混凝土结构的检测与加固

混凝土结构的检测与加固

徐有邻程志军王晓锋

二〇〇五年·北京

中国建筑科学研究

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一、前言

1.结构检测加固的意义

(1)设计、施工质量缺陷及安全隐患的消除；

(2)大规模基建高潮后的维修；

(3)耐久性问题及可持续发展的需要；

(4)建筑物商品化以后使用功能变化的要求；

(5)经济增长模式变化带来改建的需要。

2.结构检测加固的内容

(1)结构安全性(危房及安全隐患)的鉴定；

(2)结构安全事故的调查处理；

(3)结构使用功能及正常维护性检查；

(4)长久服役后结构继续使用的鉴定；

(5)结构改变用途和改建前的鉴定。

二、结构工程质量的调查

1.工程事故调查

九十年代初，对某省5年间建筑结构事故112例进行调查分析，统计结果如表1.1、表1.2所示；同时对全国范围内的恶性工程事故调查分析如表1.3所示。

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2.混凝土结构裂缝调查

上世纪九十年代末以来，随着混凝土商品化，泵送技术及现浇结构大量推广，结构裂缝问题日趋严重，已成为影响建筑市场和房地产业发展的严重不利因素。某地区对近5年来裂缝问题的调查结果如下。

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3.结构质量缺陷原因

4.混凝土结构质量事故的特点

(1)恶性事故的根本原因是结构整体稳定性差；

(2)结构、构件承载力不足问题相对较少；

(3)大量问题是影响使用功能的可见裂缝及变形；

(4)施工阶段是质量事故的高发期；

(5)长期服役后的结构耐久性事故近年逐渐增加；

(6)人为因素对结构正常使用、维护干扰引起事故的频率明显加大；

(7)事故原因往往为多种因素综合作用所致。

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三、结构检测的基本原则

1.混凝土结构质量问题的复杂性

(1)混淆质量缺陷(一般缺陷、严重缺陷)与质量事故的关系；

(2)检测加载困难；加固处理难度大；

(3)混凝土结构施工工序长，参予部门多，难以判断；

(4)涉及历史条件、服役历史、使用维修等，情况复杂；

(5)档案资料残缺不全，各方提供证据真实性存疑；

(6)不同方面(建设、设计、施工、监理、使用)意见难以协调一致。

2.混凝土结构的非正常验收

《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001及《混凝土结构工程施工质量验收现范》GB50204-2002对混凝土结构质量缺陷的非正常验收规定如下。

3.处理原则

遵循有关的标准规范，认真坚持以下六条基本原则：公正性；公开性；客观性；全面性；科学性；严密性。

4.检测工作程序

为保证检测结论的有效，应坚持必要的工作程序，如图3.1所示。

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图3.1 检测工作程序框图

四、混凝土结构的检测

1.结构混凝土强度的检测

(1)回弹法(JGJ/T 23)：利用混凝土硬度与强度的对应关系推定实际混凝土强度；

(2)超声法(CECS 21)：利用混凝土密实度对超声波传播速度与强度的对应关系推

定实际混凝土强度；

(3)综合法(CECS 02)：利用混凝土硬度及密实度与强度的对应关系推定实际混凝土强度；

(4)钻芯法(CECS 03)：从结构中钻取混凝土芯样进行试验，确定实际混凝土强度；

(5)拔出法(CECS 69)：利用深入混凝土中的锚头拔出拉力确定实际混凝土强度；

(6)射钉法：利用钢钉射入混凝土的深度确定实际混凝土强度；

(7)其它方法：成熟度法、拉断法、推剥法等。

利用非破损、半破损方法及其它物理量推定混凝土结构的实际强度，受到混凝土组成成分变化、检测手段的影响，以及检测数量、范围的限制，有很大的局限性。宜采用多种方法互相校准或用同条件养护试件反映。

2.混凝土缺陷的检测

(1)裂缝：观察、量测、描绘裂缝所在的构件、位置、形态、走向、宽度以及稳定性；

(2)表面缺陷：观察、描绘露筋、蜂窝、孔洞、夹渣、疏松及其它外形、外表缺陷；

(3)内部缺陷：用超声法或雷达波法确定内部缺陷的范围及性质。

对检测结果进行分析，视其对结构性能及安装使用功能的影响程度，区分一般缺陷及严重缺陷。同时分析其原因，供评定(鉴定)及加固(处理)参考。

3.结构几何参数的检测

(1) 尺寸偏差：量测实际结构的截面尺寸、墙柱偏斜、标高偏差及其它类型的尺寸偏差值；

(2)过大变形；实际结构构件明显挠度、构件偏斜、翘曲扭转的量测；

(3)钢筋移位：对存疑截面钢筋位置进行量测并核实受力钢筋规格、数量。

结构几何参数的量测涉及对结构实际受力状态的分析。应选择对结构性能有明显影响的项目，并通过量测、分析供评定(鉴定)及加固(处理)参考。

4.耐久性检测

(1)资料调查：设计施工资料；竣工验收报告；承载服役历史；使用维修记录以及其它有关资料；

(2)环境调查：结构环境等级；暴露程度；气候条件；使用状态；有害介质(氯盐等)以及其它因素的影响情况；

(3)混凝土耐久性检测：碳化深度；酥裂范围；氯离子侵入深度及含量；碱含量以及其它腐蚀性介质的情况；

(4)锈蚀钢件检测；钢筋、器件、焊缝、接头的观察；锈蚀程度描述；截面(强度)损失率及有关情况。

耐久性检测应注意“度”的确定，以供评定(鉴定)及加固(处理)作为依据。

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5.检测要求

应注意采用多种方法互相校准并应有足的抽样检验数量及范围，以保证检测结论的科学、客观、公正。

五、混凝土结构(构件)的评定(鉴定)

1.建筑结构安全的基本概念

(1)建筑物的安全：建筑物安全取决于结构所具有的抗力R和荷载引起的效应S。其均为随机变量，且服从某种分布(图5.1)。结构的安全程度取决于R和S的相对大小；当R＞S时结构安全；当R＝S时结构达到极限状态；当R＜S时结构失效。

图5.1 抗力、效应和失效概率

(2)结构安全的度量——可靠度：安全的概念是相对的，设计中安全可靠只是控制失效概率P f小到可以接受的程度为止。失效概率P f用可靠度β来表达。设计规范确定了一定的可靠度和相应的失效概率，保证了符合规范要求结构的相对安全性。而绝对的安全可靠是没有的，也是不可能的。

(3)建筑结构(构件)的可靠性评定：结构的安全实际是对其承载能力的评价。根据检测结果计算结构或构件在荷载作用下的效应S，考虑结构的重要性系数γ。，通过计算R/γo S的情况来确定其安全性及处理方式，如表5.1所示。表中括号外数字代表重要构件；括号内数字代表一般构件。

(4)建筑结构安全的可靠度概念详见《建筑结构设计统一标准》GB50068-2001。

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2.危险房屋鉴定

(1)危险房屋：指地基、结构、围护等已处于危险状态，结构的抗力严重不足，随时都有丧失稳定和承载能力的可能。危险房屋分整幢危房和局部危房，以整幢或危及倒塌部分的建筑面积(m2)来计量。

(2)危险构件的鉴定：危险构件指构件已经达到其承载能力极限状态，或已发生不适于继续承载的变形、裂缝等。危险构件的鉴定是危险房屋鉴定的基础。危险构件鉴定以“件”为单位进行，墙、柱、梁、板、屋架等构件达到一定程度的变形、裂缝或其它状态时可确定为危险构件。

(3)危险房屋鉴定：以地基基础、承重结构和围护构件的危险性评定为基础，综合历史背景和发展趋势，全面分析，综合判断。具体执行时应考虑以下问题：危险的相关性；危险的历史背景和发展趋势；危险范围的确定。

(4)危险房屋鉴定可根据《危险房屋鉴定标准》JGJ125-1999执行。

3.建筑结构的综合评定

(1)实际进行的可靠性一般通过对建筑结构及缺陷的系统检测，以分等定级的形式来评定。

(2)承载能力评定：调查结构上的作用(荷载及温度等间接因素)；所处环境及使用历史；检查结构形式和传力系统是否合理；按国家现行规范标准对结构进行验算。

(3)构件子单元的评定：评定按承载能力、构造、裂缝、变形进行。结果分为四个等级(a、b、c、d)，每个等级都列出了相应的具体评定指标。由此4项评定的结果，并以承载能力评定为主，对地基基础、承重结构、围护系统的安全性及使用性按A、

B、C、D评定等级。

(4)建筑结构的综合评定：综合评定包括按照鉴定单元的范围进行安全性评级及使用性评级，对其适修性进行评估，并撰写鉴定报告。

(5)有关标准规范结构综合评定可根据《工业厂房可靠性鉴定标准》GBJ144-90及《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-1999执行。

4.其它类型的评定

(1)改变用途进行的评定：检测、调查的内容同前，但应考虑用途改变以后荷载变化以及因此而引起效应S的改变。此外，改扩建之后结构形式与相邻结构关系等变化对于抗力R的影响也应考虑。评定和判断的原则仍以R与γo S的相对关系确定。

(2)使用状态的评估：属于建筑结构的适用性问题。一般检测评估的目的是对缺陷的原因进行分析，以避免出现类似的问题并提供处理的方法。

(3)耐久性评估：使用一段时间后，对结构性能劣化进行检测评定，并推定结构的剩余寿命，或提出加固维修方案。使结构延长使用寿命，以满足要求。检测评估的结论是定量地确定结构安全使用的年限。

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10 六、混凝土结构加固处理

1.加固处理的原则

（1）绝对保证结构的安全可靠； （2）维护结构体系的整体稳定性；

（3）尽可能减少对于使用功能（观感、防水、渗漏、保温、隔音）的影响； （4）有足够的使用年限；

（5）加固具有可执行性，便于施工操作。 （6）经济节约，减少开支；

（7）可参考《混凝土结构加固技术规范》CECS 25及《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS 146；

（8）加固处理方案可以有多样性。应注意分析、比较，进行优化选择。

2.增大混凝土截面加固法

（1）在柱、墙、梁、板等构件的单侧、双侧、三侧或周边后浇混凝土层（以受压区为主），加大截面以提高承载力、刚度或裂缝控制能力。

（2）柱、墙、梁外包混凝土加固（图6.1）。

图6.1 构件外包混凝土加固

（3）梁、板叠浇混凝土加固（图6.2）。

图6.2 受弯构件叠浇混凝土加固

（4）应注意新旧混凝土面的结合；加固层混凝土厚度不应过薄（40~60mm 以上）；注意后浇混凝土层中配筋的完整性。

3.外包钢材加固法

（1）用干式或湿式（粘结）角钢、钢板包裹混凝土截面，从而增强结构抗力。 （2）应注意采取必要的构造措施：钢板厚度、缀板间距；粘结锚固……等，以保证传力通畅及共同受力（图6.3）。

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图6.3 外包钢加固

4.锚贴钢材加固法

（1）在结构（构件）薄弱部位用胶粘、锚栓、植筋、焊接、缠绕等方式锚贴钢板、钢筋以增强抗力。

（a ）粘贴钢板 （b ）焊贴钢筋、钢材

（c ）锚贴钢材

图6.4 锚贴钢材加固

12 （2）基底混凝土强度不能过低，无腐蚀、酥裂现象；且应事先清洗基面并作粘糙处理。

（3）锚贴前宜适当卸荷，以保证锚贴施工后加固钢件与原构件能共同受力。 （4）粘贴面应胶体浆液饱满，凝固后方能承载。宜采用锚贴并用方式以提高可靠性。

5.粘贴碳纤维加固法

（1）利用碳纤维的高强度、柔韧性以及树脂类材料的粘结性能，在混凝土结构表面粘贴碳纤维片材修复、加固混凝土结构。原理同锚贴钢材加固。

（2）在梁、板的受拉区粘贴碳纤维加固时，纤维方向应与受力方向一致。 （3）在对梁、柱构件进行抗剪加固时，粘贴碳纤维方向应与构件轴心垂直，方式可为封闭、U 形、双L 形或侧面粘贴。

（4）采用封闭式粘贴通过约束混凝土对柱进行加固时，纤维方向应与柱轴垂直。 （5）碳纤维布在构件转角处应有转角，曲率半径应不小于20mm 。互相搭接的长度应不小于100mm ；且宜互相错开。

（6）为保证碳纤维片材与基底混凝土能够共同受力，必要时宜采取附加锚固措施。

（a ）梁、板底加固 （b ）梁底加固及U 形箍抗剪加固

图6.5 受弯构件梁、板的加固

图6.6 负弯矩区加固梁侧有效粘贴范围

注：h t ＇为板厚

图6.7 抗剪加固方式

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6.外加预应力加固法

（1）采用纵向加力或横向位移的方法对抗力不足的受弯、受压构件施加体外预加拉力或压力以闭合裂缝，加大刚度，增强承载能力（图6.8、图6.9）。

图6.8 外加预应力原理 图6.9 桁架屋面梁的加固

（2）横向位移张拉体外预应力钢筋，能够有效地控制裂缝，减小挠度，增加承载力，且施工方便（图6.10）。

图6.10 预应力横向张拉的各种方式

（3）对柱、墙可以采用横向位移顶撑法进行预压应力加固（图6.11）。 （4）外加预应力时应控制张拉位移的“度”，防止欠张达不到加固处理目的或超张造成安全裕量不足。

（5）应注意选择张拉装置并保证张拉后预应力筋的可靠锚固（图6.12、图6.13）。

14 （6）预应力施工完成以后，应采取必要措施覆盖，隐蔽体外预应力钢筋（钢材），并保证其耐久性。

（a ）双面顶撑 （b ）单面顶撑 （c ）顶撑法节点处理

图6.11 顶撑法加固柱

图6.12 张拉装置及

应力转折处理 图6.13 预应力钢筋的锚固

7.改变传力途径加固法

（1） 改变原结构受力体系，通过加设支点或卸荷构件，以增加或改变传力途径，增强结构抗力。最极端的情况是以替代结构承受原结构的全部荷载和内力。

（2） 改变原结构的计算简图：简支改为连续；铰支座改为固定支座；加大局部刚度以吸引荷载；减轻薄弱部分效应；增加支点；添加传力途径；重建承载体系……等。

（3） 改变传力途径往往影响原结构的使用功能，因此必须综合考虑、慎重处理。处理前各方应进行协商并形成有约束性的文件。

（4） 应由有资质的单位承担加固处理的设计计算并提供加固改造方案；按方案施工后应认真进行检查验收，以确保质量。

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(a)立柱支撑 (b)斜杆支撑 (c)腰部斜撑

(d)上部吊杆拉结 (e)增加传力途径 (f)替代结构

图6.14 改变传力途径加固

8.混凝土结构裂缝处理

（1） 利用外加预应力闭合裂缝（同外加预应力加固法）。 （2） 屋盖、地下室利用渗入水（外加化学剂）使裂缝自愈闭合。

（3） 利用后浇混凝土、贴粘钢材、碳纤维等以及装修材料封闭、掩盖裂缝。 （4） 对可见的裂缝表面进行凿槽嵌补修复。

(a)凿槽尺寸 (b)嵌补方法

图6.15 凿槽嵌补方法修复裂缝

1-水泥净浆 2-水泥砂浆或环氧胶泥 3-水泥砂浆或刚性防水五层 4-聚氯乙烯胶泥或沥青膏

（5）对混凝土内部裂缝采用灌缝吸入或压浆浸渍的手段加以修补。结构内部的混凝土缺陷采用同样的方法处理。

（6）裂缝处理应在混凝土结构裂缝稳定并消除产生裂缝的根源以后进行，否则将事倍功半。

(a)裂缝及吸盘的布置(b)吸盘的抽吸作用

图6.16 灌缝胶的吸入

附录：检测加固实例

例1：预应力圆孔板断裂事故的检测与鉴定

例2：受力钢筋移位的检测与处理

例3：预应力屋面梁的检测与加固

例4：利用混凝土耐久性试验进行检测鉴定

例5：现浇混凝土楼盖裂缝的检测与处理

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附录检测加固实例

例1：预应力圆孔板断裂事故的检测与鉴定

某农村住宅楼施工时，预应力圆孔板突然折断造成20人负伤。事发后，不同检测单位对事故现场预应力圆孔板进行结构性能检验，得出了完全不同的结论。为此，当地检察部门委托进行仲裁检测，分析事故原因。

一、事故概况

二层农村住宅，无设计单位和图纸。在二楼上布置阳台，根据当地习惯，采用在两侧墙上预埋阳台梁，然后在其上铺设预制圆孔板压住并砌筑墙体，以平衡阳台悬臂的倾复弯矩（例图1.1）。按装阳台梁时施工队20人正在抬阳台梁（因无起重机械），用木方搭设在外墙和已铺楼板之间，铺木板以供抬举阳台梁的人员站立。在抬举和移动阳台梁时，支撑木方的四块预制圆孔板全部断裂，20人连同阳台梁、木方、断板等全部坠落，造成大面积伤残事故（例图1.2）。

例图1.1 阳台梁及楼板墙体例图1.2 事故发生时的状态

二、初期检测

曾对断裂板的混凝土进行回弹法测强，但未能得出结论。以后施工单位、预制构件厂分别委托检测单位在现场抽样进行结构性能试验，所得结论互相矛盾。但两份检

验报告中都存在问题：加载计算有误；对构件自重、灌缝重等荷载计算不准确；不符

合标准图及检验标准的要求；此外一份报告荷载持续时间不足（荷载间隔10mim）；

另一份报告试验跨度不准，未考虑尺寸偏差的影响。作为检察部门用以载定事故责任

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的依据，不符合标准要求的检测报告应视为无效。

三、结构性能试验检验

根据检验评定标准对检察部门送检的三块板先进行外观质量及尺寸偏差检查。该预应力圆孔板产品制作工艺质量较差：板面有塌孔现象；板侧有较大面积蜂窝；板端混凝土质量也较差；主筋保护层厚不均匀；中间大而两边小。所有这些缺陷降低了混凝土的抗压强度；影响预应力钢筋与混凝土的握裹力；减小了钢筋抗力的内力臂，可能对结构性能造成不利影响。

结构性能试验检验结果，三块板的挠度及抗裂度合格；但除最后一块板勉强合格外，其余二块板均未达到标准及标准图承载力检验要求。因此这批预制圆孔板的结构性能判为不合格。三块板的破坏形态均为钢丝拉断引起板的脆断，与事故发生时的现象一致，疑为钢丝质量问题所致。从试验后的试件中凿取钢丝试样6根（为避免受力影响，从靠近支座的低应力板端处取样）送试验室检验。试验结果表明，冷拔低碳钢丝的强度和延伸率不符合相应规程的要求，因此受力主筋的材性检验不合格。

四、事故原因的分析

1.事故的主原因是预制预应力圆孔板不满足标准及标准图的质量要求；并且破坏形态为主筋拉断引起的构件脆断，为无预兆的突发脆性破坏。预制构件质量不合格是造成事故的主要原因。

2.预应力钢丝强度不足和延性太差是造成构件脆断的直接原因。该预制构件厂无试验室，未对钢丝进行材性试验。外购钢丝时无正式单据，无质量保证书，无有关的任何技术文件。该批来路不明的预应力钢丝完全有可能是不合格的废品钢筋。管理混乱和缺乏起码的质量保证手段，这是事故的根源。

3.预应力受力钢丝的保护层不均匀，中间较厚而两侧较薄，内力臂相差达15—20%。这种预应力钢筋受力不均匀现象引起构件受力状态的恶化：两侧钢丝将在中间钢丝应力不高时拉断，从而造成整个构件的突然断裂。保护层不均匀是由于挤压法生产，叶片旋转推挤混凝土带动钢丝移位造成的（例图1.3）。

(a)挤压生产造成钢丝移位(b)板侧钭平边

例图1.3 预制圆孔板的配筋与灌缝

4.预应力圆孔板板宽很窄（480mm），荷载稳定性很差。板侧采用斜平边形式（图1.3），无法传递剪力和共同变形。单板受力的楼盖结构传力体系是脆弱的，结构整体稳定性很差。

5.检测发现圆孔板反拱较大，挠度很小，抗裂度很高。这意味着预应力受力钢丝有可能超张拉。这潜在着危险：张拉应力过高意味着受力钢筋承受荷载时应力起点就很高（已接近拉断），承载后应力增长的裕量已相对不足。加上冷加工钢筋延性太差，因此完全有可能在应变不大，裂缝未出现或刚出现不久钢丝应力即达到拉断强度，从

而发生脆断。

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例图1.4 预制板的受力及折断

6.无证设计、无证施工也应承担责任。特别是在楼板安装后尚未灌缝、做地面形成整体的情况下承受较大的施工荷载，是违反要求的。承载木方斜搭在墙与预制楼板之间，实际受力的仅为靠边一块窄板。承受20个施工人员及阳台梁的荷载，造成了预制板的弯曲和扭转（例图1.4）。使板边第一根钢丝因应力太高而拉断，从而造成第一板折断。接着靠边的预制板经历同样的过程依次折断，直到木方复盖的全部四块板折断为止。

五、结论

1.事故的主要原因是预制预应力圆孔板结构性能不合格。这是由于冷加工的钢丝强度不足；延性太差；张拉应力过度；保护层厚薄不一；结构性能恶化所引起的。

2.预制圆孔板宽度过窄；板侧采用斜平边形式；吊装后未及时灌缝做地面；整体性差；荷载稳定性差；是事故的又一原因。

3.连反施工规范，用木方斜搭在预制板上受力，造成预制板的弯曲、扭转而折断。这是事故的直接诱因。

4.无设计图纸、无产品合格证、无施工执照的三无工程；缺乏起码的管理和质量意识，是这起事故的真正根源。

例2：受力钢筋移位的检测与处理

某住宅混合结构建筑，建成后发现有50块预制楼梯板板底有裂缝。裂缝横向贯通板底，每块板1~4条，宽度为0.02~0.20mm。其中缝宽超过0.10mm的明显开裂板有22块，最严重的板伴有下垂现象，最大下垂达7mm。由于影响使用和安全，经检测分析后，作了加固处理。

一、检测及开裂原因

1.混凝土强度检测

用回弹法评定混凝土强度。所有楼梯板的混凝土实际强度均高于设计强度标准值。由检测结果分析，混凝土强度不是造成开裂的原因。

2.保护层厚度检测

用钢筋保护层厚度测定仪量测楼梯板的所有受力钢筋保护层厚度，并取每块板的

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平均值作为该板保护层厚度的实测值。另外，又抽测了该小区其它楼的10块同型号楼梯板保护层厚度作为对比。

实测开裂楼梯板的保护层厚度平均为23.2mm，最大达30.8mm；10块对比板的平均值为16.8mm。相比之下开裂楼梯板的保护层厚度较大。同时凿开5块开裂楼梯板，以校核检测仪表的准确性。实测结果开裂板的钢筋位移较大，平均值为25mm。检测统计表明，保护层厚的板开裂较多，故钢筋移位，有效高度减小，导致抗力不足是开裂的主要原因。

3.制作工艺和施工情况的调查

预制构件采用反位生产工艺，板底受力钢筋反置于模板上部，没有采取有效的措施使其固定在正确的位置上。在浇筑混凝土时，因冲击作用将钢筋砸下，造成受力钢筋保护层增大。受力钢筋的移位呈弧形，与仪表检测及开凿量测的结果完全一致（例图2.1）。

在施工阶段，为防止磕碰在踏步上面砌砖保护，加重了施工阶段的荷载，并在施工时有可能承受超载作用。

4.裂缝成因分析

（1）因制作工艺缺陷，钢筋保护层过大。有效高度减小，抗力受到削弱。

（2）设计裕量偏小，板厚过薄使有效高度较小。施工误差将影响构件的结构性能。

（3）施工过程中偶然作用的影响，可能导致构件开裂。对本来就没有抗裂性能要求的非预应混凝土楼梯板，就很容易发生裂缝。

二、加固处理方案

1.加固处理原则

（1）绝对保证构件及结构体系的承载力及安全。

（2）应消除裂缝及下挠对观瞻的影响。

（3）加固处理简单易行，方便施工，有实际的可操作性。

（4）尽可能地减少材料和施工费用，节约开支。

2.初期加固处理方案

方案1：掀开楼梯间屋盖，用起重机将开裂楼梯板撤去，换上合格板；

方案2：用扒杆、导链、吊车将开裂楼梯板从楼梯间窗口运出，换上合格板；

方案3：在开裂楼梯板底侧加角钢，支托构件并增加承载力；

方案4：在开裂楼梯板底面粘贴钢板，以补充抗力的不足。

3.体外预应力加固方案

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