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傳統(tǒng)加固改造設(shè)計(jì)與施工的精髓

一根據(jù)佟建國(guó)總工程師歷次講話整理

我們的老祖宗幾千年前就知道如何進(jìn)行加固了。你看”固”字不就是把“古”字的結(jié)構(gòu)“口”起來嗎?而現(xiàn)代建筑之所以在強(qiáng)震的作用下其受損程度比以往任何時(shí)代慘重,我想很大程度上是由于現(xiàn)代建筑的高大質(zhì)量和剛度。剛度突變和質(zhì)量差異造成的破壞在5.12汶川大地震中表現(xiàn)尤為突出。因此,我在與設(shè)計(jì)院朋友交流時(shí)反復(fù)強(qiáng)調(diào)這點(diǎn)。雖然是老話常談,但一些設(shè)計(jì)還是不盡人意。為了幫助工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),我國(guó)推出了大量的規(guī)范、規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)。但問題是一些設(shè)計(jì),過于依賴于電腦的輸出結(jié)果,對(duì)規(guī)范中的基本理論了解不足。日本東京工業(yè)大學(xué)的和田章教授說的好”我們不能只是一味的抓著這些指南(等同國(guó)內(nèi)的規(guī)范)中像枝葉一樣繁冗的各項(xiàng)條款不放。應(yīng)該撥開這些繁密的枝葉,去發(fā)現(xiàn)其中的主干,也就是那些對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全最為重要的基本原理。即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從理解結(jié)構(gòu)普遍性的基本原理入手。

我的看法是: A.新增加的構(gòu)件和材料,通過粘接、嵌入、植入、注入、圍包、焊接、覆蓋、噴射、預(yù)應(yīng)力等技術(shù)手段與原主體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合,形成新的整體共同工作。從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)加固、增設(shè)構(gòu)件以及改變受力的目的。這里特別應(yīng)該提到的是緊密結(jié)合是必須的，但不是唯一的，唯一的是必須達(dá)到共同工作。使新增荷載有效地傳遞到復(fù)合構(gòu)件上,從而經(jīng)受使用、環(huán)境和時(shí)間帶來的考驗(yàn)，這應(yīng)該是加固技術(shù)最基本的機(jī)理和概念。

B.既有建筑進(jìn)行加固改造不可避免的受到原結(jié)構(gòu)以及使用功能要求等諸多限制,特別是節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域的復(fù)雜受力和內(nèi)部結(jié)構(gòu),我們的辦法是力求在掌握現(xiàn)行規(guī)范(規(guī)程)原則前提下,緊密結(jié)合實(shí)際,采取有效措施靈活運(yùn)用,保證新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)連接可靠、牢固結(jié)合,從而達(dá)到共同工作的目的,使新增荷載有效地傳遞到復(fù)合構(gòu)件上。

C.結(jié)構(gòu)件的加固設(shè)計(jì),除應(yīng)滿足承載力要求外, 尚應(yīng)復(fù)核其抗震能力，不應(yīng)存在因局部加強(qiáng)或剛度突變而形成新的薄弱點(diǎn)。同時(shí)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度增大而導(dǎo)致的地震作用效應(yīng)增大影響。同樣,新建設(shè)計(jì)也是如此。

加固設(shè)計(jì)與施工基本要求

加固設(shè)計(jì)是按現(xiàn)行加固規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加固方案的深化過程，加固施工是對(duì)被加固結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)進(jìn)行加固的實(shí)施過程。因此,我們強(qiáng)調(diào)加固設(shè)計(jì)與施工的過程,就是針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)受損加固和抗震加固的基本特點(diǎn)和機(jī)理進(jìn)行的,特別是施工過程中步驟是否符合系統(tǒng)受力,這個(gè)過程也包括了從安全性鑒定和抗震鑒定到完成審圖的過程，整個(gè)過程應(yīng)該有機(jī)的結(jié)合在一起。特別是采用加固前后的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，手算和電算相結(jié)合完成驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)。深入實(shí)地的調(diào)查研究制定切實(shí)可行的加固方案和施工方案。

（1）我們?cè)谂袛嗍軗p建筑是否嚴(yán)重,是否可以進(jìn)行加固，不是看其裂縫的大小，而是認(rèn)真檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,沉降和傾斜是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（2）加固方案的確定,是在全面綜合地考慮原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀況,原建筑使用空間和其它功能要求,加固施工的技術(shù)條件(施工技術(shù)、設(shè)備、熟練技工等)和非技術(shù)因素(資金、工期等)以及對(duì)加固效果的估計(jì)等多種因素后,經(jīng)過多個(gè)方案分析比較選擇使用最佳方案。不能單憑印象和經(jīng)驗(yàn)辦事。

（3）既有建筑在加固前必須進(jìn)行抗震和安全性鑒定。僅憑應(yīng)急評(píng)估是不行的。因?yàn)槠滂b定結(jié)果是加固設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。災(zāi)區(qū)的加固,特別是民用建筑及九十年代初以前的建筑，三分之二以上是沒有完善竣工圖的。其鑒定的質(zhì)量和結(jié)果就更加重要了。

（4）加固設(shè)計(jì)前仍應(yīng)對(duì)建筑的受損現(xiàn)狀進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查。發(fā)現(xiàn)圖紙上未說明的缺陷和損傷進(jìn)行專門分析。在加固時(shí)一并處理。

（5）加固是系統(tǒng)工程,包括整體房屋、區(qū)段以及構(gòu)件加固。要優(yōu)先采用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體承載力和抗震性能的手段方法,消除不利的因素。

（6）特別是要防止結(jié)構(gòu)的脆性破壞,避免結(jié)構(gòu)的局部加固,使結(jié)構(gòu)承載力和剛度發(fā)生突變。

（7）框架結(jié)構(gòu)加固后,宜盡量消除” 強(qiáng)梁弱柱”和”上強(qiáng)下弱”的不利于抗震的受力狀態(tài)。使加固后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布均勻、對(duì)稱。減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（8）要采取有效措施盡可能的保證新增加截面、構(gòu)件和部分與原有結(jié)構(gòu)未受損的部分能夠可靠的協(xié)同工作,整體受力,共同承擔(dān)加固后該結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)承受的荷載和外加(或約束)變形。如果技術(shù)上做不到新加部分與原有部分的協(xié)同受力,也要在構(gòu)造和連接上做到加固部分分擔(dān)被加固部分的荷載,減輕被加固部分的負(fù)荷,使其達(dá)到允許程度。

（9）新增構(gòu)件與原主體之間應(yīng)有可靠的連接,其連接質(zhì)量是加固后結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵。

（10）新增的柱、墻等豎向構(gòu)件應(yīng)有可靠的基礎(chǔ)。這些構(gòu)件既是傳遞豎向荷載，又是直接抵抗水平地震作用的主要構(gòu)件。必須自下而上連續(xù)設(shè)置并落在基礎(chǔ)上。決不允許直接支承在樓層梁板上。

（11）對(duì)于加大截面的部分兩端一定要避開節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及剛度突變位置,對(duì)因加大截面而增添地震作用的柱應(yīng)當(dāng)專門驗(yàn)算。

（12）在加固構(gòu)件時(shí),盡量不損壞原有結(jié)構(gòu),并保留其有利用價(jià)值的部分避免不必要的鑿傷、拆除受損,這樣做，方面考 慮的是經(jīng)濟(jì)效益 ,另一方面考慮的是盡量減少薄弱部位。因?yàn)榧庸趟略龅牟糠峙c原有部分的連接畢竟是建筑物的薄弱點(diǎn)。

（13）加固后新舊材料能夠共同受力的構(gòu)件,應(yīng)考慮加截面材料的應(yīng)力滯后問題。被加固的原截面,在加固前已受力,但新加截面并不立即分擔(dān)其受力,而是在新增加的荷載作用下才可能受力。所以在加固后的截面，上始終存在著新加截面應(yīng)力滯后于原截面應(yīng)力的現(xiàn)象。這種應(yīng)力滯后現(xiàn)象,使得加固截面到達(dá)其極限狀態(tài)時(shí),新加截面材料的應(yīng)力可能較低,它們尚難以充分發(fā)揮其潛力。以鋼筋混凝土軸心受壓短柱的加固截面為例(圖1 )。加固時(shí)原截面混凝土和鋼筋已經(jīng)受力,其應(yīng)變?yōu)棣?。這時(shí),混凝土的壓應(yīng)力為σ1c ,鋼筋的壓應(yīng)力為σ1s ;但新加截面尚未受力，其混凝土和鋼筋的壓應(yīng)力為零。待到加固截面達(dá)到承載力極限狀態(tài)的瞬間,原截面混凝土的壓應(yīng)力為0.002 ,應(yīng)力為fxk ,原截面鋼筋的應(yīng)變也為0.002 ,應(yīng)力為fyk ;而新加截面混凝土和鋼筋材料的應(yīng)力卻都未達(dá)到其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),考慮偏于安全的簡(jiǎn)化后, 新加截面材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)引入強(qiáng)度降低系數(shù)n , n取0.8~0.9。 當(dāng)加固截面的受力狀態(tài)為軸心受壓時(shí),取偏低值;偏心受壓或受彎時(shí),取偏高值。當(dāng)加固構(gòu)件直接承受動(dòng)力荷載或震動(dòng)荷載時(shí),取偏低值;否則,可取偏高值。詳見《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50367 -2006 )。