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建筑结构损伤与加固技术研究

发布时间:2018/1/4 13:53:50    浏览量:495次

建筑结构损伤与加固技术研究

摘要:

文章主要针对建筑结构的损伤修复问题进行总结,概述了近年来的建筑结构损伤检测以及修复加固的方法,从损伤原因、检测方法、修复加固技术、加固原则、对未来的展望等五个主要方面对建筑结构的修复加固方法进行了阐述和概括。

关键词:

工程结构;损伤原因;检测方法;修复加固技术

在新中国现代化建设历史上,建筑领域占着不容小觑的比例。建筑结构在中华五千年发展历程中有着悠久丰厚的历史,从天坛、故宫屹立百年、风雨不摧到如今现代化发展,各色高楼林立于中华故土。这些建筑要经受自然灾害、使用年限、意外事故、人为因素等各项严苛条件的考验。由于建筑物结构设计和应用要求的变化,为响应中国可持续发展战略,建筑结构的损伤检测、修复加固应用也日益重要。

1国内外建筑结构应用现状问题

我国既有建筑项目近百万个,建筑面积约数十亿平方千米。随着大量现代化建筑的出现,一些古老文明的标志性建筑的保留、原有建筑物的改造加固问题随之而来。在国外,如丹麦用于加固改造和新建工程的投资比例已经是6∶1;据美国劳工部门的调查,加固改造业正在成为该国最受欢迎的9个行业之一;瑞典自1983年后,建筑业总投资的50%以上用于建筑的诊断与维修加固改造业;英国1978年用于建筑物维修、加固改造的投资是1965年的3~8倍[1],近年增长更快。因此建筑物结构的损伤修复和加固问题,日益成为世界建筑领域关注和研究的焦点。

2建筑结构损伤的原因及检测应用

2.1损伤的原因

建筑结构有结构重、尺寸大的特征。我国房屋设计使用年限一般为50年,房屋极易随自然变化、人为因素等影响损伤破坏。我国有2/3[2]的大城市处于地震区,风灾平均每年毁坏房屋超过30万间,水灾损失更是难以准确统计,火灾平均每年发生火灾超过6万起[3],建筑物火灾就占火灾总数的60%,这些灾害使不少建筑物提前毁坏。地形地质条件勘测不完整,地基勘测和建设过程中的误差,后天的使用和管理不当,均会折减建筑结构的使用寿命。旧建筑物的改建、扩建和古老建筑的整体迁移等都会使建筑结构受到损坏。

2.2损伤检测方法与应用

2.2.1建筑结构损伤检测的研究进展

近十几年来,若干国际大型会议如IMAC(国际模态分析会议)、国际结构健康监测专题学术讨论会(每两年一次在斯坦福大学召开)、英国的工程体系识别国际会议、欧洲新材料和结构专题学术讨论会[6]等都把结构的损伤诊断和健康监测作为研究重点,世界各国的建筑结构修复之路将继续延伸。张傲、唐朝晖、柴波[7]基于以往研究钢筋混凝土结构易损性的经验总结和数据统计的方法,考虑了落石灾害强度(速度、能量和轨迹),提出了定量的易损性分析流程与方法;焦敬品、孙俊俊[8]等根据结构损伤机理和信号特征的理论分析,优化出试件差频分量和频分量幅值随着激励信号变化的混频检测参数,得出结构微裂纹混频非线性超声检测方法,在优化检测参数的基础上混频检测可以很好的做到结构微裂痕的检测与定位;岳健广、钱江[9]通过结构非线性数值计算分析真实损伤破坏细节,用有限单元耦合模型,基于能量平衡原理,正确反映出整体结构的承载力、变形情况和局部损伤破坏细节。许煌昊、刘朝等[10]针对框架结构在地震作用绝对加速度响应部分能观测部分,通过采用扩展卡尔曼估计和递推最小二乘法对一层以上扩展状态和未知力进行递推,再用结构频率特征方程对一层结构参数估计,最后用数值求解微分方程,能很好地识别结构参数和地震输入,并成功识别出未观测的地震作用。

3建筑结构修复加固的应用现状

3.1建筑结构修复加固的基本方法

随着我国建筑事业的蓬勃发展,各种新技术与新材料应用层出不穷,目前基本方法应用如表2所示。

3.2加固技术的研究进展

建筑结构的加固和改造,是在20世纪中叶以后[11]真正发展的。1976年唐山地震后颁布了TJ23-77《工业与民用建筑抗震鉴定标准》、GBJ117-88《工业构筑物抗震鉴定标准》、YBJ219-89《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定标准》等;20世纪90年代以后颁布的CECS77:96《钢结构加固技术规范》、JGJ116-98《建筑抗震加固技术规程》等一系列标准及规程,1908年后修订了GB50144-2009《建筑抗震鉴定标准》、JGJ116-2009《建筑抗震加固技术规程》等[3]。20世纪80年代航天领域提出“智能材料与结构系统”概念[12]:将碳纤维或导电纳米材料掺入水泥浆,从而具有自感知特性[13],可以在原有建筑在使用进程中自动“报告”自身状况,以便及时作出补救和修复。中国建筑科学研究院自20世纪90年代起[14],开展了结构加固与防护材料研发和应用技术研究,有力地推动了混凝土结构加固保护材料的长足发展。碳纤维[15]、玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维材料的应用研究在近年发展迅猛。鲁效尧[16]在框架梁、板、柱节点的加固修复方面,将碳纤维加固与角钢结合,演变更有效的加固方法,证明了增加碳纤维的层数也能提高节点的承载力;黄镜渟等[17]用有限元分析软件,提出了有角度玻璃纤维加固纯混凝土柱的屈服应力应变和屈服时柱轴向、径向位移的计算公式,在理论上取得突破;许向南[18]通过理论实验推导,提出了经过玄武岩纤维布加固后的钢筋混凝土连续梁的抗弯承载力公式与刚度公式。万福磊[19]用有限元评估各加固方案的技术可靠性;祝百茹[20]对加固前后砌体结构在地震作用下的全过程进行仿真模拟,增强了结构抗震能力;李冉[21]用PKPM计算分析砌体结构受力特点,选择了适合的加固方案等。

4建筑结构改造加固进展方向和展望

4.1国内外建筑产业进展方向

当前我国发展生产已从兴建转移到对已有技术改造阶段。据资料统计,我国改建比新建节约投资约40%,工期缩短50%,收回投资的速度比新建产房快3~4倍,民用建筑的改造和修复需求也日益迫切。无房、缺房和不便用户仍然达20%以上,“一五”期间,我国更新改造资金只占同期建设投资的4.2%,逐年倍增,到“七五”期间为54%[3]。由此看来,国家用于旧建筑物的修复加固和改造费用是逐渐增加的。

4.2结论和展望

多年以来,建筑结构的检测鉴定、修复加固与改造技术日趋发展完善,但仍然存在诸多问题有待解决:(1)在建筑结构的损伤检测中,单一的检测方法或者单音频的超声大法控制已不能满足研究要求,需要深入混合检测的研究,达到检测结构的最优化组合;(2)由于现代化发展进程的特殊需求,建筑物增层、改扩建、抽柱托换、砌体结构承重墙托换等方面的技术以及建筑物整体位移技术、纠倾技术还缺乏系统的研究,应对改建、扩建工程合理结构体系和结构方案的研究更加深入;(3)纤维加固法是新兴领域,尤其玄武岩纤维的研究进展还处在起步阶段,还需更多稳步成熟的研究。

参考文献:

1]李莉.工程结构加固改造理论分析与试验研究[J].建筑结构.2010(S1):438-441.

2]张世林,混凝土结构检测及加固技术的研究与应用[D].大庆石油学院,2009.

3]张鑫,李安起,赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的进展[J].工程力学,2011,28(1):1-11.

4]GB/T50344-2004建筑结构检测技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

5]GB/T50315-2000砌体工程现场勘测技术标准[S].北京:中国建筑出版社,2000.

6]宗周红,任伟新,阮毅.土木工程结构损伤诊断研究进展[J].土木工程学报,2003(5).

7]张傲,唐朝晖,柴波.落石作用下钢筋混凝土框架易损性研究[J].建筑结构学报,2014(12).

8]焦敬品,孙俊俊,吴斌,等.结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究[J].声学学报,2013(6).

9]岳健广,钱江.基于能量平衡原理的有限单元耦合方法[J].计算力学学报,2015(2).

10]许煌昊,刘朝,何明煜,等.剪切框架在未知地震作用下的识别方法及试验验证[J].厦门大学学报,2014(6).

11]王伟.结构损伤检测及加固理论研究与应用[D].辽宁工程技术大学,2003.

13]GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准[S].

14]张小冬,黄莹,赵霄龙,等.混凝土结构加固与防护材料现状和展望[J].建筑科学,2013(11).

15]李惠,关新春,郭安薪,等.可持续土木工程结构的若干科学问题与实现技术途径[J].防灾减灾工程学报,2010,30(S):387-392.

16]鲁效尧.CFRP与角钢组合加固框架节点有限元分析[D].武汉理工大学,2013.

17]黄镜渟,陈道政.玻璃纤维加固混凝土柱屈服应力应变及位移分析[J].工程抗震与加固改造,2014(2).

18]许向南.玄武岩纤维布(BFRP)加固钢筋混凝土连续梁力学性能研究[D].吉林建筑大学,2014.

19]万福磊.建筑结构连续性倒塌数值模拟方法研究[D].中国建筑科学研究院,2011.

20]祝百茹,刘海卿.体外预应力筋加固砌体结构抗震仿真分析[J].长江科学院院报,2013(11).

21]李冉.PKPM软件在砌体结构中鉴定加固处理应用的研究[D].华东交通大学,2013.251•工程结构•

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