在建筑结构加固方面，常常要根据不同的客观条件选择不同的加固改造工艺。今天我们介绍一下增大截面加固法, 该种工艺常见于支撑柱加固、混凝土结构加固。
一、钢筋混凝土构件
1、加固形式
钢筋混凝土构件的加固可采用四周外包、三周外包(U形外包)、单侧加厚和双侧加厚等形式。
2、受力特征
在加固过程中，即在新旧混凝土结为整体的过程中，原构件所承担的荷载一般很难被完全卸除，其内部存在着相当高的应力，而新增部分的应力水平却很低；而且，在新旧部分结为整体后，原构件的大部分收缩、徐变一般都已完成，几乎不再有发展，而新增部分的收缩干徐变尚处于初期的发展阶段，数值和速度都较大，因此在新旧部分共同受力的过程中，会有部分应力因徐变而由新增部分转移到原构件上，或者因收缩而在新旧部分中产生相互平衡的拉压应力。这些都会使加固中新增的部分存在应变滞后现象．即在共同受力的过程中，原构件的直力、应变水平要高于新增部分的应力和应变。
加固后如果荷载不再增加，新增部分的应力水平依然会很低；荷载进一步增加时，试验表明，只要新旧混凝土黏结可靠，整个构件截面的应变增量基本符合线性关系，新旧材料的应力将按照各自的本构关系增长；由于存在应变滞后现象，在受压区，原构件的混凝土将首先达到极限压应蛮而退出工作，而此时新增混凝十的压应变尚低于极限压应变．能够转接部分荷载，并对原构件的混凝土产生一定的侧向约束作用，但因其单独工作的承载力较低，且处于不利的受力状态中，很快也会被压坏，导致整个构件破坏，出现各个击破的破坏现象。因此，在构件破坏时，新增混凝土的应力要低于其抗压强度，其作用并未得到充分发挥，而且加固时原构件的应力水平越高，或者说，原构件的工作应力与其材料强度的比值越高，新增部分的应变滞后现象则越严重，能够发挥的作用越小，加固效果也就越差。一般而言，原构件在加固时所承担的荷载宜控制在60％以内。不能满足这一要求时，需采取临时卸载、支顶等措施，降低原构件的应力。
在共同受力的过程中，如果新旧混凝土之间的黏结不能保证，整个构件的承载力还可能进一步降低。新旧混凝土之间的黏结主要决定于结合面的抗剪能力，但新旧混凝土结合面的抗剪强度要远低于混凝土材料的抗剪强度
混凝土结合面的抗剪强度有时难以满足新旧混凝土祜结的要求，需配置一定数量的贯穿结合面的剪切一摩擦筋，抵抗结合面上的剪力。根据中国建筑科学研究院结构所的试验结果，混凝土结合面的抗剪能力可复核
对于采用混凝土围套四面加固的梁、柱，由于原构件外围配置有封闭式箍筋，因此新旧混凝土结合面的抗剪能力要高得多，一般能够满足抗剪要求。
新旧混凝土的结合而除了承受剪应力，实际上还要承受一定的拉、压应力，处于较为复杂的二向或三向应力场中，只是保证新旧混凝土共同工作的必要条件。四川省建筑科学研究院的试验结果表明，即使是轴心受压，柱的初始纵向裂缝也总是最先出现在结合面上，使新旧两部分过早分离，导致构件整体刚度和承载力因新旧部分共同工作能力的降低而降低。
3．计算假定和失效准则
对于按常规方法加固的钢筋混凝土构件，在计算其承载能力时，一般可采用以下计算假定：
1)加固后构件截面的变形仍保持平面，整个截面的应变增量符合线性比例关系。
2)不考虑混凝土的抗拉强度。
3)混凝土受压的应力与应变关系曲线符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)的规定。
4)纵向钢筋的应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但其绝对随不应大于其相应的强度设计值，其极限拉应变取为0.01。
当加固后的构件出现以下现象之一时，可认为构件达到了承载能力极限状态：
1)原构件的混凝土或新增混凝土的压应变达到混凝土极限压应变。
2)原构件钢筋或新增钢筋的拉应变达到钢筋的极限拉应变。
3)以上两种情况同时出现。
4．截面承载力计算
(1)轴心受压构件
在轴向压力作用下，当原构件的混凝土达到极限压应变时，可认为加固后的构件达到极限承数力：这时原构件的混凝土中纵向钢筋的压应力均可达到材料强度值，但新增混凝土的应力和新增纵向钢筋的应力则达不到。
新增混凝土、新增纵向钢筋的强度利用系数与原构件混凝土的应变水平指标或应力水平指标有着直接的关系。应变水平指标能够较直观地反映应变滞后的程度。
(2)偏心受压柱
采用增大截面法加固钢筋混凝土偏心受压构件时，其承载力可参照轴心受压、受弯构件的基本原则计算，一般可将新旧部分作为一个整体对待，按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)的规定计算，但是考虑到应变滞后、共同工作等方面的因素，需对新增混凝土和新增纵向钢筋的强度进行折减。
(3)受弯构件
按增大截面法加固梁、板等受弯构件时有两种基本形式：增大受拉区，多用于粱的加固；增大受压区，多用于板的加固。
当采用增大受压区的加固方法时，如果能够保证新旧混凝土结为整体，加固后构件的承载能力、抗裂度、钢筋应力、裂缝宽度、变形等可按混凝土叠合构件计算；如果新旧混凝土的黏结不能保证，可将新旧部分作为两个独立的构件进行计算，后增弯矩按挠度棚等的变形协调条件在新旧部分之间进行分配，一般情况下可按截面的抗弯刚度分配。
如果采用增大受拉区的方法加固受弯构件，由于钢筋的极限拉应变可达到0.01，而一般的热轧钢筋的弹性比例极限应变值仅为0.001～0.0025，因此在原钢筋屈服但未达到极限拉应变0.01时，新增钢筋一般能够屈服，加固后受弯构件的承载力可按一般的受弯构件计算，但是考虑到新旧钢筋共同工作的能力，以及构件在使用阶段出现较宽裂缝的可能性，一般对新增钢筋的抗拉强度乘以折减系数0.9。
5．构造规定
1)原构件混凝土强度等级应大于C10，新加固混凝土强度等级应高于原构件。
2)新增混凝土层的最小厚度，加固板时不应小于40mm，加固梁、柱时不应小于60mm，用喷射混凝土施工时不应小于50mm。
3)石子宜用坚硬耐久的卵石或碎石，其最大粒径不宜大于20mm。
4)加固板的受力钢筋直径宜用8～12mm，加固梁、柱的纵向受力钢筋宜用带肋钢筋，钢筋最小直径对于梁不宜小于12mm，对于柱不宜小于14mm，最大直径不宜大于25mm；封闭式箍筋直径不宜小于8mm，U型箍筋直径宜与原有箍筋直径相同。
5)新旧受力钢筋的净距不应小于20mm，并应采用短筋焊接连接；箍筋应采用封闭箍筋或U型箍筋，并按照现行国家标准《混凝土结构设汁规范》(GB50010-2010)的构造要求配置。
①当新旧受力钢筋采用短筋焊接时，短筋的直径不应小于20mm，长度不小于5d(d为新、旧受力钢筋直径的较小值)，各短筋的中距不大于500mm。
②当用混凝土围套对构件进行加固时，应设嚣封闭箍筋。
③当对构件的单侧或双侧进行加固时，应设置U型箍筋。U型箍筋应焊在原箍筋上，当面焊缝长度为10d．双面焊缝为5d(d为U型箍筋直径)，或者焊在增设的锚钉上，也可直接仲入锚孔内锚固，锚钉的直径d不应小于10mm，距构件边缘不小于3d．
且不小于40mm，采用环氧树脂浆政环氧树脂砂浆将锚钉锚固于原梁、柱的钻孔内，钻孔直径应大于锚钉直径4mm，锚幽深度不小于10d。
6)梁的新增纵向受力钢筋的两端应可靠锚固；柱的新增纵向受力钢筋的下端应伸入基础，并满足锚固要求，上端应穿过楼板与上柱脚连接，或在屋面板处封顶锚固。
6．施工要求
加固混凝土结构的施工过程，应遵循下列工序和原则：
1)对原构件存在缺陷的部位进行清理，直至混凝土的密实部分，并将构件表面凿毛或打出沟槽，沟槽深度不宜小于6mm，间距不宜大于箍筋间距或200mm，被包部分的角部应倒角，除去浮碴、尘土等。
2)原有混凝土表面应冲洗干净，充分洇水，浇注混凝土前，结合而应以水泥浆等界面剂进行处理。
3)对原有和新增受力钢筋应进行除锈，在受力钢筋上施焊前直采取卸荷或支顶措施，并应逐根分区、分段、分层施焊。
4)模板搭设、钢筋安置以及新混凝上的浇注和养护，应符合现行同家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002)的要求。
二、钢构件
1．加固形式
在加固钢梁、钢柱、钢桁架等钢构件时，一般是通过增设角钢、槽钢、钢板、钢管、园钢等增大构件的截面面积，从而提高构件的承载力和刚度。新增加固件与原构件的连接包括焊接、螺栓连接、铆接等，一般采用焊接。
对钢构件的加固还包括对原构件中各零件之问连接的加固和对构件节点的加固，可分为焊缝连接、高强度螺栓连接、铆接和普通螺栓连接三种情况。
1)对焊棒连接的加固：宵接延长原焊缝的长度，如存在困难，也可采用附加连接板和增大节点板的方法，增加焊缝有效高度；增设新焊缝。
2)对高强度螺栓连接的加固：增补同类型的高强度螺栓；将单剪结合改造为双剪结合；增设焊缝连接。
3)对铆接和普通螺栓连接的加固：全部或局部更换为高强度螺检连接：增补新铆钉、新螺栓或增设高强度螺栓；增设焊缝连接。
2．负荷加固的条件
钢结构的加固有卸荷加固和负荷加固两种形式。负荷加固是工作量最小、最方便、也较经济的方法，无论是采用焊接连接还是非焊接连接，在负荷状态下对钢构件进行加固都是可能的。
研究表明，当采用角焊缝焊接厚度为10～14mm的焊件时，强度影响的最大范围仅存26mm以内，且热滞留时问仅为12s。只要采取措施保证焊接区小范围退出工作引起的应力重分布不致损坏整体结构，焊后承载力会迅速提高。对高应力的对接焊缝和搭接焊缝所作的补焊试验证明，在按规定顺序施焊时，试验机荷载下降10％～15％，冷却后回升5％，施焊后新旧焊缝共同受力。对压杆的焊接加固试验也证明了压杆在接近临界荷载之前进行加固的可能性。这些试验都说明，在较高负荷下对钢构件进行焊接加固是可行的。
但是，负荷加固时，原构件中毕竟存在着较高的应力，施焊、开孔、原连接的解除等都会改变原构件的应力水平和应力分布，并可能对原构件造成损伤，这些都可能威胁构件在施工期间的安全性和耐久性，因此必须对施工期间钢构件的工作条件和施工的过程进行控制。
中国工程建设标准化协会标准《钢结构加固技术规范》(CECS77：96)，将被加固构件的设计工作条件划分为四类。在采用增大截面法加固钢构件时，要求被加固构件实际的最大名义应力值必须满足要求，采用增加非横向焊缝长度的方法加用焊缝连接时，原焊缝中的应力不得超过该焊缝的强度设计值，加固处及其邻近区段结构的最大名义应力必须满足要求；采用增加角焊缝有效高度的方法加固焊缝连接时，原焊缝的应力水平应满足要求。
3．加固方法的选择
在选择钢构件的加固方法时，应注意以下几点：
1)注意周围环境的净空限制，避免新增零件与其他杆件相碰，或影响建筑物的使用。
2)加固方法应适应原构件的几何形状和已有的变形，以利于施工。例如，焊接钢板加固受弯构件时，如果构件的挠度在施工期间难以消除，则宜选用宽而薄的钢板。
3)增大截面时尽可能使原构件的形心位置保持不变，在受压构件的四角或四边同时增加钢件，在受弯构件的上、下翼缘同时增设钢件，减少受压构件加固后因形心变化而产生的弯矩，提高对受弯构件加固的效果。
4)避免选择易于构件积灰、积水的加固形式，同时应便于对加固后的构件进行油漆和防护。
5)如果钢材具有良好的可焊性，并且构件不直接承受动力荷载，应尽可能采用焊接方式连接加固件，以减少施工工程量，并方便施工。采用焊缝连接存在困难时，或者加固过程中不允许产生变形和残余应力时，宜采用摩擦型高强度螺栓连接的方式。
在选择连接和节点的加固方案时，应考虑不同连接的刚度，即达到极限承载力之前的变形能力，尽可能使新旧连接在达到设计承载力前能够共同受力。在钢结构常用的连接方法中，焊接的刚度最大，其后依次是摩擦型高强度螺栓连接、铆接和普通螺挣连接．在选择加固方案时，应避免用刚度小的连接加固刚度大的连接。同时，还应考虑连接的破坏形态，避免整个连接中首先发生局部的脆性破坏。相对而言，焊缝的脆性较大，在达到极限承载力后会因断裂而退出工作，高强度螺栓和铆钉的塑性和韧性较好，达到承载力之后破坏时都可能在一定程度上继续发挥作用。
在对连接和节点进行加固时，一般遵守以下原则：
1)对焊缝连接进行加固时一般仍采用焊缝加固的方案，而且在负荷下加固焊缝连接时，应优先考虑增加焊缝长度的方案，其次考虑增加焊缝有效高度或同时增加焊缝长度和有效高度的方案。对铆接或普通螺栓连接进行加固时，不宜采用焊接加固的方案，避免新增焊缝提前发生局部的脆性破坏；如果在设计中考虑所有的作用力均由新增的焊缝来承受，则可采用焊接加固的方案，但原先的连接仍需保留。对于摩擦型高强度螺栓连接，当具体情况适宜时，可采用侧面角焊缝进行加固。
2)当原普通螺栓或铆钉因松动、损坏或强度不足而需要更换、新增时，应优先采用同直径的摩擦型高强度螺栓连接的加固方案；如果仍不能满足要求，可考虑采用承压型高强度螺栓连接，但这时应将原螺栓孔或钉孔扩钻平整。如果仅局部更换铆钉，由于铆钉和高强度螺栓的承载力存在差别，为保证受力匀称，宜将位置与缺损铆钉对应的非缺损铆钉一并更换。
4．承载力验算
(1)基本计算方法
在完全卸荷的状态下通过增加截面加固钢构件时，加固后构件的强度和稳定性可按加固后的截面、采用与新结构相同的方法进行验算。
如果在负荷状态下通过增加截面加固钢构件，加固后构件强度和稳定性则不能采用新结构的方法验算。我国行业标准《钢结构检测评定及加固技术规程》(YB7257-76)采用的验算方法如下：
1)对于加固后承受静力荷载或问接承受动力荷载的钢构件，一般情况下可考虑新旧部分的塑性内力重分布，这时可按加固后的截面验算构件的强度和稳定性，但必须考虑加固折减系数k：
对于轴心受力的实腹构件，取k=0．8。
对于偏心受力、受弯构件以及格构式构件，取k=0．9。
采用这样的加固折减系数后，不再考虑受弯构件和偏心受力构件加固后截面边缘的塑性发展。
2)对于加固后承受动力荷载的钢构件，应按弹性方法验算构件的强度和稳定性，这时应考虑构件加固前的应力和加固后增长的应力，需要分别采用加固前和加固后的截面，这时可不考虑加固折减系数。
加固折减系数k是存加同计算中为考虑多种随机因素的影响而引入的一个经验系数，它综合考虑了下列因素：
①施工条件恶劣，不易保证质量。
②当考虑应力重分布时，加固件的应变滞后问题。
③焊接加固引起的附加变形对加固构件承载力的影响：
⑧焊接加固时产生的残余虚力，螺栓或铆钉加固时原构件和加固件间连接刚度的差异等。
加固折减系数k的取值是根据我国的实践经验并参照国外资料确定的。根据各类构件的不同受力条件，建议k的取值如下：
①对于轴心受力的实腹构件，考虑到上述因素对构件承载能力的影响较大，故取k=0．8。
②对于偏心受力和受弯构件，因附加变形的影响较小，且加固计算中已不考虑塑性发展系数，故取k=0．9。
③对格构式构件，因单肢的截面积不大，焊接时产生的附加变形较小，有时甚至可忽略不计，故按经验统一取k=0．9。
我国行业标准《钢结构检测评定及加固技术规程》(YB7257-76)对连接加固采用了如下的计算方法：
①新增加的连接单独受力时，其强度按吲家现行际准《钢结构设汁规范》(GB50017-2003)验算。
②卸荷状态下用焊接加固原焊缝连接时，加固后的连接强度可按新旧焊缝共同工作考虑，按国家现行标准《钢结构设计规范》(GB50017-2003)验算。负荷状态下用焊缝连接，且原焊缝的计算应力不大于强度设计值时，加固后的焊缝连接可按新旧焊缝共同工作考虑，但总的承载力应乘以0．7的折减系数。焊缝的焊脚尺寸不同时，焊缝强度应按小尺寸计算。
③通过增加螺栓加固原螺栓连接的节点时，不论是在卸荷状态下还是在负荷状态下，节点总的承载能力均取新、旧连接承载力之和。
④用焊缝加固普通螺栓或铆钉连接时，由于焊接刚度比普通螺栓或铆钉大得多，在混合连接中焊缝达到极限状态时，普通螺栓或铆钉承担的荷载还很小．因此不应考虑两种连接共同工作，按焊缝承受全部作用力计算，但不宜拆除原有连接件。
⑤采用焊缝与高强度螺栓混合连接时，两种连接方式计算承载力的比值应在1～1.5的范围内，这时它们的荷载变形情况基本接近．可共同工作，连接的总承载力取两者单独计算的承载力之和。如两种连接的承载力的比值超出1～1.5的范围，荷载将主要由强的连接承担，较弱的连接起不到分担作用，一旦荷载超过强连接的极限承载力，两种连接会同时出现破坏，造成严重后果。
⑥焊缝与高强度螺栓混合连接时，为施工方便可采用一次性先栓后焊的工艺，受焊接热影响会使螺栓的预拉力有所松弛。根据试验结果，焊后螺栓的预拉力为焊前的70％～75％，因此在计算高强度螺栓的承载力时应乘以0．7的折减系数：如果采用“预栓50％预拉力一焊接一终拧”的施工顺序，焊接热影响在焊后终拧时得以补偿，因此承载力可不予折减，但预栓必须达到50％的预拉力，以保证抵制焊接变形，不影响整个连接的质量。
5．构造要求
除应遵守国家现行设计规范的要求外，尚应遵守以下构造要求：
I)采用增加截面法时，应保证加固件有合理的传力途径：有保证加固件与原有构件共同工作的相互连接；对于轴心受力和偏心受力构件，加固件宜与原有构件的支座或节点有可靠的连接。
2)加固用的连接材料和钢材应与原构件的相匹配，有可靠依据时，也可使用不相匹配的材料。
3)负荷状态下用焊接方法连接加固件时，应在保征加固件与原构件共同工作的前提下，对称布置连接加固件的焊缝，并采用较小的焊脚尺寸，减小焊接变形和焊接残余应力。
4)增加截面的加固构造不应过多削弱原构件的承载能力：采用螺栓或高烈度螺检连接时，在保证加固件和原构件共同工作的前提下，应选用较小直径的螺栓或高强度螺栓；当采用焊缝连接时，不宜采用与原构件应力方向垂直的焊缝；轻钢结构中的小角钉和圆钉杆件不宜在负荷状态下进行焊接加固，必要时应采取适当措施；严禁在负倚状态下用焊接方法加固圆钢拉杆。
5)用增大有效高度的方法加固原焊缝连接时，原焊缝质量必须良好，且有一定的长度，一般要求不小于100mm。
6)用高强度螺栓替换已损坏的铆钉或螺栓时，应选用直径比原孔洞小1～3mm的螺栓。
7)加固焊缝不宜密集、交叉布置，在高应力区和应力集中区域，不宜布置加固焊缝，新增的对接焊缝与原构件加劲肋、角焊缝、变截面等之间的距离不宜小于100mm；各焊缝之间的距离不应小于被加固板件厚度的4．5倍。
8)当受压构件或受弯构件的受压翼缘破损和变形严重时，为避免矫正变形或拆除受损部分，可在杆件周围包以钢筋混凝土，形成劲性钢筋混凝土的组合结构。为了保证二者的共同工作，应在外包钢筋混凝土的部位上焊接能传递剪力的零件。
6．施工要求
除应遵守国家现行钢结构工程施工质量验收规范的要求外，尚应遵守以下构造要求：
1)负荷状态下刷增加截面法加固构件时，应采用合理的加固顺序，首先加固对原构件影响较小的部位、原构件中最薄弱的部位以及能立即发挥加固作用的部位。
2)负荷加固时，必须考虑施工期间焊接热作用对材料性能(强度、弹性模量等)的影响，开孔、螺栓或铆钉解除对截面的削弱等，应采取下列安全措施：尽可能卸荷；针对施工期间的最大荷载采取临时支护措施，使用合理的施工工艺。
3)负荷状态下用增加截面法加固构件，可将加固件与被加固件沿全长互相压紧，用长20～30mm、间距300～500mm的间断焊缝定位后，再由加固件端部向内分区段施焊，每区段的长度不大于70mm，各区段的施焊前后应间隔2～5min。截面有对称的成对焊缝时，应平行施焊；有多条焊缝时，应交错顺序施焊；对于两面有加固件的截面，应先施焊受拉侧的加固件，然后施焊受压侧的加固件；对一端为嵌固的受压杆件，应从嵌固端向另一端施焊，若其为受拉杆件，则应从另一端向嵌固端施焊。
4)当采用螺栓或铆钉连接加固件时，加固件和被加固板件互压紧后，应从加固件的端部向中问逐次做孔和安装螺栓或铆钉，以便定位和尽可能减少加固过程中截面的过大削弱。
5)采用增加长度的方法加固焊缝连接时，宜选用低氢型焊条，焊条直径不得大于4mm,焊接电流不得大于220A。每道焊缝的焊脚尺寸应不超过6mm；当焊脚尺寸超过6mm时，应分多道进行焊接，且层问温度应低于100℃。新增焊缝与原焊缝棚接时，施焊前应对相接处的原焊缝进行处理，包括清除焊渣、修补焊缝缺陷、修整平滑过渡区等，新增焊缝的起点和落点不得紧靠原焊缝的边缘。
6)当采用增加有效高度的方法加固焊缝连接时，除应遵守上述对焊条的规定外，其焊接电流一般遵守下述规定：平焊时的电流值为160～200A，立焊时的电流值为120～160A，仰焊时的电流值为110～150A。焊接应从原焊缝受力较小的部位开始，采刚分段退焊的方法，每道焊缝的焊脚尺寸的增高量应不超过2mm；当超过2mm时，应分多道补焊，层间温度亦应低于1000℃。
7)负荷下采用增加非横向焊缝长度的方法加固焊缝连接时，为避免金属过热和减小残余应力，焊条直径应不大于4mm，焊接电流不超过220A，每焊道的焊脚尺寸不大于4mm，前一焊道温度冷却至100℃以下后方可施焊下一焊道，对于长度小于200mm的焊缝增加长度时，首焊道应从原焊缝端点以外至少20mm处开始补焊。
