建筑结构加固的发展与前景

一、前言
世界城市的发展已有5千多年，在今天的发达国家中，城市化的程度大多在70%-80%以上。据联合国人居中心预测， 到2050年，世界城市化水平将达到61%，21世纪将成为真正的城市化世纪。我国目前的城市化进程也已步入快速发展期，预计到2010年，我国的城市化水平将由现在的38.9%达到45%. 城市的蓬勃发展代表着人类文明取得的辉煌成就。然而随着城市规模的扩大，人口的急剧增长，环境的破坏变得日益严 重，自然恩赐给人类的资源日益匮乏，人们的生活条件和质量不断恶化。与此同时，建筑的过度集中和无序建设，使建筑与环境的矛盾日益突出。控制建筑物的建设数量与合理规划成为现代建设者必须重视的问题，同时，提高现存建筑物的使用寿命及功能则成为当务之急的使命，完成这一使命的方法，便是对现存建筑物进行的修复与加固。
二、结构加固的现状
在欧美发达国家中，目前用于建筑加固改造的投资已占国家建筑业总投资的1/2以上，美国劳工部门在20 世纪末的一项产业预测报告中曾经预言：建筑维修加固业将是21 世纪最为热门的行业之一。
我国自建国以来，特别是自上世纪70 年代末实行改革开放以后，各种房屋建筑以及城市设施数量急剧增加。据有关部门统计，目前我国现存的各种建（构）筑物的总面积至少在100 亿m2以上，其中绝大多数是混凝土及砌体结构建国初期建造的大量的工业与民用建筑，服役期大都超过50年，存在各种安全隐患。一些新建成的工程项目中，由于勘察、设计和施工中的技术和管理问题，导致工程在建成初期就出现各种质量安全隐患。对于这些建筑物，如果不及时采取加固措施，就有可能导致重大的安全事故。为此，国家每年要投入大量资金用于建筑的加固修复，促进了建筑加固修复业的发展，形成了一个巨大的市场空间。
同时，一些现有建筑中，旧的结构设计在功能上不能满足当前使用的需求，这也刺激了建筑加固修复专业的迅速发展。特别是随着我国经济发展和人民生活水平的不断提高，近年来旧城改造几乎成了各大、中城市的共同课题。这为建筑加固修复业带来了空前的发展机遇。
三、结构加固的传统方法及特点
目前土建结构常用的几种传统加固方法主要是以下几种：
1．预应力加固法
预应力加固法，即指在原结构上增加预应力构件来承担原结构上所受的部分荷载，从而提高原结构的承载能力的方法。目前 使用较多的主要是体外预应力加固法。
预应力法加固效果好，能较大幅度地提高结构整体承载力。但加固后对原结构外观有一定影响；比较适用于大跨度或重型结 构的加固以及处于高应力﹑高应变状态下的混凝土构件的加固。但不宜用于混凝土收缩徐变大的结构，另外加固后需要注意预应力钢筋的防腐问题。
2．增大截面加固法
增大截面加固法，通常用于受弯构件，是指在原构件的上部或下部浇一层新的混凝土和补加相应的钢筋，从而达到提高原构件承载能力的目的。 增大截面加固法是最为传统的一种结构加固方法，具有成熟的设计和丰富的施工经验；工程成本相对较低，可用于梁﹑板柱﹑墙和一般构造物等多种混凝土结构的加固。其主要缺陷是现场施工的湿作业时间长，而且会带来建筑净空的明显减少。
3．改变受力体系加固法
改变受力体系加固法，通常包括在梁的中间部位增设支点（刚性支点或弹性支点），将多跨简支梁变为连续梁等方法。改变结构的受力体系能大幅度降低计算弯矩，提高结构和构件的承载力，达到加强原结构的目的。
该法比较简单，而且效果可靠。但加固工作量较大，易损害建筑物的原貌和使用功能，通常还会减小建筑的使用空间。由所增加的支撑构件一般需要将荷载传递到基础上，这种方法比较适用于整个建筑的加固。
4．粘钢加固法
该加固法是通过在构件外侧粘贴钢板，钢板通过胶粘剂与原构件共同作用，以增强结构的抗弯和抗剪能力，提高结构安全度。一般适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯构件的加固，是近年来发展最快的一种加固方法。 该加固法的特点是施工便捷，只需卸荷和按要求除锈后即可施工。现场湿作业量少，加固后24ｈ即可投入使用，且加固后对 原结构自重、外观尺寸和原有净空无明显影响，能显著提高构件的刚度和承载能力，并且价格低廉；但加固质量很大程度上取决于胶粘剂质量和施工的水平，特别是粘钢后一旦发现空鼓，进行补救比较困难。
5．外包钢加固法
外包钢加固法，即以角钢外包于原构件四角，角钢间用扁钢焊接形成整体钢构套的加固方法，以提高构件的承载能力和延性.一般是在要求不显著增大构件截面，同时又可以大幅度提高结构承载能力的情况下采用，特别是结构柱周围裹钢，结构受力比 较可靠，同时现场的工作量也较小，结构截面增加也不大。主要缺点是钢材用量较大，相应加大了工程成本；在节点处理上也有一定的难度。
四、结构加固的新方法及发展
上述常规方法在工程实践中被大量采用，但某些情况下，这些方法自身所存在的某些局限性，使得它们不能满足一些耐久性和美观方面的需求，或是受到施工条件的制约而无法实施。近年来出现的一些新加固技术，如粘贴纤维复合材料加固法、钢网水泥砂浆加固法、纤维材料的嵌入式加固法等，这些技术从一开始引进和出现在国内，就以它们优异的性能、特点和加固效果得到了工程界的关注和青睐．下面着重介绍粘贴纤维复合材料加固法：
纤维材料（FRP）加固修补土建结构技术是为了突破传统方法的局限性而产生的一项新技术。它兴起于八十年代末到九十年代初的发达国家，由于其优点多，效果明显，在日美韩欧洲等国家和地区得到了大量的推广，目前在加固修补技术领域已成最广泛使用的一项技术，并已完全产业化。
按纤维材料的不同，可分为玻璃纤维材料﹑碳纤维材料和阿拉米德材料。其中又以碳纤维材料CFRP最具代表性，其性能特点主要有以下几个方面：
（1）具有良好的物理力学性能：其抗拉强度为普通钢材的10 倍以上，弹性模量相当于普通钢材的1.1～2.4 倍；而且纤维片 材重量轻，比重仅为钢材的1/ 4 ；厚度小，一般片材增强层厚度在0.1mm～0.2mm 之间，因此基本上不增加结构截面尺寸和自重。
（2）现场施工方便：没有湿作业和明火施工，占用场地小，也不需要大型施工机具，因此施工方便、工效高、施工质量容易得到保障。
（3）使用范围广：可用于梁、板、柱及桥梁、隧道、烟囱等多种结构的加固补强。特别是在曲面壳体和复杂节点的加固中，具有其它加固方式无法比拟的优势，与混凝土的有效接触面积可达100 %。
（4）具有良好的耐久性和耐腐蚀、抗磁性等性能特点。
该材料技术用于土建结构加固始于上世纪80 年代中期。1991年欧洲首先用CFRP完成了国际上第一座桥梁加固后，该项技术 便在世界上迅速推广，特别是在上世纪90 年代中期日本阪神大地震后的重建过程中，该项技术得到了大量的应用。
我国在该领域的研发工作从1997 年开始起步， 98年才开始实际的工程应用。至目前为止，国内已有近十个科研院所、十余所高校对其技术性能进行研究，取得了大量的科研成果。由国家冶金建筑研究总院、清华大学等单位所承担的国家“九五”重点科技攻关项目《碳纤维材料加固修复混凝土结构技术研究开发与应用》的系列科技成果已于2001 年通过国家鉴定，并编制了中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》。
五、结语
我国建筑市场巨大，当前土建结构的加固改造是我们面临的一项意义重大的任务。随着建筑业的蓬勃发展，建筑物的加固、维修、改造的应用领域和范围也将越来越广，各种新的加固技术必将不断地涌现，结构的加固技术也必将取得更长足的发展。