钢筋混凝土结构房屋改造加固设计中的若干问题
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钢筋混凝土结构房屋改造加固设计中的若干问题
李国胜/北京市建筑设计研究院
1  现实的需要
既有房屋，有的由于使用性质改变而导致荷载增加；有的为了增加使用面积，在层高较大的部位或在屋顶上进行加层；有的为满足节能有关规定，需将楼层周边凹凸部分补平改造；有的需要进行抗震加固；有的由于遭受火灾、超载、地基不均匀沉降等原因需要进行加固处理等。既有房屋的改造、加固日益增多。因此，建筑结构设计人员根据形势的发展应不但能熟练地从事新建筑的结构设计，还要逐渐熟悉和掌握对既有房屋的改造和加固设计工作。 2  检测和鉴定的必要性
为了解既有房屋结构的安全性、适用性和耐久性是否满足要求，在改造加固前必须要对结构进行检测和鉴定，对其可靠性做出正确的评价。检测和鉴定工作应该由有资质的单位承担。检测时可根据房屋结构
实际情况和特点确定重点内容，钢筋混凝土结构应着重检测构件的混凝土强度等级、钢筋配置、裂缝情况、混凝土碳化深度、蜂窝缺陷等。结构鉴定的目的是根据检测的结果，依据现行国家和行业标准《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB50290—1999）、《危险房屋鉴定标准》（JGJ125—99）、《建筑抗震鉴定标准》（GB50023—95），对结构进行验算、分析，出薄弱环节，评价其安全性和耐久性，提出改造、加固的建议。鉴定的评估报告是改造加固设计的依据。
3  房屋结构的改造、加层、加固必须进行设计
1）按有关规定，对既有房屋进行改造加固设计实施以后，承担此任务的设计单位应该对该房屋结构的安全性和耐久性负完全责任，而原来的设计单位未参与改造加固设计时，则不再负此责任。因此，改造加固设计应该由有资质的设计单位或研究单位来承担。
2）改造加固设计时，应根据鉴定的评估报告对结构目前实际的安全性、适用性、耐久性作分析，在此基础上确定能否进行改造加固及采用何种设计方案。设计要依据现行国家和行业标准《混凝土结构加固技术规范》(GB50367 —2006)、《建筑抗震加固技术规程》(JGJ116—98）、《钢结构加固技术规程》(CECS7796∶)、《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ145—2004)、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS1612004∶)进行，同时还应遵循结构设计有关的现行规范、规程。
3）改造加固设计与新建筑的结构设计有很大区别，在
验算现有构件的承载力时应按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)第4.1.2条的规定考虑楼面活荷载的折减；钢筋混凝土现浇楼板的梁，核算其受弯承载力时，跨中应考虑现浇板有效受压翼缘宽度，跨中和梁端受压区钢筋的双筋梁作用；框架梁核算端部承载力和裂缝时的弯矩值应取柱边值而不应取柱中值；各构件的混凝土强度应按检测的实测值换算为设计值取用。因此，采用计算软件作整体内力分析后，必须对构件作局部验算，不能像新工程设计那样直接把软件整体计算结果拿来应用。局部计算可以用软件工具箱，也可采用手算。在一些改造加固工程中，由于只采用软件整体计算结果，不作局部补充验算，对实际不需要做加固处理的构件也进行加固，不但增加了材料、工期和造价，而且会对原有构件产生不必要的损伤。
4）混凝土结构房屋加固后的使用年限，应由业主和设计单位商定，一般定为30年。局部加固结构的使用年限与该结构已使用年数之和不得超过50年，如因业主要求或该工程的特殊性需要有更长的使用年限，设计应采取加强措施，必要时召开专家论证会讨论确定方案。对于原来未进行抗震设计、设防烈度低或按旧规范抗震设计的混凝土房屋结构，多数在改造加固设计时很难达到现行规范的要求。因此，目前许多工程甚至经专家论证会论证的重要工程，可按《建筑抗震鉴定标准》（GB50023—95）和《建筑抗震设计规范》（GB50011—89）的要求，并根据具体情况再适当加强。
5）进行改造加固设计时，力求与承担施工的单位进行配合，根据该施工单位的经验和水平确定更合理的设计实施方案。如果由于招投标等原因，在设计时不能确定施工单位，那么在完成设计确定了施
工单位后，开工之前应就设计中构造做法和施工要求与施工单位作交底和讨论，必要时进行方案调整和修改设计，以确保工程质量和降低造价。
6）改造加固的检测鉴定及施工图设计文件，也需要同新建筑工程施工图文件一样，送施工图文件审查部门进行审查，如果在原有屋顶上加层或临主要街道立面有大的改造，设计方案应经当地规划部门批准。设计文件（包括检测报告、鉴定评估资料、设计图纸和计算书、相关审批文件等）应同新建设计工程一样归档保存。
7）改造加固设计所采用的材料应尽可能轻质，以利于减小地震反应和避免对原有基础进行加固处理；屋顶加层宜采用钢结构和轻质维护结构；原有下部结构减少或不进行加
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原构件共同工作，因此在加固部位必须要进行防火处理，因为一般的结构胶在60o C 以上强度会降低，遇明火会燃烧。粘贴钢板还需要防锈蚀和设置锚栓；有的工程采用粘贴钢板加固，由于温度影响，钢与混凝土线膨胀系数不同，出现钢板鼓起而脱胶现象。因此，采用粘贴碳纤维布加固比粘贴钢板加固更可取。
9）经检测保护层已经碳化时，在改造、加固时应采用外涂阻锈剂涂刷构件表面。国内外的阻锈剂质量和价格有所不同，可根据工程情况及构件不同的重要性选用。在涂刷阻锈剂前，构件表面必须清理干净，露出混凝土清洁的表面。
10）经检测有裂缝时，在改造加固时应首先根据裂缝的所在部位、形状、宽度，分析其产生的原因及对构件承载力有无影响，然后采用不同的处理方法。如果是因钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝，必须剔掉混凝土保护层露出已锈蚀的钢筋，并进行彻底除锈，当锈蚀特别严重已损失较多钢筋截面时应更换补强，
然后采用环氧砂浆或聚合物砂浆喷砂浆修补恢复构件截面。对由于受剪、弯曲产生的裂缝，大，应采用环氧灌浆料压力灌浆粘结或其他补强方法。对由于混凝土收缩或温度影响产生的裂缝，为了防止钢筋锈蚀，凡裂缝宽度大于0.3mm 的采用环氧灌浆料压力灌浆，裂缝宽度小于等于0.3mm 的可采用环氧胶泥进行表面封闭。有关阻锈剂涂刷、环氧压力灌浆及环氧胶泥涂抹见文[1]。
11）改造加固工程中，植筋、锚栓是最常用的方法，现行《混凝土结构加固技术规范》（GB50367—2006）与《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145—2004）关于锚固长度有非常大的差别，而且按前者的规定，对于常规的梁、墙、柱等构件，其宽厚度很难满足锚固长度。采用植筋、锚栓时，应注意最小边距和最小中距的规定，还应特别注意在原有构件钢筋密集的部位钻孔和定位的可能性，并应严禁损伤和截断原构件受力钢筋。
国庆休假12）在加固工程中，为满足承载力的需要，采用混凝土加大原梁、柱构件截面，按现行规范及某些图集的做法，为保证新加部分混凝土与原有构件共同工作而设置了大量锚栓或植筋拉结。实际工程表明，这类做法不但较多地损伤
了原构件的混凝土，而且常损伤或截断原有钢筋。因此，在加固工程中采用图1所示做法，原有柱相隔一定距离把保护层剔凿掉与新混凝土形成槽齿连接传递剪力（关于槽齿受剪承载力计算可见文[2]第7章第5节），柱新增截面的纵向受力钢筋配置在角部，以便在楼板处躲开梁直通，各边中部配置构造钢筋可在梁底、梁面处截断，在梁柱节点为提高受剪承载力和延性，柱四角设置角钢，在楼层梁上下角钢之间用钢板连接，框架梁采用双梁加大截面，如图1（a ）所示，上部及下部的受力钢筋配置在角部，以便躲开原有柱而伸入到新增混凝土柱截面内。
图1  柱增大截面
13）在加层工程中增设楼层梁，按现行规范及某些图集的做法，采用植筋或锚栓设钢牛腿支座。实际
工程应用表明，这类做法由于施工不精心，在原有梁、柱构件上钻孔时损伤、截断了受力钢筋，锚栓不符合设计要求的准确位置，
图2  增设楼层梁关于儿童的诗句
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牛腿的连接钢板用氧气焊扩孔，因部分锚栓不能受剪造成安全隐患。这类做法在工程设计中，不少新增楼层梁支承在原有梁上而没有增设附加吊筋，也属于安全隐患。因此，在加层增设楼层梁采用了如图2所示做法。
14）在增设剪力墙与原有梁、柱连接时，应避免过多地采用植筋、锚接筋而损伤原有构件，图3所示是工程中采
幼儿园教师职责用的方法，原有柱与新增墙侧面剔凿掉部分保护层形成槽键传递剪力共同工作，φ16锚栓仅作为构造。
图3  新增剪力墙
15）房屋结构改造工程中，在原有剪力墙上开洞是常见的，按现行规范及某些图集的做法，为了开洞后沿洞边进行补强，采用粘贴钢板或粘贴碳纤维布，这类做法较难达到共同工作的目的，原有剪力墙的竖向和水平分布筋没有可靠的锚固，且必须采取防火和防锈措施。图4所示一些工程中采用的做法，需要注意的是施工时原有墙竖向和水平分布钢筋绝对不能在新开洞边截断，应预留长度如图中要求，新增洞口纵筋应按计算确定[3]。
图4  原有剪力墙开洞
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4  材料和施工
1）在结构裂缝处理、改造加固中，离不开建筑结构胶，目前结构胶的品种很多，基本材料是环氧树脂。
环氧树脂是一种淡黄～琥珀的粘稠状液体或固体，粘性很强。它的粘结性能必须由液态转变为固态后才能显示
出来，要使它转变为粘结力很强的固体，只需在环氧树脂中加入适量的硬化剂。为了使环氧树脂的硬化物不发脆，具有韧性，需加入适量的增韧剂或增塑剂；为了增加其机械强度，需要加填料（填充剂）；为便于施工操作和降低其粘度，需加入稀释剂。所以，常用的环氧树脂胶是由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、稀释剂、填充剂等混合配制而成。
环氧树脂可以溶解于丙酮、二甲苯、酒精、甲苯等溶剂，受热时随着温度的升高变为可塑～流动液体。环氧树脂胶硬化后则不溶解于任何溶剂，具有良好的耐化学稳定性；一般在温度为60℃以上强度开始降低，100℃时失效，但现在已有耐高温的改性环氧结构胶，环氧树脂胶遇明火会燃烧；耐老化性能很好，在仿大气条件的自动老化仪中相当于经受12年，其强度仅降低7%，据对港工室外构件应用环氧树脂胶的观察，经过20余年并未发现异常现象；环氧树脂胶硬化前有毒性，硬化后无毒性。
2）改造加固工程必须由有资质的施工单位来承担。承担这类施工任务必须要有懂有关技术和有相关经验的管理人员及操作工人，而且这些人员要有高度的责任心，否则不但难以保证施工质量，还可能对原有结构产生大量损伤和破坏，给安全造成隐患。
3）粘贴钢板、碳纤维布的混凝土表面必须清理干净和平整；植筋或锚栓部位必须用仪器探明原构件钢筋的位置，在梁柱节点等钢筋密集、仪器难以测定钢筋的部位，应剔凿掉混凝土保护层，直接暴露出钢筋位置，然后躲开原有构件的钢筋再钻孔，严禁损伤或截断原有钢筋；在剔凿掉保护层部位植筋或埋置锚栓后必须用环氧砂浆或聚合物砂浆恢复保护层，不得采用一般水泥砂浆（无法养护，难以与原混凝土粘结到一体）；涂抹或浇灌环氧结构胶的基层必须干燥，如果带水或潮湿将成为隔离剂直接破坏粘结强度；对有植筋或埋置锚栓的部位，如有焊接必须有热影响区的距离，距离长度不小于植筋或锚栓直径的15倍，否则植筋或锚栓的环氧结构胶受热甚至燃烧而失效（在这类工程中为避免这种情况发生，植筋和埋置锚栓采用了无机粘结材料CGM1代替环氧结构胶）。
4）环氧结构胶操作现场严禁烟火，操作人员可能有化学品过敏反应，遇有此情况应及时换人。
参考文献
[1] 李国胜. 建筑结构裂缝及加层加固疑难问题的处理——附实例[M].
职业中专有哪些专业北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 混凝土结构构造手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003. [3] 建筑结构设计资料集—混凝土结构分册[M]. 北京：中国建筑工业
出版社，2007.
[4] 袁海军等. 建筑结构检测鉴定与加固手册[M]. 北京：中国建筑工
业出版社，2003.
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