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结构的检测与加固技术
 
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文章来源:加固改造网   添加人:admin   添加时间:2017-6-15 10:06:36

一、概述  
    50年来,我国的结构验测与加固技术经历了从无到有、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术得到快速的发展,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。  
    结构检测与加固技术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、检验与测试技术  
    结构的检验测试与建设工程施工阶段的送样和质量检查有明显的区别,它通常为事后的检验与测试,如:在浇注好混凝土后,测定钢筋的配置情况等。因此其工作难度大,技术含量高。检验与测试技术一般为材料科学、物理学、化学、电子学与计算机科学等多学科紧密结合的技术。  
    我国的结构检验测试技术走的是“引进—消化—提高”和“借鉴—独创”相结合的发展之路。  
    1、混凝土结构  
    建国初期,我国基本上没有什么现代的检测手段。直到六十年代中期才开始进行混凝土强度的非破损检测方法的研究。七十年代中期,原国家建委把混凝土非破损检测技术列入了建筑科学研究发展计划,组织力量进行攻关。到八十年代中期,第一本全国性检测规程《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》(JGJ23—85)问世。此后,关于混凝土强度及缺陷的检测技术得到了广泛的应用和持续的发展。到目前为止,关于混凝土强度的检测已有回弹法、超声法、钻芯法、拔出法和灌入法等,以及由上述基本方法组合而成的超声回弹综合法、钻芯回弹综合法等。较为成熟的混凝土强度和缺陷检测方法已经有了全国性的检测技术规程,如:  
    《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/23—92);  
    《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02:88);  
    《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:88);  
    《后装拔出法检测混凝土强度技术规程》(CECS 69:94);  
    《超生法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:91)。  
    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,我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。目前我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。我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,我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。  
    2、砌筑结构  
    如果说混凝土结构的检验与测试走的是“引进—消化—提高”之路,则砌筑结构的检验与测试的发展则走的是“借鉴—独创”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。这些方法大多数为我国科研人员创造发明的。  
    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。可以说,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。  
    3、钢结构  
    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鉴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《钢结构工程施工及验收规范》(GBJ 18-66修订本)中,关于钢结构所用材料、制作、安装和工程验收等内容所规定检验方法还都是常规检测技术,而在1981年新板的标准(GBJ 205-83)中,关于钢结构焊缝的检验增加了X射线和超声波探伤的内容。1993年以后又陆续颁布了下述规程:  
    《建筑钢结构焊接规程》(JGJ 81-91);  
    《钢结构工程质量检验评定标准》(GB 50221-95);  
    《钢结构工程施工及验收规范》(GB 50205-95)。  
    在这些规程中明确规定,焊接的内部缺陷及分级要符合《钢焊接手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB 11345-89)的规定,使钢结构的无损检验工作向前推进了一大步。  
    在大型体育场馆、展览馆、机场、码头、火车站等公共建筑中,采用钢网架作为屋盖结构的愈来愈多。钢网架的检测受到普遍重视。针对该类结构的组件都是薄壁管、钢球和高强螺栓等特点,在实验研究和总结经验的基础上,编制了具有行业特色的《网架结构工程质量检验评定标准》(JGJ 78-91)和《螺栓球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》(JG/T 3034.2-1996)及《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》(JG/T 3034.1-1996)两本行业标准。 
    钢结构的检验测试技术在学习借鉴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、检验测试技术的发展前景  
    更加准确、减少损伤、快捷方便无疑是已有检验测试技术改善和提高的发展目标。开发新的检验项目,使检验测试技术更加完善则是这项技术发展的方向。  
    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。没有仪器设备就无法进行检测,而质量好、操作方便的仪器设备是高质量检测工作的保障。与经济发达国家相比,我们的检测仪器设备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。  
    检测方法改善和提高的第二个方面是检测理论提高和检测数据分析方法的改善。合理确定检测数量、合理布置检测位置、减小检测结果的不确定性、充分利用检测数据等,是所有结构检验与测试工作面对的问题。  
    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,如高强混凝土的强度检测、混凝土缺陷的准确判定、预应力筋管道灌浆饱满度测试、新型墙体材料的强度测试方法及质量评定方法等。  
    钢结构的检验与测试是最具有发展潜力的技术。在对钢结构进行鉴定时,钢构件材料物理力学性能的现场无损验测技术、钢构件应力的现场无损测定技术和结构关键部位应力及损伤现场测试技术等是目前亟待发展的技术。  
    新技术的开发也要引进与研制相结合。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、结构的鉴定与评估技术  
    结构鉴定与评估技术的发展与建筑市场和社会的需求有直接的关系,与国家的经济状况有密切的关系,同时又受到检测技术发展的影响。  
    建国初期至“文革”期间,我国的结构鉴定与评估工作相对较少。其原因是多方面的。在这期间,绝大部分的建设资金用于新建项目,即便如此,建设项目的数量也不多。旧的建筑物相对较少,而建国后期的建筑物和构筑物的使用年数还相对比较短。这段时间的鉴定与评估工作的对象,主要是少量使用时间较长且极其破旧的居民住宅。由于缺乏检测手段,鉴定工作以经验为主,相应的处理也多为治标不治本的临时措施。  
    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术的发展。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术的发展。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。  
    经过20多年的发展,建筑物和构筑物的抗震鉴定与抗震加固技术已日臻完善,形成了自己的体系,成为结构鉴定与加固技术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:  
    《建筑抗震鉴定标准》(GBJ50023-95);  
    《室外给排水工程设施抗震鉴定标准》(GBJ 43-82);  
    《室外煤气热力工程设施抗震鉴定标准》(GBJ 44-82);  
    《工业构筑物抗震鉴定标准》(GBJ 117-88)。  
    建筑物和构筑物抗震鉴定与加固技术的发展与成熟,为结构鉴定与加固技术的发展奠定了基础。  
    1985年,经国务院批准,开展了建国以来第一次城镇房屋的普查工作。为配合这次普查,国家建设行政主管部门组织有关技术部门编制了《房屋等级评定标准》和《危险房屋鉴定标准》。鉴于当时缺少相应检测手段,待评定和鉴定房屋的数量极大,这两标准均采用了以外观检查为主的鉴定方法,并将房屋分成完好、基本完好、一般损坏、严重损坏和危险房屋等五个等级。  
    这是一次专业技术人员与非专业人员结合的普查,由房管部门统查,由各单位自查。以某省为例,约1.3万人参加普查,普查房屋约1.3亿平方米。普查结果为完好房屋约占总数的38.5%,基本完好房屋约占总数的33.5%,一般损坏房屋约占总数的18.9%,严重损坏房屋约占总数的7.0%,危险房屋约占总数的2.1%。这次普查使房管部门拥有了一支进行房屋安全鉴定的技术队伍,为随后成立的房屋安全鉴定站奠定了基础。  
    1976年开始的抗震鉴定与加固和1985年开始的全国性的房屋普查及随后的大规模的修缮,标志着我国的工程建设从以新建为主转变为新建与维修加固改造并重的阶段。  
    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强度、配筋、砌筑砂浆强度、砌筑用强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术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,鉴定与加固技术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。  
    目前已有的鉴定标准和拟颁布的相关标准有:  
    《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJ 114-90);  
    《民用建筑可靠性鉴定标准》(将颁布);  
    《钢结构检测评定及加固技术规程》(YB 9257-96);  
    《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》(YBJ 219-89)。  
    这些鉴定标准把定性的鉴定提高到定量的阶段,其主要对象为已有的建筑结构,使已有结构的鉴定结果具有可靠性。  
    到了九十年代,特别是住宅商品化以后,建设工程的质量成为万众瞩目的焦点,并引起中央领导的重视。这一形势促进了建设工程质量的检测与鉴定技术的发展。建设工程质量的检测与鉴定技术已超出了单纯的结构安全的范畴,包括了结构的安全性、耐久性、适用性和抗灾害能力以及工程质量问题产生原因的鉴定与分析等综合问题。这类鉴定不仅包括工程施工质量,还包括设计质量,以设计规范和工程验收规范为准绳,以国家和各地有资质的工程质量检验中心为骨干。  
    建设工程质量的检测与鉴定为治理工程质量通病,如设计造成的多层砖房温度裂缝问题,混凝土工程施工阶段的开裂问题等起到了积极的作用,为设计规范和施工验收规范的修编提供了依据。  
    经过50年的发展,结构的鉴定与评估技术已经发展成为包括结构安全性鉴定、结构抗灾害能力鉴定与评估、工程质量问题鉴定、灾后结构的鉴定与评估和结构耐久性鉴定和剩余寿命评估的综合技术。  
    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、材料强度变异、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、材料强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。  
    在对建筑工程质量问题鉴定时,鉴定工作受到结构设计理论的制约,如设计不考虑环境因素的影响,而实际工程质量问题与环境温度等有很大的关系,如何评定这类问题,也有待设计理论和鉴定理论的提高。  
    四、结构的加固与改造技术  
    50年来,结构的加固与改造技术也得到了相应的发展。  
    除了单层居民住宅的修缮外,五十年代至六十年代加固较多的是单层工业厂房中的薄腹梁和混凝土柱。常见的薄腹梁的加固方法为体外拉杆方法,拉杆中施加的拉力多采用电热张拉法。常见的混凝土柱加固方法有外包钢法和外包混凝土法或称为增大截面法。此外尚有环氧砂浆修补法,此法常见于掺加氯盐混凝土构件的修复。这些方法主要源于前苏联,目前还在使用,但从理论上和操作工艺上都有了改善和提高。如混凝土柱的外包钢法加固方法,开始阶段的计算方法是分别计算混凝土柱和外包钢,外包钢按钢结构计算;当外包装的缀板加密并出现湿式的施工方法时,其计算按整体构件考虑;当缀板施加拉力时,可按约束混凝土进行计算。  
    七十年代中后期,砌体结构抗震加固的问题日益突出,特别是砖墙的加固问题。中国建筑科学研究院等单位开发了钢筋网水泥砂浆面层(俗称“加板墙”)加固技术,该技术至今仍然广泛用于砌筑墙体的加固。  
    八十年代初,辽宁省首先引进了法国混凝土构件加固技术,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,使粘钢加固技术得以在国内迅速推广应用。由粘钢加固技术还派生出来锚粘带钢加固技术和劲性外包钢加固技术。前一技术将锚栓固定技术与粘钢加固技术相结合,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-混凝土组合结构技术相结合,用于受弯构件抗弯抗剪能力不足和钢度不足的加固。  
    JGN结构加固胶的引进,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术成为现实。  
    九十年代中后期,纤维类材料用于加固的研究掀起了高潮,冶金建筑研究院引进碳纤维加固技术,河北省建筑科学研究院开发了丙纶纤维混凝土加固技术,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术等。  
    最近,国外金属锚栓进入中国市场,这一技术在结构的加固与改造中得到应用。中国建筑科学研究院正在编制金属锚栓的产品标准和工程标准。  
    随着结构加固技术的发展,结构的改造技术也得到了发展,结构的加固技术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。  
    加固改造技术的标准化是该项技术成熟的标志,目前在用和即将颁布的加固改造技术规程有:  
    《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB50165-92);  
    《混凝土结构加固技术规范》(CECS25:90);  
    《钢结构加固技术规范》(CECS77:96);  
    《多层砖房结构加层技术规范》(CECS78:96);  
    《砌体结构加固技术规范》(待颁布)。  
    结构的加固技术有待进一步发展。  
    新的加固材料的研制是推动加固技术发展的动力。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,加固技术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。  

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