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土木工程结构检测与加固
郭厉奇
摘要: 结构的检测与加固技术可细分为检验测试技术、 鉴定评估技术和加固改造技术。实验测试技术的基础, 为鉴定与评估工作提供必要的信息和基本数据。鉴定与评估技术是该项技术的关键, 是连接检验测试技术与加固改造技术的重要环节, 经过计算、 分析、 比较和论证, 确定影响结构性能的因素、 各因素影响的程度、 存在问题的性质, 确定问题的处理方案。结构的加固与改造是针对结构存在问题的处理, 包括施工图设计和施工操作, 是对全套技术先进性、 科学性和合理性的验证阶段。
由于多种原因, 建筑物的质量事故时有发生, 如何对受损结构进行鉴定、 加固是～个非常棘手的问题。针对这一情况, 以具体的某住宅楼质量事故处理为基础, 运用先进的检测方法对该建筑进行了鉴定、 分析, 总结出一套切实可行的加固工作的程序。同时针对梁、 板及砌体不同的损害情况分别采取了加大截面法、 粘钢加固法以及增设钢筋网面层等补强方法, 使受损结构的使用功能得以快速有效的恢复。

关键词: 砌体结构检测与加固, 钢筋混凝土结构检测与加固, 钢结构检测与加固, 桥梁检测与加固

概述: 在现代建筑结构设计和施工中, 建筑结构的安全、 可靠是建筑工程的头等大事。建筑物在规定的时间内, 在规定的条件下, 即正常设计、 正常施工、 正常使用和维护的条件下, 应满足安全性, 适用性和耐久性的要求。在需要对建筑物的施工质量进行评定时, 或当建筑物由于某种原因不能满足某项功能的要求或对满足某项功能的要求产生怀疑时, 就需要对建筑物的整体结构、 结构的某一部分或某些构件进行检测。当判定被检结构存在安全隐患时, 就应该对其进行加固处理, 或者拆除。
建筑结构试验检测技术是以相应现行规范为根据、 以实验为技术手段, 测量能反映结构或构件实际工作性能的有关参数, 为判断结构的承载能力和安全储备提供重要依据。建筑结构试验检测不但对新建工程安全性能的评定起重要作用, 而且对于危旧房屋的更新改造、 古建筑和受损结构的加固修复等提供直接的技术参数。
1、 常见检测方法
结构检测工作包括的内容比较多, 一般有结构材料的力学性能检测、 结构的构造措施检测、 结构构件尺寸检测、 钢筋位置及直径检测、 结构及构件的开裂和变形情况检测及结构性能实荷检测等。我们按所检的结构种类把建筑结构检测方法分为: 混凝土结构检测包括结构性能实荷检测、 混凝土强度回弹法、 超声波法、 超声回弹综合法、 取芯法、 拉拨法; 砌体结构检测包括轴压法、 扁顶法、 原位单剪法、 原位单砖双剪法、 推出法、 筒压法、 砂浆片剪切法, 回弹法、 点荷法、 射钉法; 钢结构检测包括结构性能实荷检测与动测、 超声波无损检测、 射线检测、 涡流检测、 磁粉检测、 涂层厚度检测、 钢材锈蚀检测和钢－混凝土组合结构检测包括钢管混凝土的强度与缺陷检测等。
对某些结构或构件为获得其结构承整体受力性能或构件承载力、 刚度或抗裂性能, 可进行结构或构件的整体性能的静力实荷检验。对某些重要建筑和大型的公共建筑还可进行结构的动力测试。其中静力实荷检验可分为使用性能检验、 承载力检验和破坏性检验。使用性能的检验主要用于验证结构或构件在规定荷的作用下不出现过大的变形和损伤, 结构或构件经过检测后还必须满足正常使用要求; 承载力检验主要用于验证结构或构件的设计承载力; 破坏性检验主要用于确定结构或模型的实际承载力。
对混凝土结构的混凝土材料强度当前广泛应用的检测方法是钻芯法和回弹法。钻芯法是在建筑构件上钻取混凝土芯样直接进行抗压强度检验, 结果准确可靠, 但会造成对结构物局部的损坏, 特别是对重要的结构部位, 无法进行大量的检测。非破损法中的回弹法、 超声法、 超声一回弹综合法所测定的参数(回弹值、 声速值)对混凝土强度来说并不很敏感, 测试结果精度不高。拔出法是一种介于钻芯法和非破损检测方法之间的混凝土强度微破损检测方法, 操作简便易行, 对结构物损伤极小, 又有足够检测精度, 特别是近20年才出现的后装拔出法无需预先在混凝土中埋置锚固件, 而是在己硬化的混凝土上经过钻孔、 扩槽、 嵌入的方法将锚固件置入并固定其中, 因此, 在己硬化的新旧混凝土的各种构件上都能够使用, 适应性很强, 检测结果的可靠性也较高, 特别是当现场结构缺少混凝土强度的有关试验资料时, 是非常有价值的一种检验评定手段。但在中国, 研究起步较晚, 且受各种因素限制, 其应用却不及回弹法和超声法那么广泛和普遍, 仍有待于加强对拔出法的深入研究以及在工程实践中的推广与应用。对砌体结构的检测当前主要使用轴压法、 扁顶法、 原位单剪法、 原位单砖双剪法、 推出法、 筒压法、 砂浆片剪切法、 回弹法、 点荷法、 射钉法。这些检测方法大致可分为两类: 直接法和间接法, 前者为检测砌体抗压强度和砌体抗剪强度的方法, 后者为测试砂浆强度的方法。
由于钢结构的材质均匀, 因此具有强度、 塑性与韧性均能较方便地进行测试的优势。但其最大的缺点是: 钢材易腐蚀, 耐火性差, 同时钢结构是一类缺陷敏感性结构, 因此钢结构的检测主要是针对材料与连接缺陷以及锈蚀程度与涂层厚度的检测。一般所采用的方法有: 超声波无损检测、 渗透检测、 射线检测、 涡流检测、 磁粉检测、 钢材锈蚀检测及涂层厚度检测等。
2、 常见结构加固方法
2.1　加大截面加固法: 加大截面加固法是在钢筋混凝土构件外部外包混凝土(一般是在钢筋混凝土受弯构件受压区增加混凝土现浇层, 受拉区增加配筋量), 增大构件截面积和配筋量, 增加截面有效高度, 从而提高构件正截面抗弯、 斜截面抗剪能力和截面刚度, 起到加固补强的作用。在适筋范围内, 由于混凝土受弯构件正截面承载力随着钢筋截面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下, 增大主筋截面积或强度, 增加现浇钢筋混凝土围套增大构件截面, 经过新加部分和原构件共同工作, 可有效地提高原构件正截面抗弯、 斜截面抗剪承载力和截面刚度, 改进正常使用性能。
优点: 加大截面加固法施工工艺简单、 适应性强, 并具有成熟的设计和施工经验; 适用于梁、 板、 柱、 墙等构件和一般构造物的钢筋混凝土加固。
缺点: 现场施工的湿作业工作量大, 养护时间较长, 对生产和生活有一定的影响, 而且加固后构件的截面增大, 对建筑物的净空和外观有不小影响。更为重要的是增加的外包混凝土与原有构件的混凝土材龄相差较大, 要解决好新加部分与原有部分混凝土的整体工作共同受力, 是一个很复杂的问题, 而且受制的因素较多, 现阶段只能增加有利的构造措施。
2.2　置换混凝土加固法: 该法是剔除部分陈旧的混凝土, 置换成新的混凝土, 新混凝土的强度等级应比原结构、 构件提高一级, 且不得低于c20级。比较适用于钢筋混凝土构件的局部加强处理, 有时也用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、 柱等钢筋混凝土结构构件的加固。
优点: 与加大截面加固法相近, 而且构件加固后不影响结构原先的净空, 能恢复结构原先的外观。缺点: 同样存在施工的湿作业时间长、 养护时间较长的缺点, 而且剔除陈旧混凝土的工作量大, 容易伤及原构件的钢筋, 因此在施工过程中对原构件可能造成的屈服、 疲劳、 失稳等破坏状态要进行全面严密的评估。
2.3　粘结外包钢加固法: 粘结外包型钢加固法是把型钢(钢板)包在被加固构件的外边, 即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固钢筋混凝土构件粘结成一整体, 使钢材与原构件整体工作共同受力。加固后的构件, 由于受拉、 受压区钢材截面积增大, 从而正截面承载力和截面刚度都有大幅度提高。该方法常见干柱、 桁架、 梁和一般钢筋混凝土结构物的加固, 特别是构件加固后不允许显著增大原构件截面尺寸, 但又要求大幅度提高构件承载能力的钢筋混凝土构件。
优点: 受力可靠, 施工简便, 现场工作量较小, 能显著提高结
构、 构件的承载能力而且对结构使用空间的影响小, 施工简便且湿作业量较少。
缺点: 用钢量较大, 加固费用较高, 对使用环境的温度有限制, 不宜在无防护的情况下用于600℃以上的高温场所。
2.4　粘钢加固法: 外部粘钢加固法是在钢筋混凝土受弯构件承载力不足区段(正截面受拉区、 正截面受压区或斜截面)表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板, 使其整体工作共同受力, 以提高结构构件承载力的一种加固方法。该方法的实质是一科体外配筋, 提高原构件的配筋量, 从而相应提高构件的刚度、 抗拉、 抗压、 抗弯和抗剪等方面的性能, 适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。
优点: 该方法施工方便快捷, 现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业, 对结构的外形、 净空等影响较小, 在施工过程中刘生产和生活无显著影响。因此在房屋建筑领域和公路桥梁领域中都得到了普遍采用。
缺点: 该法加固对结构胶的要求较高, 结构胶必须是强度高、 粘结力强、 耐老化、 弹性模量高、 线膨胀系数小、 具有一定弹性, 其加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平, 因此在设计施工过程中必须要非常慎重。
2.5　粘贴纤维增强塑料加固法: 外贴纤维加固是用特制胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的相应区域, 使它与被加固构件截面共同工作, 达到提高构件承载能力的目的。当前常见粘贴碳纤维复合材料的方法来加固。此法可用于各种受力性质的钢筋混凝土构件和一般构筑物构件。
优点: 除具有粘贴钢板相似的优点外, 还具有轻质高强(几乎不增加结构自重)、 耐腐浊、 耐潮湿、 持久耐用、 维护费用较低、 施工方便快捷等优点, 而且一般无需搭接, 能适应曲面形状混凝土的粘贴要求。
缺点: 对使用环境的温度有限制, 且需作专门的防护处理, 特别是防火。若防护不当, 易遭受火灾和人为损坏。
中国从1997年开始对碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构的技术进行研究, 如今被用于房建、 桥梁等多种钢筋混凝土结构构件的加固, 未来这种粘碳纤维复合材料的加固方法将会被更加普遍的采用。
优点: 高强高效, 施工方便快捷, 施工工期短, 不需要大型施工机械, 操作简单, 具有极佳的耐腐蚀性和耐久性, 适用面广, 施工质量容易保证, 对结构的净空、 外观等影响小。
缺点: 弹性模量小, 对于需要加固刚度的构件来说不太适用; 耐火性与耐高温性能差, 一般的环氧树脂在100摄氏度时力学性能会受到较大影响, 只有特殊的环氧树脂能够在200摄氏度的高温下正常工作; 延性不足, 构件变形过大时会引起碳纤维的脆性断裂, 导致结构的脆性破坏, 对于需要较大变形或对抗震要求比较高的结构来说, 这一点是十分不利的。
2.6　绕丝加固法: 直接在构件外饶上高强钢丝(钢绞线), 该方法的优缺点与加大截面法相近。适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固, 或需要对受压构件施加横向约束力的场合。在加固防腐要求较高的构件时, 利用镀锌钢绞线和防腐砂浆组成的复合材料对混凝土构件进行加固补强, 两种材料在加固中起着不同的作用, 防腐高强钢丝起到抱箍的作用, 防腐砂浆起到锚固钢丝和保护层作用, 使其共同工作整体受力, 以提高构件的承载力。这种方法实际是一种体外配筋, 经过提高构件的配筋率, 从而相应提高构件的承载能力, 因此被广泛地应用在钢筋混凝土建筑物的加固处理及水中钢筋混凝土结构的防渗漏、 防腐蚀加固处理。
2.7　增设支承加固法: 增设支承加固法是在需要加固的结构构件中增设支承, 减少受弯构件的计算跨度, 从而减少作用在被加固构件上的荷载效应, 达到提高结构构件承载力水平的目的。常见于对使用条件和外观要求不高的场所。该法简单可靠, 受力明确, 易拆卸, 易恢复原貌。可是, 严重损害原建筑物的原貌和使用空间, 因此要用在具体条件许可的钢筋混凝土结构加固。
2.8　预应力加固法: 该法是一种采用外加预应力钢拉杆(分水平拉杆、 下撑式拉杆和组合式拉杆)或撑杆, 对结构进行加固的方法。预应力加固法广泛用于混凝土梁、 板等受弯构件以及混凝土柱(用预应力顶撑加固)的加固, 具有广泛的应用前景。该法加固效果好而且费用低, 但增加了施加预应力的工序和设备。
对于混凝土结构, 在选择加固方法的同时还需选择相应的配套技术。其中施工技术一般有: 托换技术。该技术系托梁(或桁架, 以下同)拆柱(或墙, 以下同)、 托梁接柱和托梁换柱等技术的概称。托换技术属于一种综合性技术, 由相关结构加固、 上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成, 适用于已有建筑物的加固改造。与传统做法相比, 具有施工时间短、 费用低、 对生活和生产影响小等优点。但对技术要求比较高。需要由熟练工人来完成, 才能确保安全。
植筋技术。该技术系一项对混凝土结构较简捷、 有效的连接与锚固技术, 可植入普通钢筋, 也可植入螺栓式锚筋, 已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程。如: 施工中漏埋钢筋或钢筋偏离设计位置的补救, 构件加大截面加固的补筋, 上部结构扩跨、 顶升对梁、 柱的接长, 房屋加层接柱和高层建筑增设剪力墙的植筋等。
裂缝修补技术。该技术根据混凝土裂缝的起因、 性状和大小, 采用不同封护方法进行修补, 使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复; 主要适用于已有建筑物中各类裂缝的处理, 但对受力性裂缝, 除修补外, 尚应采用相应的加固措施。碳化混凝土修复技术。该技术系指经过恢复混凝土的碱性(钝化作用)或增加其阻抗而使碳化造成的钢筋腐蚀得到遏制的技术, 当前这一技术还不够成熟。混凝土表面处理技术。该技术是指采用化学方法、 机械方法、 喷砂方法、 真空吸尘方法、 射水方法等清理混凝土表面污痕、 油迹、 残渣以及其它附着物的专门技术。
3、 结语
结构在长期的自然环境和使用环境的作用下, 其功能必然逐渐减弱, 我们结构工程的任务不单要做好建筑物前期的设计工作, 还要能科学的评估结构损伤的客观规律和程度, 并采取有效的方法保证结构的安全使用, 那么, 结构的加固将成为一项重要的工作。能够预见的是21世纪, 人类建筑物还会以混凝土结构、 钢结构、 砌体结构等为主, 现阶段我认为我们在结构加固这方面的研究还应该以此为主要突破方向。

砌体结构检测与加固: 砌筑结构检测方法的研究开始于七十年代末, 主要是将测定砌筑砂浆强度作为砌筑结构抗震鉴定和加固的评定指标。为了改变”眼观手捏”的判断方法, 而进行了回弹法检测强度等方法的研究。到八十年代中后期, 冶金建筑研究院和中国建筑科学研究

院分别研究出冲击法和点荷法砂浆强度检测方法; 四川省建筑科学研究院、 北京市建筑工程研究院、 西安砖瓦研究所等单位进行了砌筑用砖强度等级的回弹检测的研究。此后许多省市的建筑科学研究所都进行了砌体强度、 砌筑砂浆强度或砌体块材强度等级检测方法的研究。1994年, 《砌体结构力学性能现场检测技术规范》编制组对部分已有的砌体结构检测方法进行了评审, 将回弹法、 电荷法、 筒压法、 射钉法和剪切法五种砂浆强度检测方法和推剪法、 单剪法、 轴压法、 扁千斤顶和拔出法等五种砌体强度的检测方法纳入规程。这些方法大多数为中国科研人员创造创造的。
　　除了上述列入规程的方法之外, 近年来又有一些新的检测方法问世, 如河北省建筑科学研究院的超声回弹综合法、 中国建筑科学研究院的贯入法等。
　　砌筑结构检验测试技术起步比混凝土结构略晚一些, 技术成熟程度比混凝土强度检测技术略差, 但该项技术的发展势头猛, 在国内形成了百家争鸣的可喜局面。能够说, 按”借鉴—独创”之路发展起来的砌筑结构检测技术已经达到了经济发达国家的技术水平。

序号
检测方法
特点
用途
限制条件

1

取样法
①属于取样检测, 在墙体上取出符合要求的砌体试样, 在实验室进行力学指标试验; ②直观性、 准确性受外界影响因素小; ③取样、 运输困难; ④检测部位局部破损
检测普通砖砌体的抗压强度
①取样尺寸有一定的限制; ②同一墙体上的测点数量不宜多于1个; ③取样、 运输时不能使试件受损

2

轴压法
①属原位检测, 直接在墙体上检测; 检测结果综合反映了材料质量和施工质量; ②直观性、 可比性强; ③设备较重; ④检测部位局部破损
检测普通砖砌体的抗压强度
①槽间砌体每侧的墙体不应大于1.5m; ②同一墙体上的测点数量不宜多于1个; 测点总数量不宜太多; ③限用于240mm

3

扁顶法
①属原位检测, 直接在墙体上检测; 检测结果综合反映了材料质量和施工质量; ②直观性、 可比性强; ③扁顶重复率较低; ④砌体强度较高或轴向变形较大时, 难以测出抗压强度; ⑤设备较轻便; ⑥检测部位局部破损
①检测普通砖砌体的强度; ②检测古建筑和重要建筑的实际应力; ③检测具体工程的砌体弹性模量
①槽间砌体每侧的墙体不应大于1.5m; ②同一墙体上的测点数量不宜多于1个; 测点总数量不宜太多; ③限用于240mm及其以上宽度的墙体

4

原位单剪法
①属原位检测, 直接在墙体上检测; 检测结果综合反映了施工质量和砂浆质量; ②直观性强; ③检测部位局部破损
检测各种砌体的抗剪强度
①测点宜选在窗下墙部位, 且承受反作用力的墙体应有足够长度; ②测点数量不宜太多

5
原位单桩双剪法
①属原位检测, 直接在墙体上检测; 检测结果综合反映了施工质量和砂浆质量; ②直观性强; ③检测部位局部破损
检测烧结普通砖砌体的抗剪强度; 其它墙体应经试验确定有关换算系数
当砂浆强度低于5MPa时, 误差较大

6

推出法
①属原位检测, 直接在墙体上检测; 检测结果综合反映了施工质量和砂浆质量; ②设备较轻便; ③检测部位局部破损
检测普通砖墙体的砂浆强度
当水平灰缝的砂浆饱满度低于65%时, 不宜选用

7

筒压法
①属取样检测; ②仅需利用一般混凝土试验室的常见设备; ③取样部位局部破损
检测烧结普通砖墙体中的砂浆强度
测点数量不宜太多

8

砂浆片剪切法
①属取样检测; ②专用的砂浆强度仪和其标定仪, 较为轻便; ③试验工作较简便; ④取样部位局部破损
检测烧结普通砖墙体中的砂浆强度

9

回弹法
①属原位无损检测, 测区选择不受限制; ②回弹仪有定型产品, 性能较稳定, 操作简便; ③检测部位的装饰面层仅局部损伤
①检测烧结普通砖墙体中的砂浆强度; ②适宜于砂浆强度均质性普查
砂浆强度不应小于2MPa

10

点荷法
①属取样检测; ②试验工作较简便; ③取样部位局部破损
检测烧结普通砖墙体中的砂浆强度
砂浆强度不应小于2MPa

11

射钉法
①属原位无损检测, 测区选择不受限制; ②射钉枪、 子弹、 射钉有配套定型产品, 设备较轻便; ③墙体装饰面层仅局部损伤
烧结普通砖、 多孔砖砌体中, 砂浆强度均质性普查
①定量推定砂浆强度, 宜与其它检测方法配合使用; ②砂浆强度不应小于2MPa; ③检测前, 需要用标准靶检校

钢筋混凝土结构检测与加固: 除了上述这些规程外, 冶金、 水利和交通等部门也编制了本行业的标准, 一些省市还编写了适应当地材料特点的地方规程, 如贵州省的《回弹法测定贵州省山砂混凝土抗压强度暂行技术规程》等。
　　混凝土强度的检测技术已基本成熟, 成熟的标志在于测试理论的完善和测试仪器性能, 如: ”回弹值—碳化深度—强度”关系, 反映了回弹值与混凝土强度之间的基本规律。回弹、 超声、 钻芯和拔出等方法虽然都是舶来之法, 但都具有了中国特色, 且各种检测仪器和设备已完全国产化。一些仪器的性能已达到了国际先进水平, 如北京市政工程研究院研制生产的NM-3B型非金属超声波检测仪等。应该说, 在混凝土强度的检测方面, 中国与经济发达国家已没有明显的差距。
混凝土构件钢筋配置情况的检测开始于七十年代。开始阶段使用的是进口的仪器。当前中国已经有了第二代钢筋测定仪, 该仪器可测定120mm厚混凝土层下的钢筋, 并可测定钢筋直径, 其测试原理为电磁感应。国产仪器可基本上满足建筑结构检测的需要。经济发达的国家的同类仪器性能略好一些。中国引进的混凝土雷达仪采用电磁波
法测试, 测试速度快得多, 其测试数据既能够在屏幕上显示又可打印输出, 大大提高了检测速度。
　　七十年代末到八十年代初, 混凝土结构的耐久性问题开始受到重视,与耐久性相关的检测技术也得到相应的发展。这些测试项目包括: 混凝土的损伤程度、 钢筋的锈蚀速度、 混凝土中有害元素的含量、 混凝土骨料的碱活性、 混凝土的抗冻性及抗渗性和混凝土的渗漏点测定等。在这些检测项目中, 有些为现场检测, 有些为取样检测, 还有现场检测与计算分析结合的方法。
　　混凝土中有害元素的含量、 混凝土骨料的碱活性、 混凝土的抗冻性和混凝土的抗渗性测定等项目均为取样检测。用钻芯机在结构上取出试样, 在实验室进行试验。其中, 中国关于骨料的碱活性的检验开始于七十年代, 到八十年代初水利部门的相关标准《水工混凝土试验规程》( SD105—82) 已开始实行。到九十年代初, 快速试验方法标准《砂、 石碱活性快速试验方法》( CECS48: 93) 也颁布实施。
　　国内有关钢筋锈蚀速度和锈蚀量测定的研究起始于八十年代中期, 到八十年代末, 交通部门和冶金部门的科研单位研制出钢筋电位测定仪。这种仪器可定性地判别钢筋是否锈蚀, 九十年代国外的测试仪器可初步定量测试钢筋的锈蚀速度和锈蚀量, 但测试结果有一定的误差。实际工程检测中采用的是综合的方法, 仪器测定、 现场实测与计算分析相结合。

钢结构检测与加固: