陈志红 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

20世纪50、60年代建造了大批钢筋混凝土厂房和公建、办公楼，这些房屋使用至今也有约50年的历史，由于使用维修不当或者建造质量原因，许多房屋存在这样或那样的问题，有些相当严重，危及结构安全。而由于土建投资大，往往不会因此拆除重建，而是采用结构加固的办法，以恢复其承载力后继用使用。

1 柱加固方法及设计原理

1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是采用混凝土材料来加大原有构件的截面面积，以此来提高原构件的承载能力和刚度。作为传统加固方法的一种，增大截面加固法具有非常成熟的技术，其特点是施工简单，适用在混凝土柱截面尺寸偏小或者轴压比需要得到明显提高的构件中。设计时需要根据具体情况在柱截面的若干侧或全部侧面加设纵向钢筋并浇筑混凝土进行柱的加固。加固中应将新旧钢筋加以焊接，做好新旧混凝土的结合。

我国《混凝土结构加固技术规范》(CECS25:90)指出：当加固柱的轴压比为0.1～0.9，则原柱混凝土达到极限压应变0.002时，新加混凝土的应力比其强度设计值小，其比值约为0.99～0.53。根据上述分析，增大截面法加固钢筋混凝土柱轴心受压承载力计算如公式（1）。

式中：N 为加固后混凝土柱承载力；As'、fy'分别为原柱纵向钢筋的界面面积和抗压强度设计值；φ 为构件稳定系数；Ac、fc分别为原柱混凝土的截面面积和抗压强度设计值；fc1、Ac1、f'y1、A's1分别为加固部分混凝土和钢筋截面面积与轴心抗压强度设计值；α 为新加部分混凝土和纵筋的强度折减系数,可取为0.8。

1.2 外粘型钢加固法

外粘型钢加固法是用型钢（角钢、扁钢板等）外包于构件表面并通过缀材形成框架，通过结构胶粘剂与原有构件粘结以达到共同工作效果的一种加固方法。原构件全部或者部分被外包钢构架替代，以此达到外包型钢框架与原有构件共同受力的目的。矩形柱子施工工艺就是柱四个角包裹角钢，柱横向相距一段距离用缀板焊接。

外粘型钢加固法优点是构件截面尺寸增加不明显，对于构件承载力的提升有很好的效果，外包钢起到约束构件混凝土的作用，使原柱子的承载力和延性等相关受力性能得到提升。外粘型钢加固法还具有施工简单、工期短等特点。但是外包钢法的缺点是较费材料，施工较为复杂，尤其是针对框架节点区的外包钢加固、锚固及粘结施工都不易实施，可采用外粘型钢加固混凝土方法。

计算柱轴心受压的截面承载力时，外包型钢可视作柱的纵筋，为了保证安全性，采取一定的强度折减系数，按照外包钢构架与原柱共同工作的原则进行计算。其承载力计算公式如公式（2）。

式中：fa'为加固型钢的抗压强度设计值；As'为加固型钢的截面面积。

对于湿式外包钢加固大偏心受压构件，在其设计中考虑到加固柱受拉肢型钢存在应力滞后现象，应也对其强度取一定的折减系数(根据工程实际建议折减系数取0.9)。根据其受力分析，其加固柱截面承载力计算公式如公式（3）。

式中：b、h 分别为原柱的截面宽度和高度；x 为原柱混凝土截面的受压区高度；As'、fa'分别为加固柱受压一侧的型钢截面积和抗压强度设计值；aa'为受压肢型钢截面形心至原柱受压的距离；aa为拉肢型钢及受拉钢筋合力点至原柱受拉边缘距离；h01为柱受拉钢筋和加固用受拉钢筋合力点至加固截面受压边缘的距离。

1.3 粘贴碳纤维增强复合材料加固法

粘贴碳纤维结构加固技术是用结构胶粘剂将纤维复合材料粘贴于构件的表面，多为构件主要受拉区的表面，以提高截面受弯、受剪及混凝土抗压强度的加固方法。

由于纤维复合材料和混凝土是两种不同性质的材料，纤维复合材料加固法加固的难点在于如何保证加固后的纤维材料能够和原构件协调受力，对于两者间界面的研究是该加固法的难点。另外，纤维材料高强度低弹性模量也是妨碍其发挥出最大加固效果的一个因素。

目前的研究结果表明，要使得粘贴纤维复合材料加固法发挥其加固效果，必须保证加固材料和原构件有足够的锚固措施，需严格保证施工质量，这对施工人员提出了较高的要求。

对非细长和非预应力的轴向受压构件，采用纤维复合材料包覆混凝土构件承受轴向压力，用公式（4）计算。

式中：Pn为混凝土轴向压力；ψ 为形态强度折减系数，圆形截面取1.0，正方形（边长小于600mm）取0.5，矩形（B/H<1.5）由模型试验确定；f'cc为外部纤维约束混凝土的抗压强度；Ag为受压构件截面面积；Ast为纵向钢筋总面积；fy为钢筋屈服强度。

1.4 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是建筑结构工程的加固新技术，它类似于外包钢加固法，二者区别在于粘钢加固主要用薄钢板粘贴于构件主受力面上，从而以提高截面的承载力。对于简支梁或板来说，钢板应粘贴于构件的底面。当负弯矩区钢筋承载力不足时，钢板应贴在构件的上面，另外连续构件的粘钢加固受墙柱等障碍的影响，需要采取相应处理措施。与其他的加固方法相比，粘贴钢板法有许多优点，表现在：不改变混凝土构件的外形，不影响建筑使用空间，施工方便快捷。

加固大偏心钢筋混凝土柱时，应将钢板粘贴于构件受拉区边缘混凝土表面，柱的纵轴线方向和钢筋长向保持相同。在矩形截面大偏心受压构件受拉边混凝土表面上粘贴钢板加固时，其正截面承载力应按下列公式确定。

式中：N 为轴向拉力设计值；e 为轴向拉力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离；η 为偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向压力偏心距增大系数，除应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的规定计算外，尚应乘以此规范第5.4.3条规定的修正系数ψη；ei为初始偏心距；e0为轴向压力对截面重心的偏心距，e0=M/N；ea为附加偏心距，按偏心方向截面最大尺寸h 确定，当h≤600mm时，ea=20mm，当h＞600mm时，ea=h/30；a、a'为纵向受拉钢筋合力点，纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离；fsp、f'sp分别为加固钢板的抗拉、抗压强度设计值。

2 工程实例

某学校主教学楼B段加层加固工程。原教学楼有4层，由于使用功能需要，需要在楼顶加2层钢结构，即原结构向上增加2层钢框架结构，楼面为压型钢板组合楼面，屋面为轻钢屋面。建筑结构的安全等级为二级，建筑物抗震设防类别为丙类；结构抗震等级：混凝土框架为三级，钢框架为四级；抗震设防烈度7度(0.10g),设计地震分组为第一组。建筑场地类别：Ⅱ类。

由于多加两层钢结构，因此部分柱子轴压比不满足抗震要求，就需要加固柱子。柱的加固方法有很多种，本文介绍的四种加固方法，每一种方法原则上都可以使用，应根据具体情况，选择合适的加固方法。本工程要求尽量不缩小原结构的使用空间且施工工期较短，所以不能采用增大柱子截面法加固。粘贴碳纤维加固固然很好，但是由于增加2层钢结构后，根据计算需要粘贴3层以上的碳纤维，造价较高，因此考虑采用外包钢加固。该加固方法除了其外包钢与加固的旧混凝土柱能整体受力共同工作提高柱承载力外，外包钢柱形成整体的紧箍，对原混凝土起到部分约束作用，提高原混凝土抗压强度，也可以提高柱的承载力。其加固图如下图所示。

图1 柱外包钢加固

3 结 论

本文分别介绍了增大截面法、外贴型钢加固法、粘贴碳纤维增强复合材料加固法和粘贴钢板加固法各自的特点，并从理论上给出计算公式。在教学楼加层加固改造工程中，设计时应考虑加层部分对原结构的影响并结合现行规范进行计算分析后选择合理的加固方法进行补强加固，重点对比了几种方法的优劣，为以后的实际工程加固提供参考。

[1] GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2006.

[2] 侯发亮.建筑结构粘结加固的理论与实践[M].武汉：武汉大学出版社,2006.

[3] 卜良,周靖,叶蓁.混凝土结构加固设计规范算例[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4] 张华,卢亦焱.钢筋混凝土柱加固方法及设计分析[J].特种结构,2005(1).

[5] 万里澜.浅析某框架结构厂房加层加固设计[J].建筑结构,2012(1).