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结构的检测与加固技術

 

 结构的检测与加固技術可细分为检验测试技术、鉴定评估技术和加固改造技术。检验测试技术的基础,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,通过计算、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。

  50年来,我国的结构验测与加固技術经历了从无到有、从单项到全面、从局部构件到整体结构的发展过程。特别是最近20多年,结构的检测与加固技術得到快速的发展,其应用对象已从开始阶段的单层的破旧民居扩展到建设工程中的各类结构。

  结构检测与加固技術的发展与应用对于提高建设工程的质量起到了积极的作用,在节省国家与企业的资金、保障企业生产安全和人民生命财产的安全方面也起到了一定的作用。

  一、概述

  结构的检测与加固技術可细分为检验测试技术、鉴定评估技术和加固改造技术。检验测试技术的基础,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,通过计算、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。

  50年来,我国的结构验测与加固技術经历了从无到有、从单项到全面、从局部构件到整体结构的发展过程。特别是最近20多年,结构的检测与加固技術得到快速的发展,其应用对象已从开始阶段的单层的破旧民居扩展到建设工程中的各类结构。

  结构检测与加固技術的发展与应用对于提高建设工程的质量起到了积极的作用,在节省国家与企业的资金、保障企业生产安全和人民生命财产的安全方面也起到了一定的作用。

  二、檢驗與測試技術

結構的檢驗測試與建設工程施工階段的送樣和質量檢查有明顯的區別,它通常爲事後的檢驗與測試,如:在澆注好混凝土後,測定鋼筋的配置情況等。因此其工作難度大,技術含量高。檢驗與測試技術一般爲材料科學、物理學、化學、電子學與計算機科學等多學科緊密結合的技術。

 我國的結構檢驗測試技術走的是引進消化提高借鑒獨創相結合的發展之路。

  1、混凝土結構

  建國初期,我國基本上沒有什麽現代的檢測手段。直到六十年代中期才開始進行混凝土強度的非破損檢測方法的研究。七十年代中期,原國家建委把混凝土非破損檢測技術列入了建築科學研究發展計劃,組織力量進行攻關。到八十年代中期,第一本全國性檢測規程《回彈法評定混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ23—85)問世。此後,關于混凝土強度及缺陷的檢測技術得到了廣泛的應用和持續的發展。到目前爲止,關于混凝土強度的檢測已有回彈法、超聲法、鑽芯法、拔出法和灌入法等,以及由上述基本方法組合而成的超聲回彈綜合法、鑽芯回彈綜合法等。較爲成熟的混凝土強度和缺陷檢測方法已經有了全國性的檢測技術規程,如:

  《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/23—92);

  《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》(CECS0288);

  《鑽芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS0388);

  《後裝拔出法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 6994);

  《超生法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS 2191)。

  除了上述這些規程外,冶金、水利和交通等部門也編制了本行業的標准,一些省市還編寫了適應當地材料特點的地方規程,如貴州省的《回彈法測定貴州省山砂混凝土抗壓強度暫行技術規程》等。

  混凝土強度的檢測技術已基本成熟,成熟的標志在于測試理論的完善和測試儀器性能,如:回彈值碳化深度強度关系,反映了回彈值与混凝土強度之间的基本规律。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,在混凝土強度的检测方面,我国与经济发达国家已没有明显的差距。

  混凝土構件鋼筋配置情況的檢測開始于七十年代。開始階段使用的是進口的儀器。目前我國已經有了第二代鋼筋測定儀,該儀器可測定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。我国引進的混凝土雷达仪采用电磁波法测试,测试速度快得多,其测试数据既可以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,混凝土結構的耐久性問題開始受到重視,與耐久性相關的檢測技術也得到相應的發展。這些測試項目包括:混凝土的損傷程度、鋼筋的鏽蝕速度、混凝土中有害元素的含量、混凝土骨料的堿活性、混凝土的抗凍性及抗滲性和混凝土的滲漏點測定等。在這些檢測項目中,有些爲現場檢測,有些爲取樣檢測,還有現場檢測與計算分析結合的方法。

混凝土中有害元素的含量、混凝土骨料的堿活性、混凝土的抗凍性和混凝土的抗滲性測定等項目均爲取樣檢測。用鑽芯機在結構上取出試樣,在實驗室進行試驗。其中,我國關于骨料的堿活性的檢驗開始于七十年代,到八十年代初水利部門的相關標准《水工混凝土試驗規程》(SD105—82)已開始實行。到九十年代初,快速試驗方法標准《砂、石堿活性快速試驗方法》(CECS4893)也頒布實施。

  國內有關鋼筋鏽蝕速度和鏽蝕量測定的研究起始于八十年代中期,到八十年代末,交通部門和冶金部門的科研單位研制出鋼筋電位測定儀。這種儀器可定性地判別鋼筋是否鏽蝕,九十年代國外的測試儀器可初步定量測試鋼筋的鏽蝕速度和鏽蝕量,但測試結果有一定的誤差。實際工程檢測中采用的是綜合的方法,儀器測定、現場實測與計算分析相結合。

  2、砌築結構

  如果說混凝土結構的檢驗與測試走的是引進消化提高之路,則砌築結構的檢驗與測試的發展則走的是借鑒獨創之路。

  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強度作为砌筑结构抗震鉴定和加固的评定指标。为了改变眼觀手捏的判断方法,而进行了回弹法检测強度等方法的研究。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強度检测方法;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強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強度、砌筑砂浆強度或砌体块材強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強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強度的检测方法纳入规程。这些方法大多数为我国科研人员创造发明的。

  除了上述列入規程的方法之外,近年來又有一些新的檢測方法問世,如河北省建築科學研究院的超聲回彈綜合法、中國建築科學研究院的貫入法等。

  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強度检测技术略差,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。可以说,按借鑒獨創之路發展起來的砌築結構檢測技術已經達到了經濟發達國家的技術水平。

  3、鋼結構

  与混凝土结构和砌体结构相比,工程建设中钢结构的数量相对较少,加之冶金、机械、交通、航空、石油、化工等工业部门对钢材物理力学性能、内部缺陷、焊缝探伤等检验方法比较完善,因而其检验测试技术发展之路基本是借鑒学习国内其他行业的先进方法,如焊缝和钢材的超声波探伤方法、射线探伤方法、磁粉探伤方法和渗透探伤方法等。

  在《鋼結構工程施工及驗收規範》(GBJ 18-66修訂本)中,關于鋼結構所用材料、制作、安裝和工程驗收等內容所規定檢驗方法還都是常規檢測技術,而在1981年新板的標准(GBJ 205-83)中,關于鋼結構焊縫的檢驗增加了X射線和超聲波探傷的內容。1993年以後又陸續頒。

  布了下述規程:

  《建築鋼結構焊接規程》(JGJ 81-91);

  《鋼結構工程質量檢驗評定標准》(GB 50221-95);

  《鋼結構工程施工及驗收規範》(GB 50205-95)。

  在這些規程中明確規定,焊接的內部缺陷及分級要符合《鋼焊接手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》(GB 11345-89)的規定,使鋼結構的無損檢驗工作向前推進了一大步。

  在大型體育場館、展覽館、機場、碼頭、火車站等公共建築中,采用鋼網架作爲屋蓋結構的愈來愈多。鋼網架的檢測受到普遍重視。針對該類結構的組件都是薄壁管、鋼球和高強螺栓等特點,在實驗研究和總結經驗的基礎上,編制了具有行業特色的《網架結構工程質量檢驗評定標准》(JGJ 78-91)和《螺栓球節點鋼網架焊縫超聲波探傷及質量分級法》(JG/T 3034.2-1996)及《焊接球節點鋼網架焊縫超聲波探傷及質量分級法》(JG/T 3034.1-1996)兩本行業標准。

  钢结构的检验测试技术在学习借鑒的基础上已经可以有效地解决实际问题,应该说,该技术还有很大的发展空间,需要继续研究与开发。

  4、檢驗測試技術的發展前景

  更加准確、減少損傷、快捷方便無疑是已有檢驗測試技術改善和提高的發展目標。開發新的檢驗項目,使檢驗測試技術更加完善則是這項技術發展的方向。

  检验仪器和设备在结构的检验与测试技术中扮演着重要的角色。没有儀器設備就无法进行检测,而质量好、操作方便的儀器設備是高质量检测工作的保障。与经济发达国家相比,我们的检测儀器設備在总体上存在着明显的差距,主要体现在性能不稳定、功能少、寿命短、体积大等方面。

  檢測方法改善和提高的第二個方面是檢測理論提高和檢測數據分析方法的改善。合理確定檢測數量、合理布置檢測位置、減小檢測結果的不確定性、充分利用檢測數據等,是所有結構檢驗與測試工作面對的問題。

  随着工程技术的发展和检测要求的提高,一些新的问题又摆在我们面前,如高强混凝土的強度检测、混凝土缺陷的准确判定、预应力筋管道灌浆饱满度测试、新型墙体材料的強度测试方法及质量评定方法等。

  鋼結構的檢驗與測試是最具有發展潛力的技術。在對鋼結構進行鑒定時,鋼構件材料物理力學性能的現場無損驗測技術、鋼構件應力的現場無損測定技術和結構關鍵部位應力及損傷現場測試技術等是目前亟待發展的技術。

  新技术的开发也要引進与研制相结合。如光传感技术、声发射技术等都是国际上九十年代 中后期的先进技术,这些技术在大型建设项目施工阶段和使用过程中的安全监控和结构物安全性现场实荷测试等方面,有比较广阔的应用前景。

  三、結構的鑒定與評估技術

  結構鑒定與評估技術的發展與建築市場和社會的需求有直接的關系,與國家的經濟狀況有密切的關系,同時又受到檢測技術發展的影響。

  建國初期至文革期間,我國的結構鑒定與評估工作相對較少。其原因是多方面的。在這期間,絕大部分的建設資金用于新建項目,即便如此,建設項目的數量也不多。舊的建築物相對較少,而建國後期的建築物和構築物的使用年數還相對比較短。這段時間的鑒定與評估工作的對象,主要是少量使用時間較長且極其破舊的居民住宅。由于缺乏檢測手段,鑒定工作以經驗爲主,相應的處理也多爲治標不治本的臨時措施。

  1976年以后,结构的鉴定与加固改造技术得到了明显的发展。首先是建筑物和构筑物的抗震鉴定与抗震加固技術的发展。1976年唐山地震后,国家每年都要拨出专款进行建筑物和构筑物的抗震加固。国家资金的投入促进了结构鉴定与加固技術的发展。由于这是国内第一次大规模的结构鉴定与加固,缺乏必要的检测手段和计算手段,鉴定工作依然以定性为主,以经验为主。

  經過20多年的发展,建筑物和构筑物的抗震鉴定与抗震加固技術已日臻完善,形成了自己的体系,成为结构鉴定与加固技術不可缺少的重要分支。抗震鉴定标准已经形成了系统,常用的标准如下:

  《建築抗震鑒定標准》(GBJ50023-95);

  《室外給排水工程設施抗震鑒定標准》(GBJ 43-82);

  《室外煤氣熱力工程設施抗震鑒定標准》(GBJ 44-82);

  《工業構築物抗震鑒定標准》(GBJ 117-88)。

  建筑物和构筑物抗震鉴定与加固技術的发展与成熟,为结构鉴定与加固技術的发展奠定了基础。

  1985年,經國務院批准,開展了建國以來第一次城鎮房屋的普查工作。爲配合這次普查,國家建設行政主管部門組織有關技術部門編制了《房屋等級評定標准》和《危險房屋鑒定標准》。鑒于當時缺少相應檢測手段,待評定和鑒定房屋的數量極大,這兩標准均采用了以外觀檢查爲主的鑒定方法,並將房屋分成完好、基本完好、一般損壞、嚴重損壞和危險房屋等五個等級。

  這是一次專業技術人員與非專業人員結合的普查,由房管部門統查,由各單位自查。以某省爲例,約1.3萬人參加普查,普查房屋約1.3億平方米。普查結果爲完好房屋約占總數的38.5%,基本完好房屋約占總數的33.5%,一般損壞房屋約占總數的18.9%,嚴重損壞房屋約占總數的7.0%,危險房屋約占總數的2.1%.這次普查使房管部門擁有了一支進行房屋安全鑒定的技術隊伍,爲隨後成立的房屋安全鑒定站奠定了基礎。

  1976年開始的抗震鑒定與加固和1985年開始的全國性的房屋普查及隨後的大規模的修繕,標志著我國的工程建設從以新建爲主轉變爲新建與維修加固改造並重的階段。

  1989年,大连重型机械厂办公楼会议室地面突然塌陷,造成重大的人员伤亡事故。这次事故引起了建设行政主管部门的高度重视,当年,在全国范围内开展了已有房屋安全性检查工作。由于此时构件的混凝土強度、配筋、砌筑砂浆強度、砌筑用強度等级等检测技术的推广,检查鉴定工作从以定性的外观检查结果为依据发展到以定量的检测数据为依据的阶段。与此相应,建设行业的科研基金明显向结构耐久性、检测、鉴定、加固和改造方面倾斜。铁路、交通、水利、电力、冶金、化工、纺织、轻工、机械等行业也开展了相应的工作。在国内形成了结构安全性鉴定与加固技術和结构耐久性鉴定和剩余寿命评估等相应技术发展的契机。结构的安全性问题得到了普遍的重视。

  随后,成立了全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会和房屋安全鉴定委员会,各行业和各地方鉴定与加固的技术和经验得以交流,鉴定与加固技術向标准化方向健康地发展。同时隶属于各地房地产管理局的房屋安全鉴定部门成立,使房屋的安全性鉴定工作逐步走上了正轨。

  目前已有的鑒定標准和擬頒布的相關標准有:

  《工業廠房可靠性鑒定標准》(GBJ 114-90);

  《民用建築可靠性鑒定標准》(將頒布);

  《钢结构检测评定及加固技術规程》(YB 9257-96);

  《鋼鐵工業建(構)築物可靠性鑒定規程》(YBJ 219-89)。

  這些鑒定標准把定性的鑒定提高到定量的階段,其主要對象爲已有的建築結構,使已有結構的鑒定結果具有可靠性。

  到了九十年代,特別是住宅商品化以後,建設工程的質量成爲萬衆矚目的焦點,並引起中央領導的重視。這一形勢促進了建設工程質量的檢測與鑒定技術的發展。建設工程質量的檢測與鑒定技術已超出了單純的結構安全的範疇,包括了結構的安全性、耐久性、適用性和抗災害能力以及工程質量問題産生原因的鑒定與分析等綜合問題。這類鑒定不僅包括工程施工質量,還包括設計質量,以設計規範和工程驗收規範爲准繩,以國家和各地有資質的工程質量檢驗中心爲骨幹。

  建設工程質量的檢測與鑒定爲治理工程質量通病,如設計造成的多層磚房溫度裂縫問題,混凝土工程施工階段的開裂問題等起到了積極的作用,爲設計規範和施工驗收規範的修編提供了依據。

  經過50年的發展,結構的鑒定與評估技術已經發展成爲包括結構安全性鑒定、結構抗災害能力鑒定與評估、工程質量問題鑒定、災後結構的鑒定與評估和結構耐久性鑒定和剩余壽命評估的綜合技術。

  但鉴定与评估技术尚存在一些问题,如在对已有结构的承载能力计算鉴定时一般都沿用结构设计时的计算理论和计算方法。结构的设计阶段采用失效概率的理论,考虑了作用的变异、材料強度变异、构件尺寸的变异等;而已有结构的承载能力鉴定时,除了可变作用存在变异外,永久作用、材料強度和构件尺寸已确定,此外存在着轴线的实际偏差、基础实际不均匀沉降、环境温度的影响、结构的实际损伤等;问题不同了,计算理论和计算方法也应该有所区别。因此,关于已有结构的承载能力的计算理论和计算方法有待发展。

  在對建築工程質量問題鑒定時,鑒定工作受到結構設計理論的制約,如設計不考慮環境因素的影響,而實際工程質量問題與環境溫度等有很大的關系,如何評定這類問題,也有待設計理論和鑒定理論的提高。

  四、結構的加固與改造技術

  50年來,結構的加固與改造技術也得到了相應的發展。

  除了單層居民住宅的修繕外,五十年代至六十年代加固較多的是單層工業廠房中的薄腹梁和混凝土柱。常見的薄腹梁的加固方法爲體外拉杆方法,拉杆中施加的拉力多采用電熱張拉法。常見的混凝土柱加固方法有外包鋼法和外包混凝土法或稱爲增大截面法。此外尚有環氧砂漿修補法,此法常見于摻加氯鹽混凝土構件的修複。這些方法主要源于前蘇聯,目前還在使用,但從理論上和操作工藝上都有了改善和提高。如混凝土柱的外包鋼法加固方法,開始階段的計算方法是分別計算混凝土柱和外包鋼,外包鋼按鋼結構計算;當外包裝的綴板加密並出現濕式的施工方法時,其計算按整體構件考慮;當綴板施加拉力時,可按約束混凝土進行計算。

  七十年代中後期,砌體結構抗震加固的問題日益突出,特別是磚牆的加固問題。中國建築科學研究院等單位開發了鋼筋網水泥砂漿面層(俗稱加板牆)加固技術,该技术至今仍然广泛用于砌筑墙体的加固。

  八十年代初,辽宁省首先引進了法国混凝土构件加固技術,并用于实际工程。这种技术使混凝土受弯构件的抗弯能力的加固得到简化。此后,辽宁省建筑科学研究院和中国科学院大连物化所研制成功用于混凝土构件粘钢加固的JGN结构加固胶,使粘钢加固技術得以在国内迅速推广应用。由粘钢加固技術还派生出来锚粘带钢加固技術和劲性外包钢加固技術。前一技术将锚栓固定技术与粘钢加固技術相结合,用于受弯构件抗弯和抗剪能力不足的加固。后项技术将前项技术与钢-混凝土組合結構技術相結合,用于受彎構件抗彎抗剪能力不足和鋼度不足的加固。

  JGN结构加固胶的引進,使得锚载钢筋的技术风行一时,同时带动了混凝土构件裂缝修补技术的发展。

  九十年代初,中国建材院研制出高流动性修补砂浆,使得混凝土构件的局部修补技术得以提高。该项新材料使得混凝土柱的制约加固技術成为现实。

  九十年代中后期,纤维类材料用于加固的研究掀起了高潮,冶金建筑研究院引進碳纤维加固技術,河北省建筑科学研究院开发了丙纶纤维混凝土加固技術,中国建筑科学研究院开发了玻璃纤维水泥砂浆面层组合砌体加固技術等。

  最近,國外金屬錨栓進入中國市場,這一技術在結構的加固與改造中得到應用。中國建築科學研究院正在編制金屬錨栓的産品標准和工程標准。

  随着结构加固技術的发展,结构的改造技术也得到了发展,结构的加固技術在结构的改造中发挥了作用。此外,替代结构技术、改变传力途径技术、预应力技术、托梁拔柱技术、结构增层和加层技术,在结构的改造中由广大的科技人员和工程技术人员发明和创造出来。

  加固改造技術的標准化是該項技術成熟的標志,目前在用和即將頒布的加固改造技術規程有:

  《古建筑木结构维护与加固技術规范》(GB50165-92);

  《混凝土结构加固技術规范》(CECS2590);

  《钢结构加固技術规范》(CECS7796);

  《多層磚房結構加層技術規範》(CECS7896);

  《砌体结构加固技術规范》(待颁布)。

  结构的加固技術有待进一步发展。

  新的加固材料的研制是推动加固技術发展的动力。以往的经验告诉我们,检测鉴定技术的发展依赖于检验测试仪器的发展,加固技術的发展依赖于新材料的发展。由轻质、高强、抗腐蚀、耐高温的新材料构成的效果好、易施工的加固方法可推动加固材料的发展。

  加固改造理論的提高是該項技術發展的另一個方面。目前的加固基本上是針對構造和承載能力不足的構件,缺乏從結構總體上的把握與判別。在結構設計領域則有相應的理論,如建築抗震設計中的概念設計,混凝土結構設計中的強柱弱梁強節點等。目前的加固有時會適得其反。例如:對多層磚混結構的某一層牆體做夾板牆加固,使得該層牆體的鋼度大幅度增加,形成與相臨樓層的鋼度差,對結構的抗震不利。此外還有加固後構件的承載能力提高,防火等級大幅度下降等問題。這些問題需要從總體上把握,靠加固理論的提高來解決。

  加固改造技術的提高還體現在施工技術改善和提高及施工機具上,而在這方面的研究一直相對較少。

 

 

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