建筑结构检测、鉴定与加固的原因及建筑结构加固技术的发展概况

1 建筑结构需要检测、鉴定,加固和改造的原因很多,归纳起来主要有:

1.1 由于错误的设计、低劣的施工、不适当的使用等原因使建筑物不能满足正常的使用,甚至濒临破坏。

常见的设计错误有设计概念错误和设计计算错误两类,前者如在拱结构的两端未设计抵抗水平推力的构件;按桁架设计计算的构件,荷载没有作用在节点而作用在节间。后者如计算时漏掉了主要荷载;计算公式的运用中不符合该公式的条件,或者计算参数的选用有误等。

常见的施工质量事故有悬挑板的负筋位置不对或施工过程中被踩下;使用了过期的水泥或混凝土配合比不对导致混凝土的强度等级大大低于设计要求;使用了劣质钢筋;混凝土灌注桩在施工中发生了夹砂或颈缩等。

常见的使用不当有任意变更使用用途导致使用荷载大大超载;工业建筑的屋面积灰荷载长期没有清理等。

上述原因引起的工程事故只要尚未引起建筑的倒塌,均可以通过结构加固使建筑物能安全、正常使用。

1.2 在愿劣环境下长期使用,使材料的性能恶化

在长期的外部环境及使用环境条件下,结构材料每时每刻都受到外部介质的侵蚀,导致材料状况的恶化,外部环境对工程结构材料的侵蚀主要有以下三类:

(1)化学作用:例如化工车间的酸、碱气体或液体对钢结构、混凝土结构的侵蚀。

(2)物理作用:如高温、高湿、冻融循环、昼夜温差的变化等,使结构产生裂缝等。

(3)生物作用:如微生物、细菌使木材逐渐腐朽等。

在上述自然因素的长期作用下,结构的功能将逐渐下降,当达到一定期限以后,就有必要对结构加固。

1.3 结构使用要求的变化

随着科学技术的不断发展,我国的工业在大规模地进行结构调整和技术改造,生产工艺的变化,涉及到要提高建筑结构的功能。例如已有30t的吊车可能要改成100的吊车,厂房的局部可能要增层,原有设备可能要更换,相应对设备的基础提出了新的更高的要求等,这些都必须经过结构的检测,签定与加固才能保证安全使用。

2 建筑结构加固技术的发展概况

自人类有建筑以来,就伴随出现了结构加固与改造。但是在过去,人们习惯于把加固和维等同,把加固为修修补补,“头痛医头,脚痛医脚”,缺少系统的分析和理论探讨,因而技术水平提高不快,并没有形成一门科学,近十余年来,结构鉴定与加固改造技术在我国得以迅速发展并且初具规模,作为一门新的学料正在逐渐形成。

已有建筑的加固方法很多,在上部结构中,有加大截面加固法,体外预应力加固法和改变结构传力体系加固法等,在地基基础中,有桩托换、地基处理和加大基础面积加固法等,这些方法在我国已经长期大量使用,取得了很多成熟的经验。

在传统的结构加固方法中,加大截面方法和体外后张预应力方法是常用的方法,已在实际工程中得到成功的应用,但是这两种加固方法存在很多不足之处,预应力方法锚固构造困难,施工技术要求高、难度大,存在施工时的侧向稳定问题以及耐久性问题。

加大截面加固法施工周期长,对环境影响大,而且增大了截面尺寸,减少了使用空间等,因此其应用有定的局限性。

20世纪60年代 开始,随看环氧树脂粘结剂的问世,一种新的加固方法一外部粘贴(钢板)加固法开始出现,这种加固法是用环氧树脂等粘结剂把钢板等高强度材料牢固地粘贴于被加固构件的表面,使其与被加固构件共同工作,达到补强和加固的目的。

早在20世纪50年代,美国新泽西州就采用环氧树脂对公路的路面进行修复,到60年代,这一修复技术已经被发达国家广泛应用于公路、铁路、机场跑道的维护以及水利工程和军事设施的加固。粘钢加固技术的应用研究最早源于60年代,1967年,南非的 Fleming和King完成了素混凝土果外贴钢板的试验,70年代后,粘钢加固的理论研究广泛开展,各国学者对粘钢加固的各种受力构件的承载力进行了较系统研究,奠定了粘钢加固技术的理论基础,在解决实际工程应用问题上起到了重要作用,日本、美国以及欧洲的一些发达国家都制定了有关的技术标准。同时,各种性能优良的建筑结构胶相继问世,开始被应用于各类建筑工程构件的加固。

1971年美国在圣弗南多大地震的震后修复过程中,广泛采用了建筑结构胶,如一座10层的医院大楼和一幢高于137m的市府大厦,仅用于修补3万余米的梁,柱,墙裂纹就用胶7t多,1983年英国塞菲尔特的专家们应用FD808结构胶,将6.3mm厚的钢板粘贴加固了一座公路桥,使得这座原限载量110t的桥梁成功地通过了重达500t的载重卡车。

我国使用建筑结构胶是从20世纪60年代 开始的,1965年,福州大学配制了一种环氧结构胶对某水库溢洪道混凝土闸墩断裂及20m跨屋架和9m跨渡槽工字梁的裂缝进行了修复,鞍山修建公司也在同期研制了一种CJ1建筑结构胶,用于梁柱的加固补强,1978年,法国斯贝西姆公司用该国 SIKADUR31建筑结构胶对辽阳石油化纤公司引进项目的一些构件进行了粘钢加固补强,1981年,中科院大连物理化学研究所研制出我国第一代JGN-I,JGNⅡ建筑结构胶。JGN型建筑结构胶粘剂的问世,对我国粘钢技术的发展起到了极大的推动作用,我国对这项技术的研究始于20世纪80年代,1984年,辽宁省物理化学研究所发表了关于粘钢受弯构件的试验研究报告,并制定了有关的技术标准。1989年,由湖北省物理化学研究所牵头，联合了清华大学、广西物理化学研究所湖南物理化学研究所、河南物理化学研究所、武汉制漆二厂等6家单位,组成了中南地区粘钢加固技术课题研究协作组,对粘钢加固技术进行了较为全面的研究,在这些研究成果的基础上,编写了《中南地区钢筋混凝土构件粘钢加固设计与施工暂行规定》,这个规定所涉及的内容比较全面,对粘钢技术在这一地区的推广应用起到了推动作用。同期,北京、上海,四川、江苏、甘肃等地的一些科研院所也做了大量的研究工作,取得了可喜成绩,1991年颁布的《混凝土结构加固技术规范》将受弯构件粘钢加固方面的内容纳入了规程的附录中。

20世纪末,随着国际市场纤维材料价格的大幅度降低,一种类似于粘钢加固方法的外贴纤维复合材料加固法逐渐引起工程技术人员的关注,1984年,瑞士国家实验室首先开始了外贴纤维复合材料加固的实验 研究。随后,各国学者开始在该领域开展了广泛的研究和应用推广工作,美国、日本等国家已经制定了外贴纤维复合材料加固的有关技术标准,我国碳纤维加固的技术标准正在编写之中。

由于外贴加固方法具有施工周期短、对原结构影响小等优点,备受设计者和使用者欢迎。但是,在外贴加固中,外贴材料与构件的结合性能是保证加固效果的关键,粘结剂性能的好坏决定了外贴加固的成功与否,由于受到粘结剂性能等的限制,目前外部粘贴加固还大多局限于环境温度、湿度较低的承受静力作用的构件。另外,外贴材料与被加固构件之间的粘结锚固性能和锚固破坏机理、加固构件的耐久性及耐高温性能、加固构件的可靠性以及材料强度取值等理论问题仍需要在进一步研究中不断探讨。