結構的檢測加固與再設計

中國建筑科學研究院(編寫人：徐有鄰、劉剛)

　　1．我國基本建設現狀及發展
1.2我國基本建設現狀
基本建設的規模；存在問題：質量問題、安全隱患、消耗巨大、環保壓力、耐久性差……。
1.2.結構檢測加固的內容
(1) 結構安全性(危房及安全隱患)鑒定，排除抗力缺陷引起的建筑物安全隱患。
(2) 結構安全事故的調查處理，判斷事故的原因、性質、后果以及處理方案。
(3) 結構服役期制度化的定期檢查、維修以保證安全及使用功能。
(4) 建筑歸屬關系變化導致功能的改變引起的檢測鑒定，作為再設計的依據。
(5) 設計使用年限后期為延長使用期進行的檢測鑒定及再設計。
(6) 幾百億平方米低安全度既有結構的檢測與再設計。
1.3. 檢測加固與再設計的發展
(1) 我國結構安全事故頻發，形成了不小的檢測加固市場。
(2) 大規?；窘ㄔO后，服役期和使用后期的繼續使用問題。
(3) 歷史形成幾百億低安全度既有結構的繼續使用，提出了巨大的需求。
(4) 基建高潮后發達國家經濟增長模式變化，既有建筑改造利用的再設計。
(5) 我國在大規?；ㄒ院?，建筑業必然轉變為以加固改造的再建造為主。
2.結構缺陷及混凝土缺陷的檢測
2.1工程事故調查

2.2 結構質量事故的特點
(1) 混凝土結構、構件承載力不足以及惡性事故的比例相對較少。
(2) 大量問題是影響使用功能的可見裂縫及過大的變形。
(3) 混凝土早期低強以及模板施工超載的影響，施工階段是質量事故的高發期。
(5) 傳統設計安全度偏低以及長期服役后的耐久性問題，近年事故發生較多。
(6) 建筑商品化以后，不恰當使用對結構影響而引起事故的頻率加大。
(7) 混凝土結構事故的原因很少是單一的，往往為多種因素綜合作用所致。
2.3 結構檢測與工程驗收

結構檢測的基本原則：公正、公開、客觀、科學、全面、嚴密。堅持必要的工作程序。
2.4 混凝土結構檢測方法
（1）結構混凝土強度的檢測：鉆芯法、回彈法、超聲法、綜合法、拔出法、射釘法、推剝法…
（2）混凝土缺陷檢測：表面缺陷的觀察；裂縫描繪及量測；內部缺陷檢測；檢測結果分析。
（3）結構幾何參數檢測：結構體形偏差、構件尺寸偏差、鋼筋移位量測、量測結果分析。
（4）耐久性檢測：環境類別、資料調查、混凝土耐久性檢測、銹蝕鋼件檢測、量測結果分析。
（5）結構試驗檢測：作用和特點、預制構件試驗、結構原位試驗、內力模擬的加載原則。
3.結構(構件)的評定（鑒定）
3.1結構安全的基本概念
安全的基本概念；結構安全的可靠度；結構(構件)的可靠性評定。

3.2 建筑結構的綜合評定
承載能力評定；構件子單元的評定；建筑結構的綜合評定；可靠性鑒定標準。
3.3其它類型的評定
改變用途的評定；使用狀態的評估；耐久性評估……。
3.4 結構(構件)評定（鑒定）的意義
確定結構安全-功能狀態；探討造成缺陷原因；決定結構處理原則；建議結構加固設計方法。
4.構件的加固處理
4.1構件加固設計的原則
（1）保證構件的承載力和結構的安全。
（2）避免拆改，影響、干擾原結構的傳力途徑，盡量維護結構的整體穩定性。
（3）盡量減小加固后質量、剛度的突變，減少對原受力體系的影響。
（4）盡可能減少對于使用功能（觀感、防水、滲漏、保溫、隔音等）的影響。
（5）徹底根除影響安全、耐久和使用功能的隱患，保證加固處理后有足夠的使用年限。
（6）加固措施應該具有可執行性，構造簡單易行，施工操作方便，能夠保證質量。
（7）經濟節約，盡量減少對材料、資源的消耗，減少加固處理的經費。
（8）加固處理方法具有多樣性，應注意分析、比較，進行方案的優化選擇。
4.2 加固的意義及局限性
缺陷構件的加固是整個結構加固-處理的基礎。但局部加固可能引起剛度-質量突變而影響結構整體穩固性。應從結構方案上采取更為徹底的“既有結構再設計”解決。
4.3 增大混凝土截面加固法
加固機理；加固方法；注意事項：后澆混凝土層的構造；界面的連接；對質量-剛度的影響。
4.4 外包鋼材加固法
加固機理；加固方法；注意事項：與構件連接方式；保證施工質量；考慮對內力分布的影響。
4.5 錨貼鋼材加固法
加固機理；加固方法；注意事項：基底處理；卸荷狀態施工；保證錨貼施工質量；覆蓋保護。
4.6 粘貼碳纖維加固法
加固機理；加固方法；注意事項：轉角處理；碳纖維布的錨固與搭接；附加錨固措施。
4.7 外加預應力加固法
加固機理；加固方法；注意事項：合理選擇加固形式；外加預應力的控制；預應力張拉-轉折-錨固；預應力筋保護。
4.8 改變傳力途徑加固法
加固機理；加固方法；注意事項：滿足使用功能；資質問題；約束性文件。
5. 結構再設計的意義
5.1 再設計的意義
我國基本建設狀況；發達國家的基建狀況；我國基本建設的發展趨勢；既有建筑維護、加固、改造為目的“再設計”和“再建造”為主的工作模式。
5.2建筑結構的安全層次
（1）傳統安全概念局限性：建立在材料強度和構件屈服基礎上的安全概念。“重構件-輕結構”；“重計算-輕構造”的偏向，忽略了結構真正的安全隱患。
（2）惡性事故調查分析：造成構件解體-結構倒塌的真正原因是結構方案（整體性穩固性—魯棒性）不良；變形性能太差（脆性斷裂）；連接構造缺陷（結構解體），具體表現為以下原因;
結構方案的根本性缺陷：底層垂直構件墻、柱及靜定構件屋架、懸臂等太薄弱；
結構體系傳力途徑不合理：屋架、懸臂、磚拱等構件缺乏必要的冗余約束；
材料脆性：砌體、冷加工鋼筋導致結構延性太差，在強迫位移下脆斷引起結構解體；
連接構造質量差：關鍵受力部位及連接構造缺陷，節奌、底柱、底墻破壞引起連續倒塌；
服役期的使用問題：野蠻施工；管理不善；超載使用，隨意加層，不恰當改建……等。
人為因素：無意、有意、悪意打擊“死穴”而造成倒塌，“用最小能量摧毀最大建筑”的研究。

　　（3）災害中結構倒塌的調查分析：天災人禍偶然作用：長江洪水、桑美臺風、衡陽大火、湘黔冰災、汶川地震、舟曲泥石流、9.11事件……，造成結構倒塌的巨大損失。幾乎都與材料強度和構件承載力無關，而是由于結構方案、內力分析、連接構造的缺陷。
（4）建筑結構的安全層次：“911事件”后對結構安全的新認識。結構安全的層次。
使用安全感觀：服役結構太大的撓度、裂縫、耐久性缺陷引起的不安全感。
構件截面屈服：在不利承載下鋼筋屈服-混凝土破碎發生強度破壞的影響。
結構連續倒塌：偶然作用下結構局部構件破壞而引起的連續倒塌。
5.3結構的防災性能及整體穩固性
（1）結構防災性能及整體穩固性：結構安全的核心是防災能力—偶然作用下防連續倒塌性能。防災能力取決于結構的整體穩固性。在設計中反映為結構方案、內力分析、連接構造等。
（2）防倒塌概念設計：避—選址規避；泄—作用渲泄；隔—隔離防護；備—備用途徑；強—強化保護；柔—柔性耗能；躲—躲藏待援。這是很重要的綜合安全性能的考慮。
（3）結構防連續倒塌設計：混凝土結構設計規范簡介定量設計方法：局部加強法、拉接構件法、拆除構件法的原理；操作性更強的防連續倒塌設計規程正在編制。
5.4 既有結構再設計的特點
（1）結構再設計的定義：從結構體系整體穩固性考慮，針對既有結構在結構方案、內力分析、連接構造等方面的缺陷而進行全面的再次設計。僅在構件層次上加固太局限，甚至效果相反。從結構整體角度來處理混凝土缺陷，才能夠提高結構的安全性。
（2）經濟發展的需要：早期基建進入服役后期；低安全度設計-建造的欠缺；未考慮耐久性設計的遺畄問題；幾百億平米既有結構延長使用年限現實……。經濟發展模式變化帶來通過“再設計”獲得繼續發展，對結構再設計的要求肯定會與日俱增。
（3）建筑業轉型趨勢：基建高潮后的平穩發展期。建筑產業化走向：建造-制造；粗放-集約；勞力密集-技術密集。檢測加固和再設計-再建造必然成為建筑業的主要形式。
6.既有結構的再設計
6.1 再設計的應用范圍
5種情況：續用、復核、改建、加固、修復；分為兩類：復核驗算以及重新再設計。
6.2 結構的安全及處理原則
（1）結構方案缺陷的影響：傳統設計“重構件-輕結構”；“重計算-輕概念”造成既有結構經常帶有根本性的缺陷，往往在偶然作用下發生倒塌。
（2）汶川教學樓倒塌分析：原因是結構體系缺陷；磚砌墻體無圈梁-構造柱；質量分布頭重腳輕；大跨-懸臂梁支承單?。粰M向無備用傳力途徑；底層窗間墻太弱；結構缺乏抗側力能力；樓蓋平面蜂腰瓶頸；樓梯間豎向錯層受力；預制裝配的連接構造缺失；冷軋帶肋鋼筋脆斷……。
（3）框架倒塌分析：多層混凝土框架及底框房屋倒塌原因是：質量分布頭重腳輕；樓蓋厚重水平慣性力大；底層框架柱薄弱；缺乏剪力墻-鈄撐的抗側力措施；強梁弱柱使柱端屈服形成塑性絞而傾覆；柱端配箍約束不夠；混凝土碎裂撒落使立柱壓潰；底柱破壞引發連續倒塌……。
（4）構件加固的局限性：構件層次的局部加固不解決根本問題屬于比較低的層次?？紤]結構方案的“再設計”才是最重要的。構件加固方法漸趨成熟，應提升到再設計的層次。
6.3 再設計的特點
（1）再設計的不確定性：常規設計是理想化條件下進行的，可以由設計者確定，并作為設計依據。而再設計具有很大的不確定性，設計的難度要大得多。
（2）作用荷載和材料性能的變化：作用荷載已有很大變化；加上各種分項系數及組合，傳統設計的結構須再設計復核。材料性能的設計參數也已改變?；炷?ldquo;標號”改“強度等級”及鋼筋強度提升和延性要求；材料實際強度及性能指標與設計目標的差異……。不得不重新確定既有結構再設計的設計參數。
（3）結構體形變化及缺陷的影響：既有結構再設計須考慮：長期使用耐久性的影響；沉降、裂縫、徐變、老化、偶然作用損傷造成結構體形的變化及性能退化。。
（4）再設計的難度：設計條件的不確定性：設計參數不能由設計者自行確定，須通過調查、檢測、分析，根據實際情況確定。難以照抄現行規范及設計程序。
6.4 既有結構的檢測評定
（1）必要性：通過檢測評定確定既有結構的實際情況和設計參數，作為再設計的基礎。
（2）檢測：《建筑結構檢測技術標準》GB 50344指導下的各種檢測方法以及相關的標準。
（3）評定：《工程結構可靠性設計統一標準》GB 50153、《工業建筑可靠性鑒定標準》GB 50144、《民用建筑可靠性鑒定標準》GB 50292等的評定結果，作為再設計的依據。
6.5優化再設計的結構方案
（1）結構方案的優化：選擇抗力較好的結構類型；結構外形簡單勻稱；有效控制結構尺度；適當規劃結構分縫；合理布置構件體系；避免質量頭重腳輕；剛度分布連續均勻；傳力途徑直接通暢；保證備用傳力途徑……。彌補傳統設計不足，屬于概念設計的范疇。還應考慮功能需要。
（2）合理的計算模型：既有結構與后加部分形成新結構體系；考慮剛度變化及構件間變形協調-約束的影響一并進行內力分析；分析模型根據實際情況合理調整。
（3）構件及連接的構造：結構體系中各類構件對安全影響的次序。
布置方向: 垂直構件（柱、墻）—水平構件（梁、板）—基礎。
構件形狀: 桿形構件（柱、梁、桿）—面狀構件（墻、板）—實體。
所處位置: 底層構件—關鍵構件—一般構件—自承重構件。
重視構件間連接：避免簡支連接；宜有冗余約束及超靜定連接；可靠的節點傳力性能……。
（4）結構優化設計原則
四要：方正規矩、傳力直接、冗余約束、備用途徑；
四忌：頭重腳輕、奇形怪狀、間接傳力、材料脆性；
四強：強腳柔腰、強柱弱梁、強墻輕板、強化邊角；
四宜：連接可靠、圍箍約束、空心樓蓋、以柔克剛。
6.6 再設計的設計指標
（1）使用功能和續用年限：再設計應有很大靈活性，可根據實際情況和經濟性綜合考慮，進行適當調整。再設計目標不一定符合現行標規范。可以適當調整使用功能；降低荷載數值；縮短后續使用年限……，采用調整的設計目標，在達到安全-實用的條件下，實現最經濟的目標。
（2）結構的實際狀態：當檢測結構的實際狀態變化不大而基本符合原設計的要求時，可以按原設計的規定取值，以簡化計算。
（3）材料的設計參數：既有部分材料性能指標，根據檢測結果統計分析后確定。當檢測結果符合設計規范要求時，也可按設計規范的相應規定取值。再設計的后加部分采用現行規范數值。
（4）設計規范的差別應用：對正常使用極限狀態的功能（荷載）和后續年限，可適當調整。對承載能力極限狀態則分別對待:續用、復核驗算的再設計“宜”符合現行規范規定；結構擴建、擴建、改造、修復性質的再設計則“應”符合現行規范的規定。
6.7 既有結構再設計的方法
（1）再設計方法：結構分析按加固后結構整體進行；各構件則按疊合-組合構件進行設計。
（2）水平構件設計：施工階段構件有可靠支撐，按一般受彎構件設計。如無支撐，按兩階段受力的疊合構件進行設計?；炷两Y構設計規范已有詳細規定，不再贅述。
（3）豎向構件設計：應考慮既有柱、墻實際幾何參數變化的影響；根據承載歷史以及施工支頂的情況；考慮既有部分和后加部分持力的分配，進行施工階段和使用階段的承載力計算。既有柱墻的設計參數按檢測結果取值；后澆混凝土和后加鋼筋強度乘折減系數確定。
（4）疊合界面的構造要求：通過設計-施工措施保證疊合界面的構造：界面粗糙度（凹凸差）以及越界面的構造鋼筋。