在建筑結構加固方面，常常要根據不同的客觀條件選擇不同的加固改造工藝。今天我們介紹一下增大截面加固法, 該種工藝常見于支撐柱加固、混凝土結構加固。

一、鋼筋混凝土構件

1、加固形式

鋼筋混凝土構件的加固可采用四周外包、三周外包(U形外包)、單側加厚和雙側加厚等形式。

2、受力特征

在加固過程中，即在新舊混凝土結為整體的過程中，原構件所承擔的荷載一般很難被完全卸除，其內部存在著相當高的應力，而新增部分的應力水平卻很低；而且，在新舊部分結為整體后，原構件的大部分收縮、徐變一般都已完成，幾乎不再有發展，而新增部分的收縮干徐變尚處于初期的發展階段，數值和速度都較大，因此在新舊部分共同受力的過程中，會有部分應力因徐變而由新增部分轉移到原構件上，或者因收縮而在新舊部分中產生相互平衡的拉壓應力。這些都會使加固中新增的部分存在應變滯后現象．即在共同受力的過程中，原構件的直力、應變水平要高于新增部分的應力和應變。

加固后如果荷載不再增加，新增部分的應力水平依然會很低；荷載進一步增加時，試驗表明，只要新舊混凝土黏結可靠，整個構件截面的應變增量基本符合線性關系，新舊材料的應力將按照各自的本構關系增長；由于存在應變滯后現象，在受壓區，原構件的混凝土將首先達到極限壓應蠻而退出工作，而此時新增混凝十的壓應變尚低于極限壓應變．能夠轉接部分荷載，并對原構件的混凝土產生一定的側向約束作用，但因其單獨工作的承載力較低，且處于不利的受力狀態中，很快也會被壓壞，導致整個構件破壞，出現各個擊破的破壞現象。因此，在構件破壞時，新增混凝土的應力要低于其抗壓強度，其作用并未得到充分發揮，而且加固時原構件的應力水平越高，或者說，原構件的工作應力與其材料強度的比值越高，新增部分的應變滯后現象則越嚴重，能夠發揮的作用越小，加固效果也就越差。一般而言，原構件在加固時所承擔的荷載宜控制在60％以內。不能滿足這一要求時，需采取臨時卸載、支頂等措施，降低原構件的應力。

在共同受力的過程中，如果新舊混凝土之間的黏結不能保證，整個構件的承載力還可能進一步降低。新舊混凝土之間的黏結主要決定于結合面的抗剪能力，但新舊混凝土結合面的抗剪強度要遠低于混凝土材料的抗剪強度

混凝土結合面的抗剪強度有時難以滿足新舊混凝土祜結的要求，需配置一定數量的貫穿結合面的剪切一摩擦筋，抵抗結合面上的剪力。根據中國建筑科學研究院結構所的試驗結果，混凝土結合面的抗剪能力可復核

對于采用混凝土圍套四面加固的梁、柱，由于原構件外圍配置有封閉式箍筋，因此新舊混凝土結合面的抗剪能力要高得多，一般能夠滿足抗剪要求。

新舊混凝土的結合而除了承受剪應力，實際上還要承受一定的拉、壓應力，處于較為復雜的二向或三向應力場中，只是保證新舊混凝土共同工作的必要條件。四川省建筑科學研究院的試驗結果表明，即使是軸心受壓，柱的初始縱向裂縫也總是最先出現在結合面上，使新舊兩部分過早分離，導致構件整體剛度和承載力因新舊部分共同工作能力的降低而降低。

3．計算假定和失效準則

對于按常規方法加固的鋼筋混凝土構件，在計算其承載能力時，一般可采用以下計算假定：

1)加固后構件截面的變形仍保持平面，整個截面的應變增量符合線性比例關系。

2)不考慮混凝土的抗拉強度。

3)混凝土受壓的應力與應變關系曲線符合現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)的規定。

4)縱向鋼筋的應力等于鋼筋應變與其彈性模量的乘積，但其絕對隨不應大于其相應的強度設計值，其極限拉應變取為0.01。

當加固后的構件出現以下現象之一時，可認為構件達到了承載能力極限狀態：

1)原構件的混凝土或新增混凝土的壓應變達到混凝土極限壓應變。

2)原構件鋼筋或新增鋼筋的拉應變達到鋼筋的極限拉應變。

3)以上兩種情況同時出現。

4．截面承載力計算

(1)軸心受壓構件

在軸向壓力作用下，當原構件的混凝土達到極限壓應變時，可認為加固后的構件達到極限承數力：這時原構件的混凝土中縱向鋼筋的壓應力均可達到材料強度值，但新增混凝土的應力和新增縱向鋼筋的應力則達不到。

新增混凝土、新增縱向鋼筋的強度利用系數與原構件混凝土的應變水平指標或應力水平指標有著直接的關系。應變水平指標能夠較直觀地反映應變滯后的程度。

(2)偏心受壓柱

采用增大截面法加固鋼筋混凝土偏心受壓構件時，其承載力可參照軸心受壓、受彎構件的基本原則計算，一般可將新舊部分作為一個整體對待，按照現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)的規定計算，但是考慮到應變滯后、共同工作等方面的因素，需對新增混凝土和新增縱向鋼筋的強度進行折減。

(3)受彎構件

按增大截面法加固梁、板等受彎構件時有兩種基本形式：增大受拉區，多用于粱的加固；增大受壓區，多用于板的加固。

當采用增大受壓區的加固方法時，如果能夠保證新舊混凝土結為整體，加固后構件的承載能力、抗裂度、鋼筋應力、裂縫寬度、變形等可按混凝土疊合構件計算；如果新舊混凝土的黏結不能保證，可將新舊部分作為兩個獨立的構件進行計算，后增彎矩按撓度棚等的變形協調條件在新舊部分之間進行分配，一般情況下可按截面的抗彎剛度分配。

如果采用增大受拉區的方法加固受彎構件，由于鋼筋的極限拉應變可達到0.01，而一般的熱軋鋼筋的彈性比例極限應變值僅為0.001～0.0025，因此在原鋼筋屈服但未達到極限拉應變0.01時，新增鋼筋一般能夠屈服，加固后受彎構件的承載力可按一般的受彎構件計算，但是考慮到新舊鋼筋共同工作的能力，以及構件在使用階段出現較寬裂縫的可能性，一般對新增鋼筋的抗拉強度乘以折減系數0.9。

5．構造規定

1)原構件混凝土強度等級應大于C10，新加固混凝土強度等級應高于原構件。

2)新增混凝土層的最小厚度，加固板時不應小于40mm，加固梁、柱時不應小于60mm，用噴射混凝土施工時不應小于50mm。

3)石子宜用堅硬耐久的卵石或碎石，其最大粒徑不宜大于20mm。

4)加固板的受力鋼筋直徑宜用8～12mm，加固梁、柱的縱向受力鋼筋宜用帶肋鋼筋，鋼筋最小直徑對于梁不宜小于12mm，對于柱不宜小于14mm，最大直徑不宜大于25mm；封閉式箍筋直徑不宜小于8mm，U型箍筋直徑宜與原有箍筋直徑相同。

5)新舊受力鋼筋的凈距不應小于20mm，并應采用短筋焊接連接；箍筋應采用封閉箍筋或U型箍筋，并按照現行國家標準《混凝土結構設汁規范》(GB50010-2010)的構造要求配置。

①當新舊受力鋼筋采用短筋焊接時，短筋的直徑不應小于20mm，長度不小于5d(d為新、舊受力鋼筋直徑的較小值)，各短筋的中距不大于500mm。

②當用混凝土圍套對構件進行加固時，應設囂封閉箍筋。

③當對構件的單側或雙側進行加固時，應設置U型箍筋。U型箍筋應焊在原箍筋上，當面焊縫長度為10d．雙面焊縫為5d(d為U型箍筋直徑)，或者焊在增設的錨釘上，也可直接仲入錨孔內錨固，錨釘的直徑d不應小于10mm，距構件邊緣不小于3d．

且不小于40mm，采用環氧樹脂漿政環氧樹脂砂漿將錨釘錨固于原梁、柱的鉆孔內，鉆孔直徑應大于錨釘直徑4mm，錨幽深度不小于10d。

6)梁的新增縱向受力鋼筋的兩端應可靠錨固；柱的新增縱向受力鋼筋的下端應伸入基礎，并滿足錨固要求，上端應穿過樓板與上柱腳連接，或在屋面板處封頂錨固。

6．施工要求

加固混凝土結構的施工過程，應遵循下列工序和原則：

1)對原構件存在缺陷的部位進行清理，直至混凝土的密實部分，并將構件表面鑿毛或打出溝槽，溝槽深度不宜小于6mm，間距不宜大于箍筋間距或200mm，被包部分的角部應倒角，除去浮碴、塵土等。

2)原有混凝土表面應沖洗干凈，充分洇水，澆注混凝土前，結合而應以水泥漿等界面劑進行處理。

3)對原有和新增受力鋼筋應進行除銹，在受力鋼筋上施焊前直采取卸荷或支頂措施，并應逐根分區、分段、分層施焊。

4)模板搭設、鋼筋安置以及新混凝上的澆注和養護，應符合現行同家標準《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2002)的要求。

二、鋼構件

1．加固形式

在加固鋼梁、鋼柱、鋼桁架等鋼構件時，一般是通過增設角鋼、槽鋼、鋼板、鋼管、園鋼等增大構件的截面面積，從而提高構件的承載力和剛度。新增加固件與原構件的連接包括焊接、螺栓連接、鉚接等，一般采用焊接。

對鋼構件的加固還包括對原構件中各零件之問連接的加固和對構件節點的加固，可分為焊縫連接、高強度螺栓連接、鉚接和普通螺栓連接三種情況。

1)對焊棒連接的加固：宵接延長原焊縫的長度，如存在困難，也可采用附加連接板和增大節點板的方法，增加焊縫有效高度；增設新焊縫。

2)對高強度螺栓連接的加固：增補同類型的高強度螺栓；將單剪結合改造為雙剪結合；增設焊縫連接。

3)對鉚接和普通螺栓連接的加固：全部或局部更換為高強度螺檢連接：增補新鉚釘、新螺栓或增設高強度螺栓；增設焊縫連接。

2．負荷加固的條件

鋼結構的加固有卸荷加固和負荷加固兩種形式。負荷加固是工作量最小、最方便、也較經濟的方法，無論是采用焊接連接還是非焊接連接，在負荷狀態下對鋼構件進行加固都是可能的。

研究表明，當采用角焊縫焊接厚度為10～14mm的焊件時，強度影響的最大范圍僅存26mm以內，且熱滯留時問僅為12s。只要采取措施保證焊接區小范圍退出工作引起的應力重分布不致損壞整體結構，焊后承載力會迅速提高。對高應力的對接焊縫和搭接焊縫所作的補焊試驗證明，在按規定順序施焊時，試驗機荷載下降10％～15％，冷卻后回升5％，施焊后新舊焊縫共同受力。對壓桿的焊接加固試驗也證明了壓桿在接近臨界荷載之前進行加固的可能性。這些試驗都說明，在較高負荷下對鋼構件進行焊接加固是可行的。

但是，負荷加固時，原構件中畢竟存在著較高的應力，施焊、開孔、原連接的解除等都會改變原構件的應力水平和應力分布，并可能對原構件造成損傷，這些都可能威脅構件在施工期間的安全性和耐久性，因此必須對施工期間鋼構件的工作條件和施工的過程進行控制。

中國工程建設標準化協會標準《鋼結構加固技術規范》(CECS77：96)，將被加固構件的設計工作條件劃分為四類。在采用增大截面法加固鋼構件時，要求被加固構件實際的最大名義應力值必須滿足要求，采用增加非橫向焊縫長度的方法加用焊縫連接時，原焊縫中的應力不得超過該焊縫的強度設計值，加固處及其鄰近區段結構的最大名義應力必須滿足要求；采用增加角焊縫有效高度的方法加固焊縫連接時，原焊縫的應力水平應滿足要求。

3．加固方法的選擇

在選擇鋼構件的加固方法時，應注意以下幾點：

1)注意周圍環境的凈空限制，避免新增零件與其他桿件相碰，或影響建筑物的使用。

2)加固方法應適應原構件的幾何形狀和已有的變形，以利于施工。例如，焊接鋼板加固受彎構件時，如果構件的撓度在施工期間難以消除，則宜選用寬而薄的鋼板。

3)增大截面時盡可能使原構件的形心位置保持不變，在受壓構件的四角或四邊同時增加鋼件，在受彎構件的上、下翼緣同時增設鋼件，減少受壓構件加固后因形心變化而產生的彎矩，提高對受彎構件加固的效果。

4)避免選擇易于構件積灰、積水的加固形式，同時應便于對加固后的構件進行油漆和防護。

5)如果鋼材具有良好的可焊性，并且構件不直接承受動力荷載，應盡可能采用焊接方式連接加固件，以減少施工工程量，并方便施工。采用焊縫連接存在困難時，或者加固過程中不允許產生變形和殘余應力時，宜采用摩擦型高強度螺栓連接的方式。

在選擇連接和節點的加固方案時，應考慮不同連接的剛度，即達到極限承載力之前的變形能力，盡可能使新舊連接在達到設計承載力前能夠共同受力。在鋼結構常用的連接方法中，焊接的剛度最大，其后依次是摩擦型高強度螺栓連接、鉚接和普通螺掙連接．在選擇加固方案時，應避免用剛度小的連接加固剛度大的連接。同時，還應考慮連接的破壞形態，避免整個連接中首先發生局部的脆性破壞。相對而言，焊縫的脆性較大，在達到極限承載力后會因斷裂而退出工作，高強度螺栓和鉚釘的塑性和韌性較好，達到承載力之后破壞時都可能在一定程度上繼續發揮作用。

在對連接和節點進行加固時，一般遵守以下原則：

1)對焊縫連接進行加固時一般仍采用焊縫加固的方案，而且在負荷下加固焊縫連接時，應優先考慮增加焊縫長度的方案，其次考慮增加焊縫有效高度或同時增加焊縫長度和有效高度的方案。對鉚接或普通螺栓連接進行加固時，不宜采用焊接加固的方案，避免新增焊縫提前發生局部的脆性破壞；如果在設計中考慮所有的作用力均由新增的焊縫來承受，則可采用焊接加固的方案，但原先的連接仍需保留。對于摩擦型高強度螺栓連接，當具體情況適宜時，可采用側面角焊縫進行加固。

2)當原普通螺栓或鉚釘因松動、損壞或強度不足而需要更換、新增時，應優先采用同直徑的摩擦型高強度螺栓連接的加固方案；如果仍不能滿足要求，可考慮采用承壓型高強度螺栓連接，但這時應將原螺栓孔或釘孔擴鉆平整。如果僅局部更換鉚釘，由于鉚釘和高強度螺栓的承載力存在差別，為保證受力勻稱，宜將位置與缺損鉚釘對應的非缺損鉚釘一并更換。

4．承載力驗算

(1)基本計算方法

在完全卸荷的狀態下通過增加截面加固鋼構件時，加固后構件的強度和穩定性可按加固后的截面、采用與新結構相同的方法進行驗算。

如果在負荷狀態下通過增加截面加固鋼構件，加固后構件強度和穩定性則不能采用新結構的方法驗算。我國行業標準《鋼結構檢測評定及加固技術規程》(YB7257-76)采用的驗算方法如下：

1)對于加固后承受靜力荷載或問接承受動力荷載的鋼構件，一般情況下可考慮新舊部分的塑性內力重分布，這時可按加固后的截面驗算構件的強度和穩定性，但必須考慮加固折減系數k：

對于軸心受力的實腹構件，取k=0．8。

對于偏心受力、受彎構件以及格構式構件，取k=0．9。

采用這樣的加固折減系數后，不再考慮受彎構件和偏心受力構件加固后截面邊緣的塑性發展。

2)對于加固后承受動力荷載的鋼構件，應按彈性方法驗算構件的強度和穩定性，這時應考慮構件加固前的應力和加固后增長的應力，需要分別采用加固前和加固后的截面，這時可不考慮加固折減系數。

加固折減系數k是存加同計算中為考慮多種隨機因素的影響而引入的一個經驗系數，它綜合考慮了下列因素：

①施工條件惡劣，不易保證質量。

②當考慮應力重分布時，加固件的應變滯后問題。

③焊接加固引起的附加變形對加固構件承載力的影響：

⑧焊接加固時產生的殘余虛力，螺栓或鉚釘加固時原構件和加固件間連接剛度的差異等。

加固折減系數k的取值是根據我國的實踐經驗并參照國外資料確定的。根據各類構件的不同受力條件，建議k的取值如下：

①對于軸心受力的實腹構件，考慮到上述因素對構件承載能力的影響較大，故取k=0．8。

②對于偏心受力和受彎構件，因附加變形的影響較小，且加固計算中已不考慮塑性發展系數，故取k=0．9。

③對格構式構件，因單肢的截面積不大，焊接時產生的附加變形較小，有時甚至可忽略不計，故按經驗統一取k=0．9。

我國行業標準《鋼結構檢測評定及加固技術規程》(YB7257-76)對連接加固采用了如下的計算方法：

①新增加的連接單獨受力時，其強度按吲家現行際準《鋼結構設汁規范》(GB50017-2003)驗算。

②卸荷狀態下用焊接加固原焊縫連接時，加固后的連接強度可按新舊焊縫共同工作考慮，按國家現行標準《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)驗算。負荷狀態下用焊縫連接，且原焊縫的計算應力不大于強度設計值時，加固后的焊縫連接可按新舊焊縫共同工作考慮，但總的承載力應乘以0．7的折減系數。焊縫的焊腳尺寸不同時，焊縫強度應按小尺寸計算。

③通過增加螺栓加固原螺栓連接的節點時，不論是在卸荷狀態下還是在負荷狀態下，節點總的承載能力均取新、舊連接承載力之和。

④用焊縫加固普通螺栓或鉚釘連接時，由于焊接剛度比普通螺栓或鉚釘大得多，在混合連接中焊縫達到極限狀態時，普通螺栓或鉚釘承擔的荷載還很小．因此不應考慮兩種連接共同工作，按焊縫承受全部作用力計算，但不宜拆除原有連接件。

⑤采用焊縫與高強度螺栓混合連接時，兩種連接方式計算承載力的比值應在1～1.5的范圍內，這時它們的荷載變形情況基本接近．可共同工作，連接的總承載力取兩者單獨計算的承載力之和。如兩種連接的承載力的比值超出1～1.5的范圍，荷載將主要由強的連接承擔，較弱的連接起不到分擔作用，一旦荷載超過強連接的極限承載力，兩種連接會同時出現破壞，造成嚴重后果。

⑥焊縫與高強度螺栓混合連接時，為施工方便可采用一次性先栓后焊的工藝，受焊接熱影響會使螺栓的預拉力有所松弛。根據試驗結果，焊后螺栓的預拉力為焊前的70％～75％，因此在計算高強度螺栓的承載力時應乘以0．7的折減系數：如果采用“預栓50％預拉力一焊接一終擰”的施工順序，焊接熱影響在焊后終擰時得以補償，因此承載力可不予折減，但預栓必須達到50％的預拉力，以保證抵制焊接變形，不影響整個連接的質量。

5．構造要求

除應遵守國家現行設計規范的要求外，尚應遵守以下構造要求：

I)采用增加截面法時，應保證加固件有合理的傳力途徑：有保證加固件與原有構件共同工作的相互連接；對于軸心受力和偏心受力構件，加固件宜與原有構件的支座或節點有可靠的連接。

2)加固用的連接材料和鋼材應與原構件的相匹配，有可靠依據時，也可使用不相匹配的材料。

3)負荷狀態下用焊接方法連接加固件時，應在保征加固件與原構件共同工作的前提下，對稱布置連接加固件的焊縫，并采用較小的焊腳尺寸，減小焊接變形和焊接殘余應力。

4)增加截面的加固構造不應過多削弱原構件的承載能力：采用螺栓或高烈度螺檢連接時，在保證加固件和原構件共同工作的前提下，應選用較小直徑的螺栓或高強度螺栓；當采用焊縫連接時，不宜采用與原構件應力方向垂直的焊縫；輕鋼結構中的小角釘和圓釘桿件不宜在負荷狀態下進行焊接加固，必要時應采取適當措施；嚴禁在負倚狀態下用焊接方法加固圓鋼拉桿。

5)用增大有效高度的方法加固原焊縫連接時，原焊縫質量必須良好，且有一定的長度，一般要求不小于100mm。

6)用高強度螺栓替換已損壞的鉚釘或螺栓時，應選用直徑比原孔洞小1～3mm的螺栓。

7)加固焊縫不宜密集、交叉布置，在高應力區和應力集中區域，不宜布置加固焊縫，新增的對接焊縫與原構件加勁肋、角焊縫、變截面等之間的距離不宜小于100mm；各焊縫之間的距離不應小于被加固板件厚度的4．5倍。

8)當受壓構件或受彎構件的受壓翼緣破損和變形嚴重時，為避免矯正變形或拆除受損部分，可在桿件周圍包以鋼筋混凝土，形成勁性鋼筋混凝土的組合結構。為了保證二者的共同工作，應在外包鋼筋混凝土的部位上焊接能傳遞剪力的零件。

6．施工要求

除應遵守國家現行鋼結構工程施工質量驗收規范的要求外，尚應遵守以下構造要求：

1)負荷狀態下刷增加截面法加固構件時，應采用合理的加固順序，首先加固對原構件影響較小的部位、原構件中最薄弱的部位以及能立即發揮加固作用的部位。

2)負荷加固時，必須考慮施工期間焊接熱作用對材料性能(強度、彈性模量等)的影響，開孔、螺栓或鉚釘解除對截面的削弱等，應采取下列安全措施：盡可能卸荷；針對施工期間的最大荷載采取臨時支護措施，使用合理的施工工藝。

3)負荷狀態下用增加截面法加固構件，可將加固件與被加固件沿全長互相壓緊，用長20～30mm、間距300～500mm的間斷焊縫定位后，再由加固件端部向內分區段施焊，每區段的長度不大于70mm，各區段的施焊前后應間隔2～5min。截面有對稱的成對焊縫時，應平行施焊；有多條焊縫時，應交錯順序施焊；對于兩面有加固件的截面，應先施焊受拉側的加固件，然后施焊受壓側的加固件；對一端為嵌固的受壓桿件，應從嵌固端向另一端施焊，若其為受拉桿件，則應從另一端向嵌固端施焊。

4)當采用螺栓或鉚釘連接加固件時，加固件和被加固板件互壓緊后，應從加固件的端部向中問逐次做孔和安裝螺栓或鉚釘，以便定位和盡可能減少加固過程中截面的過大削弱。

5)采用增加長度的方法加固焊縫連接時，宜選用低氫型焊條，焊條直徑不得大于4mm,焊接電流不得大于220A。每道焊縫的焊腳尺寸應不超過6mm；當焊腳尺寸超過6mm時，應分多道進行焊接，且層問溫度應低于100℃。新增焊縫與原焊縫棚接時，施焊前應對相接處的原焊縫進行處理，包括清除焊渣、修補焊縫缺陷、修整平滑過渡區等，新增焊縫的起點和落點不得緊靠原焊縫的邊緣。

6)當采用增加有效高度的方法加固焊縫連接時，除應遵守上述對焊條的規定外，其焊接電流一般遵守下述規定：平焊時的電流值為160～200A，立焊時的電流值為120～160A，仰焊時的電流值為110～150A。焊接應從原焊縫受力較小的部位開始，采剛分段退焊的方法，每道焊縫的焊腳尺寸的增高量應不超過2mm；當超過2mm時，應分多道補焊，層間溫度亦應低于1000℃。

7)負荷下采用增加非橫向焊縫長度的方法加固焊縫連接時，為避免金屬過熱和減小殘余應力，焊條直徑應不大于4mm，焊接電流不超過220A，每焊道的焊腳尺寸不大于4mm，前一焊道溫度冷卻至100℃以下后方可施焊下一焊道，對于長度小于200mm的焊縫增加長度時，首焊道應從原焊縫端點以外至少20mm處開始補焊。