)試方法包括振動(dòng)測(cè)試、聲發(fā)射測(cè)試、電阻測(cè)試和紅外熱成像測(cè)試等。這些方法可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、聲波傳播速度、電阻變化和熱分布等信息，從而判斷結(jié)構(gòu)的受損情況。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是一種長(zhǎng)期、連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)和記錄的方法。通過(guò)安裝傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、振動(dòng)和溫度等參數(shù)，以獲取結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和損傷演化過(guò)程。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)可以提供更加詳細(xì)和準(zhǔn)確的損傷評(píng)估數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)的決策提供更可靠的依據(jù)[5]。

2.2 方案選擇

2.2.1 加固方案比較與評(píng)估

加固改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一是對(duì)不同的加固方案進(jìn)行比較和評(píng)估，以確定最合適的方案。在進(jìn)行方案比較時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，包括技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性和環(huán)境影響等。針對(duì)結(jié)構(gòu)的具體情況，需要考慮加固材料的可用性和適用性，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術(shù)，因此需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和需求，選擇適合的技術(shù)方案。同時(shí)，加固方案應(yīng)考慮施工過(guò)程中的可行性和實(shí)施難度，包括施工方法、施工時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)操作要求等，評(píng)估方案的施工可行性可以減少施工風(fēng)險(xiǎn)，并確保加固改造工程的順利進(jìn)行。加固改造可能會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，如噪聲、粉塵、廢棄材料等。評(píng)估加固方案對(duì)環(huán)境的潛在影響，并采取相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施，以減少負(fù)面影響，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在選擇最合適的加固方案時(shí)，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性因素，以確保在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡可能降低成本和資源投入。加固改造的成本對(duì)于項(xiàng)目的可行性和實(shí)施決策具有重要影響，經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)不同加固方案的成本和效益進(jìn)行綜合分析，找到最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)，需要對(duì)加固方案的成本進(jìn)行評(píng)估，包括材料成本、勞動(dòng)力成本、設(shè)備租賃成本以及施工期間產(chǎn)生的其他費(fèi)用等，不同加固方案可能涉及不同的材料和施工工藝，因此需要對(duì)每種方案的成本進(jìn)行詳細(xì)分析和比較。還要評(píng)估加固后建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命和維護(hù)成本，加固改造設(shè)計(jì)的目的之一是延長(zhǎng)建筑的使用壽命并降低維護(hù)成本，通過(guò)綜合考慮結(jié)構(gòu)的耐久性、維護(hù)周期和維護(hù)工作量等因素，可以對(duì)加固方案的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估。此外，還需要考慮加固改造設(shè)計(jì)對(duì)建筑物功能和價(jià)值的影響，有時(shí)加固方案可能會(huì)對(duì)原有建筑的功能、使用空間或美觀度產(chǎn)生一定的影響。在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)中，需要權(quán)衡加固方案的經(jīng)濟(jì)成本與對(duì)建筑物功能和價(jià)值的影響之間的關(guān)系，找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，可以使加固改造設(shè)計(jì)更加科學(xué)、高效和經(jīng)濟(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素，包括結(jié)構(gòu)材料的選擇、構(gòu)件尺寸的確定以及連接方式的設(shè)計(jì)。不同材料具有不同的力學(xué)性能和成本特點(diǎn)，因此在優(yōu)化過(guò)程中需要綜合考慮材料的強(qiáng)度、剛度、耐久性以及成本等因素，通過(guò)合理選擇材料，可以使結(jié)構(gòu)在加固后既滿足強(qiáng)度要求，又盡可能減少材料成本。構(gòu)件尺寸的大小直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，在優(yōu)化過(guò)程中，需要考慮不同構(gòu)件的尺寸比例，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理布局和力學(xué)性能的優(yōu)化，通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算和分析，可以確定最優(yōu)的構(gòu)件尺寸，使得結(jié)構(gòu)在加固后具備更好的整體性能。連接方式的選擇和設(shè)計(jì)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的剛性、可靠性和施工難度，不同連接方式的適用性，以及連接部位的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，通過(guò)優(yōu)化連接方式，可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)簡(jiǎn)化施工過(guò)程。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

結(jié)構(gòu)布置直接影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度分布和荷載傳遞效果。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化時(shí)，需要綜合考慮以下幾個(gè)方面的因素。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分布：通過(guò)合理的布置和配置構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的均勻分布，從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力。荷載傳遞路徑：結(jié)構(gòu)布置應(yīng)確保主要荷載沿著預(yù)定的傳力路徑傳遞，避免荷載集中或傳力路徑不清晰的問(wèn)題，以提高結(jié)構(gòu)的整體性能。施工可行性：在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時(shí)，需要考慮施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性。合理的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)考慮到施工過(guò)程中的可操作性，以減少施工難度和成本。

3.工程實(shí)踐分析

以最近我國(guó)南方某電視臺(tái)改造加固項(xiàng)目為例，能更好了解結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)分析框架的具體實(shí)踐。該項(xiàng)目地下2 層，地上21 層，高度為97.75 米，總建筑面積為13.54 萬(wàn)平方米，于2012 年11 月完成主體結(jié)構(gòu)工程驗(yàn)收后一直閑置至今。項(xiàng)目原設(shè)計(jì)為廣播電視使用功能，現(xiàn)因業(yè)主需求改變?yōu)檗k公性質(zhì)對(duì)外出租。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，委托相關(guān)鑒定單位進(jìn)行安全性鑒定，通過(guò)可視檢查、結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)查勘，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部分進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，并提供最終檢測(cè)報(bào)告。設(shè)計(jì)人員通過(guò)檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估、分類處理，比選可行性結(jié)構(gòu)加固方案并估算工程量，確定最具經(jīng)濟(jì)效益的加固方案。本項(xiàng)目確定梁的加固原則為計(jì)算配筋較實(shí)際配筋相差40%以內(nèi)采用粘貼鋼板形式加固，40%以上采用加大截面加固法，樓板采用粘貼碳纖維布補(bǔ)償加固處理，剪力墻加固采用扁鋼抗剪鍵+鋼板壓條+穿墻螺桿的加固形式（圖1）。地下室由于采用暗梁+空心板樓蓋結(jié)構(gòu)布置，上述加固方法均存在一定施工難度，所以本項(xiàng)目采用在暗梁底或板底加鋼梁承托的加固形式，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力。此外，本項(xiàng)目在部分區(qū)域新增結(jié)構(gòu)樓板，設(shè)計(jì)人員通過(guò)結(jié)構(gòu)布置及連接方式優(yōu)化，盡可能減少對(duì)原有結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的整體性及安全性。

圖1 剪力墻開洞加固大樣

結(jié)語(yǔ)：

本文通過(guò)深入研究和分析建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)，提出了一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)分析框架，通過(guò)結(jié)構(gòu)評(píng)估、方案選擇和設(shè)計(jì)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，可以有效地指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)的加固改造設(shè)計(jì)。該框架為工程實(shí)踐提供了重要的參考和指導(dǎo)，以期能推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)的發(fā)展和創(chuàng)新。