《工程结构诊治技术》PPT课件.ppt

工程结构诊治技术,1.特点：（1）内容多，知识面广，综合土木工程的各专业知识。（所需的前期课程内容较多，是一门复杂的学科）（2）新技术、新工艺、非唯一性 没有不可加固的结构，没有唯一的加固方法。一种新技术（工艺）被一次灾后加固所肯定或否定。,2.参考书（主要的）工程结构鉴定与加固改造 建工出版社，2008年12月 编委会 结构可靠性鉴定与加固技术 中国水利水电出版社，2002年2月 曹双寅等 房屋结构灾害检测与加固 同济大学出版社 95.11 朱伯龙 工程结构裂缝控制 中国建筑工业出版社 97.8 王铁梦 建筑工程事故分析与处理 中国建筑工业出版社 2006.4 江见鲸等 建筑工程事故处理手册 中国建筑工业出版社 94.9 王赫,3.规范、规程（已有几十本，列举几本主要的）现有建筑抗震鉴定与加固规程 DGJ08-81-2000 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292-1999 混凝土结构加固设计规范 GB50367-2006 危险房屋鉴定标准 JGJ 125-99 房屋质量检测规程 DG/TJ08-79-2008 既有建筑物结构检测与评定标准 DGTJ08-804-2005 房屋完损等级评定标准 城住字84第678号 建筑抗震鉴定标准 GB50023-2009,涉及标准、规范,涉及标准、规范,涉及标准、规范,涉及标准、规范,由于设计、施工、材料、环境影响、使用不当及自然损耗等多方面的原因，使得结构安全性得不到保障，或使用功能不能满足要求，这就需要对其进行诊断、鉴定、加固与修复处理。近年来，结构补强与加固越来越受到有关科研和工程技术人员的重视。补强与加固的目的就是提高结构及构件的强度、刚度、延性、稳定性和耐久性，满足安全要求，改善使用功能，延长结构寿命。,世界经济发达国家的基本建设大体上经历了三个阶段：大规模新建 新建与维修并重 维修改造为主,美国自1970年代开始，建筑业的新建就不景气，而维修改造业却越来越兴旺，1990年代初期用于旧建筑物维修和加固上的投资已占建设总投资的50%；英国1978年维修改造业投资是1965年的3.8倍，而1990年代占建设总投资的70%；瑞典1983年建筑业总投资的50%是维修改造投资；而德国则达到80%。,为了推动和适应建筑维修改造业的发展，“国际建筑研究和文献委员会”设立了：“建筑物维修改造委员会”（“W70委员会”），专门从事建筑物维修改造的研究、调查、信息交流和组织编制标准规范等工作。,结构补强加固已在各种工业建筑、民用建筑、桥梁、隧道、水电站等领域大量应用。先看以下结构补强加固工程图片：,世界各国及各方人士都对建筑物的寿命极为关注，因为人类离不开建筑。对于新建筑，业主关心的是在一定的期望寿命要求下它究竟能使用多少年，工程技术人员关心的是应该对设计的参数、材料性能的要求、施工工艺、使用中的维护提出什么样的要求才能使设计的建筑达到期望的寿命。对在用的旧建筑，业主更多的是关心其剩余寿命，即还能为业主服务多少年；工程技术人员则关心的是能拿出哪些证据证明建筑物的剩余寿命，或对在用有病害的建筑物需要做哪些诊断和加固修复工作，才能达到业主期望的剩余寿命。,建筑物的耐久性首先明确和区分与耐久性有关的以下几个概念：(1)耐久性。在一定的环境和使用条件下，随着时间的推移，建筑物抵抗病害及老化而保持基本设计功能的能力。(2)设计使用年限。在正常使用、维护条件下，建筑物不需作较大加固处理，就能保证结构安全和基本保持主要设计使用功能的年数，又称为设计耐用年限。(3)设计基准期。在计算结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系时所取用的基准时间。(4)使用寿命。建筑物或其重要部分从投入使用到废弃不用或不宜再使用的时间。我国新建筑结构可靠度设计统一标准(GB500682001)中给定的设计基准期为50年。,建筑结构的耐久性是建筑结构可靠性在时间坐标上的度量。设计耐用年限规定与现有建筑科学水平、材料水平、施工水平、国家综合经济实力、业主的投资与回收、土地资源紧缺程度等都是相关的。各国对此都有明确规定，这些规定与我国略有出入。日本建筑学会1986年制定的建筑物设计、施工、维护耐久性指南的规定如表1-2所示。国际标准CEB-FIP Model Code(1978)规定，一般钢筋混凝土建筑物设计使用年限为50年，纪念性建筑物设计使用年限为500年。英国BS5400对钢筋混凝土桥梁的设计使用年限规定为120年,建筑耐久性历史案例,上海外白渡桥：1907年建，设计寿命100年。近年英国设计院来函，该桥寿命已到100年，我们的责任已终止。,外白渡桥是上海第一座钢结构桥。桥有二孔，共长106.7米，车行道宽11.2米，两侧人行道各宽3.6米，载重为20吨。因它处于旧时的外滩摆渡处，人们过桥不付费，故称外白渡桥。因设计寿命已到，上海对其进行检测，安全评价为89分。为了保证桥体安全再用50年，决定对其进行移桥修护。2008年4月6日，外白渡桥移桥工作正式开始。从上午8时到12时10分许，外白渡桥在原地抬升，由拖船牵引运往船厂维修。,上海外白渡,外白渡桥夜景,外白渡桥分段拆离,外白渡桥由拖船抬升、转向、待运,外白渡桥分离后在拖船上,拖船正在将外白渡桥拖往船厂维修,建筑物设计使用年限与实际使用年限相差很大 调查结果表明，在严重腐蚀条件下的工业厂房，使用期限仅为1726年，1985年水电部调查了32座大型混凝土坝和40余座钢筋混凝土闸，其耐用年限估计只有3050年。冶金、化工、有色冶金行业的厂房腐蚀十分严重，结构维持正常使用的年限普遍很短。表1-钢铁厂结构耐用年限调查情况 据2000年全国公路普查，截止2000年底，我国公路危桥已有9597座，每年维修加固费需38亿元，而实际到位仅8亿元。,建筑物诊断鉴定 建筑物诊断鉴定是对已有建筑物的作用、结构抗力及相互关系进行调查、测定、检查、试验、分析、研究和判断，取得结论的全过程，又称为建筑物的可靠性鉴定。鉴定的目的在于使业主心中有数，管好、用好建筑物，延长建筑物的使用寿命。80年代以来，在结构耐久性、可靠性鉴定方面的研究有了较大发展，国家有关部委，包括建设部、冶金部等，将相应的一些课题列为重大科研课题，组织了专题攻关，取得了一系列成果。,1 绪论,1.1.工程结构诊治学的范畴,工程结构诊治学的名称借用了医学名称。工程结构从规划设计施工，到正常使用，老化，直至拆除全寿命过程。可以比拟为人类的生老病逝。工程结构诊治学的范围包括：工程结构病理学：结构病害原因，产生，发展及变化；工程结构诊断学：即工程结构的检测鉴定和健康监测的理论与技术；工程结构治疗学：即工程结构的加固改造的理论与技术。,建筑病害是建筑工程质量事故和质量缺陷的统称。由于建筑结构从设计、施工到使用要经历一个较长时期，而由于施工技术不完善、建筑所处环境和使用条件的变化以及其他一些人为或者非人为因素的影响，使得大部分建筑都存在或多或少的病害。有些病害较轻，对人们的生活没有产生明显的影响，因此没有引起人们太多的重视。而有些则比较严重，已经影响了人们生产和生活的正常进行，给居民造成了财产损失和精神负担，有时还可能对人身安全产生威胁，因而引起人们越来越多的关注。为了大家能够对常见的建筑病害有个大致的了解，本章节将介绍当前建筑中普遍存在的病害，并且分析其原因。建筑病害分类 建筑病害分类方法很多，例如按病害原因、发生时期、造成危害的等级，以及处理方法等进行分类。这里按病害性质进行分类，分为以下几种：损伤、裂缝、腐蚀、冻害、渗漏、老化、倒塌。,（1）检测 为评定建筑结构工程的质量或鉴定既有建筑结构的性能等所实施的检测工作，称为建筑结构检测（以下简称检测）。正如西医看病需要对病人进行化验、透视，中医看病需要“望闻问切”，对结构进行检测所得到的数据不但是评定新建钢结构工程质量等级的原始依据，也是鉴定已有钢结构性能指标的依据。我国建筑结构检测技术标准规定，建筑结构的检测可分为结构材料性能、连接、构件的尺寸与偏差、变形与损伤、构造、基础沉降以及涂装等项工作，必要时，可进行结构或构件性能的实荷检验或结构的动力测试。对某一具体结构的检测可根据实际情况确定工作内容和检测项目。,2）鉴定 根据现场调查和检测结果，并考虑缺陷的影响，依据相应规范或标准的要求，对建筑结构的可靠性进行评估的工作，称为可靠性鉴定（以下简称鉴定）。建筑物在使用过程中，不仅需要经常性的管理与维护，而且随着时间的推移，还需要及时修缮，才能全面完成设计所赋予的功能。与此同时，还有为数不少的房屋建筑，或因设计、施工、使用不当，或因用途变更需要改造，或因使用环境发生变化，或因各类事故及灾害导致结构产生损伤，或需要延长结构使用寿命等等，都需要对结构进行处理。要做好这些工作，就必须对建筑物在安全性、适用性和耐久性方面存在的问题有全面的了解，才能做出安全、合理、经济、可行的方案，而建筑物可靠性鉴定所提供的就是对这些问题的正确评价。,根据概率极限状态法，从承载能力极限状态和正常使用极限状态出发，可靠性鉴定包根据概率极限状态法，从承载能力极限状态和正常使用极限状态出发，可靠性鉴定包含安全性鉴定和正常使用性鉴定两个方面。根据房屋用途不同，鉴定可分为民用建筑可靠性鉴定和工业厂房可靠性房鉴定两类，对应的国家标准分别是民用建筑可靠性鉴定标准工业厂房可靠性鉴定标准，另外还有行业标准危险房屋鉴定标准,3）加固 当结构的可靠性不满足要求时，对已有建筑结构进行加强，以提高其安全性（承载能力）、耐久性和满足使用要求的工作，称之为加固。加固工作分为加固设计、加固施工及验收三个阶段，对应的行业标准分别有建筑抗震加固技术规程混凝土结构加固设计规范既有建筑地基基础加固技术规范 钢结构加固技术规范 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 建筑地基处理技术规范等。,4）改造 因用途改变、或设备更新、或工艺流程变革、或生产规模扩大、或城市规划要求等原因，需要对已有建筑结构进行相应变化及处理，以适应新的使用功能或规划要求，称之为建筑物的改造。建筑物改造的形式很多，如加层改造、扩建改造、增荷改造、托梁换柱改造、纠偏改造、基础托换改造、整体平移改造、抗震改造、节能改造等。尽管改造和加固都是对已有建筑结构进行处理，但改造与加固有所区别，加固的原因是已有结构或构件的可靠性不满足要求，而改造的原因是使用功能发生变化，大多数改造需要结合加固处理，但有些改造可能不需要加固处理。,结构的检测、鉴定、加固和改造具有一定的内在关系和程序，见图1.检测是基础，鉴定是结论，加固是对策，改造是目的。没有检测，就无法鉴定，更谈不上加固和改。造。进行检测和鉴定且发现了问题，但不及时予以加固，可能导致结构功能丧失，甚至引发工程事故。,图1检测、鉴定与加固、改造的关系图,1.2工程结构诊治学研究的意义1.旧建筑物维修改造任务日趋增大 据有关部门统计，我国城镇旧建筑物的概况大约是：1950年以前4.2亿，50年代和60年代11亿，70年代15亿，80年代22亿。相当多的60年代以前的建筑无疑都已进入了病害期，7080年代的一些处于恶劣环境条件下的工业厂房也进入病害期。旧建筑的诊断、加固、修复任务是繁重的。但大多数的业主对此不够重视，带病服役的建筑比比皆是，其结果是加速了建筑物的劣化，缩短了其最终寿命，或者事故潜在因素不断积蓄，事故一旦爆发，则将造成严重损失。,2.纪念性建筑的保存、置换 许多有价值的古建筑、民风民俗特色建筑、有历史意义的建筑都需要诊断、补强加固处理。当今改革大潮汹涌澎湃、经济飞速发展，许多处于城市黄金地段的建筑物价值倍增，成为金融界、商界瞩目的对象，“置换”也就应运而生。1865年在上海南京路外滩开业的汇丰银行大楼，1949年后成为上海市政府办公大楼，九十年代重建外滩金融一条街，经过置换，汇丰银行又重新回到原大楼。置换前必须重新对大楼进行估价，也就是必须对大楼进行检测鉴定，必要时要作修复加固处理。,上海外滩,3.新建工程结构质量事故的鉴定与处理 由于多方面的原因，新建工程结构的质量缺陷、事故难以避免，对新建房事故的处理也同样需要诊断和补强加固处理。4.积累对建筑病害诊治经验，提高设计施工水平 有些建筑病害的根源往往是在设计和建造中就埋下了的。例如，当前建筑结构设计往往侧重于强度设计，耐久性设计考虑不足。在施工质量的检验方面，耐久性的检验也比较欠缺。这正需要将旧建筑物诊治方面资料反馈到设计和施工中，以便制定耐久设计和施工的要求。另外，从节约资源、能源、可持续发展方面考虑，更有必要加强对建筑物耐久性、可维修性、保障性方面的要求。,“五倍定律”有人用“五倍定律”来描述及时根除病害的重要性：设计过程预防病害措施费用为1；若设计无措施则施工过程预防病害费用为5；若到使用中发现病害并及时采取措施，费用则为25；如事态恶化再采取措施补救，则其费用可能是125。5.具有可持续发展重要意义 对旧建筑物改造，充分利用既有资源，减少新建筑对资源的耗用，保护人类生态环境，对可持续发展具有重要意义。,6.建筑业发展的趋势 建筑业的发展大致可以分为三个时期：战后重建(新建)规模大、标准低 新建与维修改造并重 以维修改造为重点 现有建筑的规模和功能不能满足要求；新建费用高时间长，而改造工期短，投资少，效益高。对建筑业来说，21世纪是维修改造的世纪！据美国劳工部门预测，维修改造业是最受欢迎的九大行业之一。,1.3工程结构诊治学的技术特点 与新建筑的设计施工相比，已有建筑物的诊断与修复设计施工有自身的一些特点。1.局限性大 对已有建筑物的诊断往往会遇到原有设计图纸档案资料遗失或不全的情况，特别是一些解放前的旧建筑，历尽沧桑，政权更新、物业易主，图纸资料丢失的现象普遍，给诊断增加了很大难度和工作量。补强加固设计不能脱离已有建筑物的状况，对设计的自由度有很大的约束。新建筑设计形体上可以创新，而补强加固设计只能是“对症保健”设计。,2.加固结构受力性能不同 加固结构往往属二次受力结构。加固前原结构已受力，而且应力、应变水平一般很高，新加结构如何分担原结构所受的力，设计和施工都必须采取必要的措施，否则原结构达到极限时，新加结构部分应力可能还达不到应有的应力状态。若希望新加部分与原构件整体共同受力而形成组合构件，则特别要注意结合面的构造处理和施工质量。一般结合面上混凝土的粘结强度总是低于混凝土本身的强度，因此在混凝土的总承载力上，二次组合结构比一次整浇结构略低一点。,3.工程风险大 待处理的危旧建筑往往是“风烛残年”，特别经不起“折腾”，因此补强加固设计的每一项处理措施都必须十分慎重，都要考虑实施过程中是否会加剧已有建筑某方面的病害，或可能引发某方面结构构件应力的重新分布，导致新的危险。总之，与新建工程相比，旧建筑补强加固设计和施工的工程风险要大得多。,4.加固方案施工的现场监督更为重要 加固设计的效果能否达到，很大程度上在于施工工艺措施的保证程度，如加固设计的组合结构新旧结合面的处理对整体共同受力状况影响很大，必须加强现场监督。另外，补强加固设计是对旧结构的帮补，而旧结构的情况往往要在施工剥离、清理后才能更多地暴露出来，同一结构的不同部位往往受损程度不同，加固补强设计需要视情对症调整，因此加强现场的监督、对症处理十分重要。,结构检测加固的目的结构物超过设计使用基准期或改变使用条件，对结构的可靠性不确定，需进行检验和试验。施工中发生质量事故或使用中遭受灾害时，对结构性能降低情况作出评估，为事故处理和加固提供依据。采用新方法设计或采用新工艺新材料施工的重要工程竣工后的验证或可靠性评定。为周期性维护而进行的检查、测试或试验等。,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。,检测鉴定加固的意义,结构在自然环境和使用环境作用下，由于累积损伤、材料老化、灾害荷载、设计和施工中的缺陷等因素的影响，通常会导致结构抗力衰减而承载能力不足，其功能将逐渐减弱，如果能够科学的评估这种损伤的程度及规律，采取有效的处理措施，可以延缓结构的损伤进程，达到延长结构使用寿命的目的。建国以来，特别是改革开放以后，随着经济建设的迅猛发展，建筑业得到了飞速的发展。另外，随着钢筋混凝土结构基本理论和设计方法不断地的深入和完善，越来越多的新型建筑材料得到了推广和应用;越来越多的新型结构体系得到了发展和实践。与此同时，安居工程和住宅产业化的发展也越来越快。但是，在新建房屋的同时，对现有建筑结构的补强加固也引起了工程界的广泛重视，成为结构工程师所必须面对的问题之一。原因是多方面的，主要有下面几点：,（1）建筑物都有一定的设计基准使用期，我国取为50年，而我国建国初期建造的大量房屋己经接近它们的设计基准使用期。也就是说，这些房屋的使用寿命接近它们的设计寿命，不宜继续使用。但是，在当前的经济条件下没有能力将它们全部推倒重建，其中的部分房屋只有对其进行一定的加固处理从而继续使用。（2）在建筑物的使用过程中，诸多的因素(比如物理老化和化学腐蚀等)会影响和缩短建筑物的使用寿命，有的甚至影响建筑物的安全性。许多有关冶金和化工的建筑物，其构件由于高温或腐蚀等问题而影响了其承载力，进而影响建筑物的安全性。对于这些建筑物，需要采取一定的补强加固措施以保证其安全使用。,（3）在当今的城市规划改造和旧区改造中，往往有社会需求的变化，比如建筑物的使用功能发生了变化而需要加层或空间加大等等。使用功能发生变化后，建筑物的某些承重构件的承载力可能会不足，这就涉及到要利用加固技术对其进行加固处理。（4）设计标准的提高。随着人类文明的进步和社会经济的发展，人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求也越来越高(比如抗震性)，这就需要采用新的更高的设计标准。那么，原先的建筑物特别是重要的建筑物只有通过适当的加固措施才能满足人们的要求。,（5）随着安居工程和住宅产业化的发展，用户对工程质量的要求也越来越高。但是，在建筑市场发展的过程中，会出现设计失误、更改原设计或施工不当等问题。对出现这些问题的建筑物，必须对其进行适当的加固处理。（6）当发生风灾、火灾等意外情况时，对受损的建筑物进行一定的加固处理是很有必要的。另外，我国多数地区处于地震区，进行抗震加固和震损结构的修复也是一项重要的工程。由于上述的诸多原因，加固技术在工程中得到了广泛的应用，在学术界也得到了广泛的重视。因此，对加固技术进行深入讨论和研究是很有必要的，并且具有重要的社会意义和巨大的经济效益。,1.4 建筑结构鉴定、加固的程序 加固设计前应进行结构鉴定（可靠性鉴定）一、检测鉴定程序,接受委托,收集资料，现场初步调查,制定方案,现场检测,数据整理,综合分析计算,编写鉴定报告,通过,保护建筑方案审查,保护建筑报告审查,包括结构材性检测,结构鉴定报告加固设计（施工图）加固施工 结构鉴定时注意：1.保护建筑需有两次审查；2.材性试验；3.收集资料（包括甲方的使用要求）；（使用要求不合理不能采纳）4.加固方案（尽可能满足委托方的要求）。尽可能（如果不满足）委托方要求（不一样的）,二、结构加固设计的原则 1、个别构件结构体系的加固 2、局部构件整体的加固（a）当个别（局部）构件能加固解决时：不必进行结构体系（整体）加固；不要影响结构体系；不要产生新的问题。（b）当个别（局部）构件不能加固解决时：应做结构体系（整体）的加固；连接问题。（实例）,例1）不要影响结构体系 某一框架结构，框架梁开裂，其余均完好无损,（是设计的原因，按上图“后加固的柱”方法行吗?）,钢筋实配：As=1473mm2 钢筋计算：As=2500mm2 如何加固？加一立柱行吗？跨度 L M As 影响结构体系：二（等）跨成为三（不等）跨 b-b截面上部配筋不足，上部混凝土将开裂。,例2）不要产生新的问题 海军干休所，住宅外挑阳台：支座配筋无富余，花盆多；施工时钢筋被踩下，开裂,例3）个别构件加固不能解决，应做结构体系的加固。某砖混结构住宅住户要求去除轴承重墙，如何加固？去墙，加固QL1 跨度加大，加固 L3 加固改造后L3有裂缝？,开裂原因：只考虑正截面，未考虑斜截面（L，V）新问题：QL1端柱的承载力不足，柱下基础也有问题。结构体系变化（局部底框结构）基础加固。3、临时加固与永久加固 搞清是否是“临时”，如果是“临时”，即要求可低一些。例：老厂房（化工厂，纺织厂等）；老烟囱等。,4、抗震加固设计 1）8）采用成熟的抗震新措施，新技术进行加固，从总体上改善结构的抗震性能，提高其抗震能力。新措施，新技术（具体方法）：基础隔震（包括层间隔震），增设抗震耗能支撑或抗震耗能剪力墙等。采用新措施，新技术加固时应注意：a.要正式鉴定过的技术，b.专业人员研究，结合具体情况确定，c.便于施工。,