赵晓芳
北京京铁联建建筑工程有限公司 北京市100054
摘要：目前，以钢筋混凝土为主要结构形式的房屋建筑，由于使用功能改变、建造时的施工材料技术限制、设计缺陷、自然因素的破坏、后期维护不当等原因，经常导致许多建筑物的结构承载力无法满足其正常的使用要求，因此，需要对建筑结构进行必要的加固改造，提高其安全性和使用性。本文重点阐述了目前国内常用的钢筋混凝土建筑结构加固技术，分析了其各自的优缺点和受力特点，并在此基础上，结合北京西站站房及综合楼VIII段加建自动扶梯工程实例，讨论了大型民用钢混建筑结沟加固的设计思路、加固策略分析以及加固施工技术控制关键点。
关键词:钢筋混凝土;建筑结构;工程改造;加固设计
我国自改革开放以来，建筑业得到了很大的发展，大量的工业和民用建筑被兴建，随着时间的不断推移，这些建筑物已经使用了超过三四十年，由于受到使用功能改变、建造时的施工材料技术限制、设计缺陷、自然破坏、维护不当等因素的影响，许多建筑物的使用功能已经不能满足正常要求，需要加固。随着市场需求的不断增加，建筑结构的加固改造也越来越受到重视，已经成为建筑行业的一个新兴的研究领域。
1 常用的钢筋混凝土结构加固技术及特点
1.1 增大截面法
增大混凝土截面加固法，又被称作外包混凝土加固法，因其施工方法简便，广泛适用于梁、板、柱等各类受弯和受压构件的加固。它是通过在原混凝土构件外叠浇新的钢筋混凝土，增加构件的配筋，从而加大原混凝土构件的截面，达到提高构件的刚度、稳定性和降低柱子长细比等目的。
根据原构件的受力特点、薄弱环节、施工条件的难易度等情况，可将构件的增大截面设计为一侧、两侧、三侧或四面同时增大。例如，轴心受压混凝土柱常采用四面外包加固；偏心受压混凝土柱，常采用受拉或受压边单侧或双侧增大截面方式加固；梁、板等受弯构件，受压区加固以增大截面为主，受拉区加固以增加配筋为主，或者两者兼备。必要时，普通钢筋也可用型钢或钢板代替。
钢筋混凝土结构增大截面法，其技术关键点是处理好新、旧两部分混凝土结构的结合，以达到共同受力和整体工作的目的。因此，在设计和施工时，对新、旧钢筋的连接及混凝土的结合必须采取可靠措施。原因是结构在加固完成后，结合面受力会出现复杂的应力状况，如拉、弯、剪、压等，通常是拉力和剪力起到主要作用。加大截面后的混凝土结构在弹性阶段的受力：结合面上的剪应力和法向拉应力;主要是靠新、旧两边混凝土上的粘结强度来承担构件在开裂后至承载力极限状态时的受力：结合面上贯通的锚固钢筋或锚固螺栓，对传递新、旧结构间所产生的被动剪切摩擦力起到主要作用。
增大截面技术的优点是施工技术成熟，取材范围广，可靠性强，提高抗力及刚度的幅度大，加固适用范围广。缺点是加固现场工作量大，作业繁琐，对房屋使用空间和原构件外观有一定影响，原结构的自重增大登。
1.2 外包型钢加固法
外包型钢加固法是将型钢外包于原混凝土构件，以使原构件承载能力得到提高的一种加固补强方法。钢构件和原结构构件的连接，一般是用横向箍板或者螺栓套箍，将两者连成一个整体，外包钢构架可以在加固后完全或部分替代原构件工作，发挥加固的效果。因能大幅提高构件截面承载力，所以此方法被广泛应用于梁、柱等构件的加固。不同形状的混凝土构件，加固方式有所不同，一般对于矩形构件，如钢筋混凝土柱，多采用四角包角钢，横向箍板连接；对于圆形柱等构件，扁钢加套箍的加固方式采用较多。
混凝土结构、构件外包钢加固法分为外粘型钢（湿式外包钢）和无粘接外包型钢（干式外包钢）两种。干式外包钢加固通常是原构件之外直接包以型钢，或虽在其中填塞水泥砂浆，但通过结合面无法有效地传递剪力和拉力，原构件和型钢不能整体工作，彼此只能单独受力。此方法比湿式法相对简单，但加固效果不及后者。湿式外包钢加固法，是在原构件与型钢之间留有一定空隙，灌入压注型粘钢结构胶、环氧砂浆等，使其粘结成整体协同工作，能够使剪力得到有效传递。
外包型钢加固法的优点是： 能够在构件截面尺寸变化不大的前提下大幅提高承载力；另外，由于受外包钢的约束，原构件的刚度和延性得到提升；此方法工期较短，施工简便，应用广泛。缺点是用钢量较大，加固费用高。
1.3 粘贴钢板加固法
相比外包型钢来说，粘贴钢板法是一种新的加固技术，是指为了增强原结构的强度和刚度，用专门的结构胶粘剂将薄钢板粘贴在混凝土表面，使薄钢板和混凝土整体协同工作。粘钢加固后的构件增加厚度一般不超过10mm（钢板2-6mm厚，结构胶1-3mm厚），因此，相比原构件几乎不增加截面尺寸，加固后的外形和建筑物的使用净空间也基本不受影响。
此方法主要用于受弯混凝土构件受压区和受拉区的加固，如楼面集中荷载加固、提高结构强度加固、旧房改造综合加固、加层抗震加固等。
粘贴钢板加固法具有独特的优势，即加固后二次受力特征不明显。另外，粘钢加固还具有工艺简单、灵活多样、所需劳动力少、施工快速、经济合理、坚固耐用等优点。但是，在钢板粘贴于原混凝土构件之后，二者能否整体协同工作的关键因素，还取决于加固时的粘结强度和施工质量。
1.4 外粘纤维复合材加固法
外粘增强纤维复合材料加固技术是指用专门的结构胶粘剂在混凝土构件表面粘贴增强纤维织物，使两者协同工作，提高结构构件的抗拉、抗弯及抗剪承载力，实现对建筑物加固补强的效果。
外粘纤维复合材加固技术目前广泛应用于钢筋混凝土结构的加固工程中。纤维增强复合材料（FRP），按照材料组成的不同，可大致分为三种:玻璃纤维(GlassFiber)、碳纤维(Corbon Fiber)、凯夫拉纤维(kevlar，美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料)。目前国内常用的是碳纤维增强聚合物。
纤维复合材料加固方法同传统加固方法相比具有很多区别及优点:抗拉强度高，抗高温；材质轻薄，基本不影响原结构的自重和尺寸；可以提高结构的耐腐蚀性和耐久性；施工简便，占用场地少，形状多变，易于操作。
由于混凝土和纤维复合材是两种性质不同的材料，所以此加固法的关键就在于保证纤维材料和构件在加固后能够协同受力，整体工作。处理好两者间界面是一项关键点，纤维材料具有高强度低弹性模量的特点，需严控施工质量，保证两者间有足够的锚固措施，这对施工提出了较高的要求。另外，施加适当的预应力，可使纤维复合材料强度的利用率得到一定的提高。
2 钢筋混凝土建筑结构加固工程实例分析
2.1 工程概况
北京西站站房及综合楼Ⅷ段加建自动扶梯工程，地点位于北京西客站综合楼中央部分。原结构为地下二层，地上十层的框剪结构，基础类型为独立柱基础。首层顶板板顶标高3.89m，夹层顶板板顶标高7.84m。
2.2 既有建筑结构改造要求和方案
现因使用需要，需在原结构首层顶板及夹层顶板815~817/8E~8F范围内加设一部扶梯，造成局部楼板需要开设洞口、部分梁构件被截断、部分梁荷载增加。由于此变动改变了原结构受力，为了保障结构安全，故须对原结构局部进行验算及加固处理。
加固工程中对开洞处原结构梁进行了增大截面加固、新增了梯梁及封边梁；对原局部楼板采用底部粘贴钢板加固。
2.3 设计思路
根据建筑抗震加固技术规程（JGJ 116—2009）中3.0.3条的规定：“当加固后结构刚度和重力荷载代表值的变化分别不超过原来的10％和5％时，应允许不计入地震作用变化的影响”。
由于本工程仅在二层～夹层顶增设1部扶梯,其余部位未改变,对整个结构来说,结构刚度和重力荷载代表值的变化幅度均小于5%，故可以不计入地震作用的变化。首先是利用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件进行建模，不考虑地震荷载的组合下进行内力分析，初步判断需要加固的部位。其次，由于模型不能准确的分析地震作用，所以采用增量叠加法来考虑地震作用的增加。具体是先对比出模型在现在荷载考虑地震组合下的内力和原设计荷载考虑地震组合下的内力增量，将此增量和原计算书的内力叠加后的值（综合不考虑地震荷载的组合下的内力）即认为是现在的设计内力，由此进行加固设计。
2.4方案选择和加固设计
（1）按照上述思路，先按改造完成后的实际情况进行局部建模计算，建模范围要比改造范围外扩3跨且不少于21m，计算完成后,将计算结果与原结构图进行对比，找出不满足要求的部位并进行加固设计。通过结果对比发现，由于扶梯荷载较大，原结构扶梯支撑梁纵向配筋不满足要求且受弯承载力已超过原结构梁承载力的40%，根据混凝土结构加固设计规范（GB 50367-2013）第9.2.11 条及第10.2.10 条的规定：“钢筋混凝土结构构件加固后，其正截面受弯承载力的提高幅度，不应超过40％”，因此，此部分梁不适用粘钢及粘碳纤维布加固。经过加固方案的对比、分析，最后决定采用梁增大截面法进行加固。
（2）由于楼板开设的扶梯洞口较大，为4480x1650mm及7900x1650mm，洞口尺寸已超过1000mm，根据相关构造手册及《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板）》（16G101-1）图集的精神，楼板洞口超过1000mm时，需在洞口周边设置梁，故在扶梯洞口周边无梁处增设混凝土边梁，边梁与原结构梁植筋连接，楼板钢筋锚入新增边梁内。
（3）原结构楼板由于开洞及新增梁的影响，板的受力发生改变，按改造后的实际情况进行补充计算，通过计算结果与原结构的对照，板底钢筋不满足要求，故需对板底进行加固处理。经过方案对比，决定采用粘钢法对板底进行加固处理。
2.5 加固施工技术控制关键点
（1）截面植筋工艺及拉拔试验
本工程新增边梁与原框架梁的结合处以及增大截面施工都涉及大量的截面植筋工艺，因此保证其施工质量是工程的一个关键点。植筋艺程是指：根据结构的受力特点，确定旧混凝土构件上所需的植筋位置，通过钻孔-清孔-注入植筋结构胶-插入钢筋的作业程序，使钢筋与混凝土可靠粘结，之后再通过浇筑新的混凝土，使新、旧钢筋混凝土有效连接，从而实现整体共同受力、共同作用的效果。
植筋技术施工简便快速、造价低；不需进行大量的开凿挖洞，因此工作面小；同时，化学锚固剂能够保证钢筋与混凝土的有效粘结，使得锚固结构整体性能良好。现已被广泛应用于混凝土结构加固工程。
植筋胶对钢筋的锚固作用不是靠锚筋与基材的摩擦力或胀压力，而是利用其自身粘结材料的锚固力。通过锚杆与基材的有效锚固，植入的钢筋将具有很强的抗拔力，原构件在加固补强后的受拉荷载靠植筋产生的粘结强度与机械咬合力来承受。因此施工时必须保证锚固深度和强度符合要求。
1）清孔：要做好全数清孔，同时确保孔壁干燥、无裂缝和局部损伤。
2）注胶：不得采用钢筋从胶桶中粘胶塞进孔洞的施工方法。
3）固化：留有足够的时间让粘合剂固化，固化期不得扰动所植钢筋。
4）抗拉拔试验：固化时间达到7d的当日，抽样进行现场抗拉拔试验。试验采用专门的拉拔仪，并由监理现场见证。若受现场条件限制，无法进行原位试验，可在施工同时，在被加固结构附近，同等强度的混凝土块体上植筋，并按规定的时间检验，此种情况需要事先征得设计和监理书面同意。
（2）粘钢施工工艺及钢-混凝土正拉粘接强度试验
本工程局部开洞后的楼板需要进行粘钢加固，因此其施工质量是本工程的又一关键。
钢筋混凝土构件粘钢加固的受力及破坏特征分析
在对钢筋混凝土构件进行粘钢加固之后，原构件中的受拉钢筋极限应变是钢板(Q235钢)屈服应变的4-10倍之多。根据有关试验的结果显示，较原构件的钢筋来说粘贴的钢板虽然存在着一定的应力滞后现象，但钢混结构适筋梁在加固后，随着外荷载的增加，首先是原构件的钢筋发生屈服;当加固梁发生破坏时粘贴钢板通常也发生屈服;原构件的混凝土随后被压坏。
另一些实验结果显示，在发生破坏时，粘贴的钢板未能达其屈服强度而突然与混凝土撕脱，导致加固构件因此发生突然性的破坏而没有预兆。通常可能是以下原因引起钢板的撕脱:①钢板锚固长度不足，在《混凝土加固设计规范》中规定，对构件受拉区的锚固长度L取全20Ot和600 mm中的最大值，对于受压区L取全160t和480 mm中的最大值(t为加固钢板的厚度);②结构胶的质量未达设计要求导致粘结强度不足;③粘贴钢板因施工质量不良而斯托，其关键因素是施工质量，据统计施工质量是造成此类事故的主要原因。
为了防止上述现象的发生，施工中要控制好以下措施：
1）界面处理：刷除原混凝土构件的粘合面表面油垢污物后，用冷水冲洗，如局部有破损，应凿毛后用高强度水泥砂浆修补后再进行处理。对粘合面进行打磨，并用无油压缩空气吹除粉粒。对钢板粘接面进行除锈和粗糙处理。
2）结构胶：工程植筋等加固用胶粘剂必须符合《混凝土加固设计规范》（GB50367-2013）中A级胶粘剂相关性能要求。
3）涂胶、粘贴及加压：按产品书面书规定配制粘接剂。配制好后，用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上，浆钢板贴于预定位置，粘贴好后立即用夹具夹紧，适当加压以使胶液刚从钢板边缝中挤出为度。
4）钢-混凝土正拉粘接强度试验：粘结剂在常温下固化，固化期中不得对钢板有任何扰动。对钢板与基材混凝土的正拉粘接强度，必须进行见证抽样检验。现场使用粘结强度检测仪，按每100㎡3个点进行检测，根据试验结果，若不合格，应揭去重贴，并重新检验。
（3）新增结构及原有结构增大截面施工
1）拆除：施工中应采用静力拆除设备，不得采用震动大的工具，避免破坏结构。施工应严格按加固范围施工，不得破坏周边原有结构。加固梁梁顶、梁底与新增截面砼结合面均应剔除，漏出纵筋，清理、修整、凿毛原结构。
2）界面处理：新增结构与原有结构交界处及加固结构表面，应清除原结构表面的装饰面层及剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土；新旧混凝土结合处，应对旧混凝土表面进行凿毛处理，增加新旧混凝土之间的咬合力。采用电镐打毛，在混凝土粘合面上堑出麻点，形成点深不小于3mm；砼浇筑前，对原结构进行清洗处理。清洗完毕后，与原混凝土表面刷水泥净浆或界面剂进行处理。
3）灌浆：灌浆料搅拌时严格按照厂家提供的配合比用水量加水、搅拌。
4）新钻孔隙处理：加固做法中，新增钢筋穿越原结构混凝土构件，钢筋与混凝土之间的缝隙采用高强度灌浆料灌实。
2.6 施工观测
结构加固改造施工较为复杂，为了做好施工结构稳定性的验证和观测，尽早发现可能发生的变形先兆，以及时采取补救措施，防止发生危险，本工程对框架结构进行了结构位移观测点布置，在施工期间，观测结果显示结构稳定。
2.7 结论
本工程针对不同结构部位采取了不同的加固方案，是对增大截面加固法，粘钢加固法以及截面植筋技术等的综合运用。该工程于2017年8月施工完成，并交付使用至今。通过实际运行，均为未发现任何裂缝、变形等，结构稳定，表明整体设计施工方案安全可靠，加固起到了应有的作用，满足了建设方的改造要求。在施工完成后的一年之内，需继续定期对框架结构进行位移观测，确保工程在加固后满足安全性和使用性要求。