某水電站磚混結(jié)構(gòu)承重墻托換的抗震加固技術(shù)及應(yīng)用

廖明進(jìn)，袁從華(.中科院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 6004；.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430065)

0 引 言

在我國(guó)發(fā)展過程中，建設(shè)年代較早的老舊建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展，人們對(duì)這類建筑使用空間、功能等方面提出新的要求，因此如何維修、加固、改造這些建筑是一個(gè)普遍問題。在這類結(jié)構(gòu)改造加固過程中幾乎都涉及承重墻體的拆除，即原墻體承受的荷載將由托換梁承擔(dān)，進(jìn)而傳遞到豎向承重構(gòu)件和基礎(chǔ)。以某水電站辦公樓工程改造為例介紹承重墻托換技術(shù)及砌體抗震加固方法，并依據(jù)磚混結(jié)構(gòu)托換的受力和構(gòu)造特點(diǎn)分別研討夾板梁、夾墻柱以及基礎(chǔ)的加固改造方法和施工關(guān)鍵技術(shù)。磚混結(jié)構(gòu)承重墻的拆除改造技術(shù)在工程實(shí)踐中雖不鮮見，但此結(jié)構(gòu)因局部構(gòu)件的二次加固處理給設(shè)計(jì)帶來一定難度，為保障結(jié)構(gòu)安全，滿足加固使用要求，設(shè)計(jì)方案因地制宜地提出格構(gòu)式外包鋼方法較好地處理了這一技術(shù)難題。

1 建筑物工程概況

湖北省某水電站辦公大樓，始建于20世紀(jì)70年代末。建筑面積約為2 400 m2，6層磚混結(jié)構(gòu)，預(yù)制空心樓板，單面懸挑走道，條形基礎(chǔ)；縱、橫向承重墻均為240 mm厚黏土磚，層高3.60 m；無地質(zhì)勘察報(bào)告及施工資料。根據(jù)《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2010)[1]，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。原建筑平面布置參見圖1。原建筑結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)整，擬拆除第1層軸線⑨上A-B間、B軸上9-10間2段墻體，以及第5層軸線③、⑤、⑦、⑨上A至D段墻體，具體部位如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)整體鑒定分析[2]

該磚混結(jié)構(gòu)超過40 a，其間局部結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次改造，結(jié)構(gòu)受力體系有所改變。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)存在以下質(zhì)量問題和安全隱患。

(1)建筑材料老化嚴(yán)重，墻磚回彈指標(biāo)均低于MU10，砌筑砂漿老化剝離，強(qiáng)度過低，達(dá)不到規(guī)范M10的最低要求。

(2)結(jié)構(gòu)未設(shè)置圈梁，樓梯間的四角未按現(xiàn)行抗震規(guī)范要求設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱。

(3)在縱、橫磚墻相交處，由于沉降不均，剪切作用造成豎向貫穿裂縫，內(nèi)外墻連接性能差。

(4)部分門窗角上墻體出現(xiàn)斜裂縫，預(yù)制板間、板在支座處均出現(xiàn)大量裂縫，部分承重墻體出現(xiàn)剪切裂縫，局部有貫通，裂縫寬度普遍為0.2～0.3 mm。

3 改造、加固方案[3-5]

根據(jù)業(yè)主對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部拆除重建的要求，綜合考慮結(jié)構(gòu)空間需求和建造成本，決定對(duì)擬拆除承重墻進(jìn)行鋼框架式托換，對(duì)其他結(jié)構(gòu)墻體作保護(hù)性修繕，并針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震措施。具體改造方案包括以下4方面。

(1)托換梁設(shè)計(jì)按剛架模型計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。需指出的是，原結(jié)構(gòu)5層⑨軸所在位置有過加固歷史，當(dāng)時(shí)加固處理設(shè)置了一根截面較大的反梁，此次同樣部位面臨二次改造，新舊結(jié)構(gòu)的結(jié)合是托換梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖1 建筑平面布置Fig.1 Building plan

(2)承重墻拆除后，原承重墻線荷載變?yōu)橥袚Q后的集中荷載由柱傳向基礎(chǔ)，考慮到磚混結(jié)構(gòu)對(duì)沉降變形的敏感性，拆墻時(shí)在軸線相交處預(yù)留磚垛，并設(shè)計(jì)為包鋼形式的組合柱兼做構(gòu)造柱。結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱布置見圖1黑色方框所示。另外，組合柱截面剛度較大，可盡量減小由于拆墻而引起的樓層側(cè)移剛度的降低，避免由于上下樓層剛度相差過大而使改造層成為薄弱層，并可解決僅加固圈梁帶來的梁下部墻體的局壓以及墻體穩(wěn)定性等問題。

(3)由于建造年代較早，原設(shè)計(jì)沒有進(jìn)行抗震設(shè)防，構(gòu)造柱和圈梁均無設(shè)置，結(jié)構(gòu)整體剛度較差?？拐鸺庸谭桨覆捎娩摻罹W(wǎng)水泥砂漿法加固底層墻體，并在各樓層增設(shè)構(gòu)造柱、圈梁。

(4)考慮到改造后建筑物使用功能改變，樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值由2 kN/m2增加到3.5 kN/m2，但承重墻拆除后樓面線荷載減小，總的荷載并未增大，可利用原墻下條基，增設(shè)或加強(qiáng)基礎(chǔ)梁，將其改為柱下條基形式。

4 改造、加固方案設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

此結(jié)構(gòu)加固改造的關(guān)鍵是承重墻托換方案，托換設(shè)計(jì)相當(dāng)于使用一個(gè)門式內(nèi)框架來取代原承重墻，這一托換體系包括托換梁的設(shè)計(jì)、豎向承重構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)的加固處理等。因原結(jié)構(gòu)大梁局部進(jìn)行過加固改造，因此針對(duì)新的改造要求需將此大梁進(jìn)行二次加固處理。結(jié)合空間布置和大梁承載性能要求，提出了采用格構(gòu)式外包鋼方法的二次加固方案，具體如下。

4.1 托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1)力學(xué)模型[6]。待拆除墻體均為承重墻，托換體系應(yīng)承擔(dān)上部荷載并嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)剛度，盡可能減小原結(jié)構(gòu)因托換而發(fā)生的二次變形。依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，針對(duì)圖1結(jié)構(gòu)平面布置軸線③、⑤、⑦、⑨所在部位，建立平面的6層剛架力學(xué)模型，分析剛架荷載及內(nèi)力，從而明確托換結(jié)構(gòu)中托換梁、托換柱的設(shè)計(jì)參數(shù)，再根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)梁、柱設(shè)計(jì)原理，分別考慮托換梁、柱強(qiáng)度和剛度計(jì)算。其中，不考慮因托換梁、柱內(nèi)磚墻對(duì)提高抗彎、抗剪強(qiáng)度的有利因素，設(shè)計(jì)偏于安全。軸線①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩剛架的計(jì)算模型見圖2。圖2中Qi為各層墻體自重及樓面荷載的最不利組合。

圖2 平面剛架力學(xué)模型Fig.2 Mechanics model of plane frames

(2)托換梁設(shè)計(jì)[7]。托換梁參照鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，梁上墻體按砌體結(jié)構(gòu)墻梁設(shè)計(jì)。具體計(jì)算可按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB2003)和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB2001)的要求進(jìn)行。內(nèi)容包括托梁的正截面承載力計(jì)算、托梁的斜截面承載力計(jì)算、托梁上部墻體的受剪承載力和抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算、托換梁的端部局部受壓承載力計(jì)算等，另外還需進(jìn)行撓度值的驗(yàn)算。

原結(jié)構(gòu)平面圖1軸線⑨上第5層部位因先前加固設(shè)計(jì)了一根混凝土反梁，在對(duì)此梁進(jìn)行二次加固設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿足托換梁強(qiáng)度、剛度要求外，新舊梁體能否牢固結(jié)合連為一體是關(guān)鍵。原反梁為變截面梁，將鋼板黏貼于原梁底面后，采用格構(gòu)式鋼梁按梁高補(bǔ)齊托換梁右側(cè)部位，最后依據(jù)梁強(qiáng)度和剛度要求布置托換梁側(cè)面和底面鋼板。這一加固方案設(shè)計(jì)新穎、施工簡(jiǎn)便，解決了變截面梁加固的難題。具體加固設(shè)計(jì)見圖3、圖4。

圖3 反梁二次加固側(cè)面圖Fig.3 The profile of the second-reinforced anti-beam

圖4 反梁二次加固剖面圖Fig.4 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

(3)豎向承重構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)[8]。托換梁承受的荷載要通過豎向承重構(gòu)件傳遞給基礎(chǔ)，因此必須對(duì)原結(jié)構(gòu)擬拆除承重墻端部進(jìn)行加固改造，處理方法一般采用包鋼方式加固保留磚垛。此外，原則上應(yīng)盡量保留原磚混結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱、磚柱等豎向承重構(gòu)件，進(jìn)行增大截面或包鋼的加固處理，盡量減小對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷。

采用包鋼設(shè)計(jì)的磚混結(jié)構(gòu)組合柱，其承載力可參照受壓、受彎構(gòu)件的基本原則計(jì)算，一般可將新舊部分作為一個(gè)整體對(duì)待，但是考慮到應(yīng)變滯后、共同工作等方面的因素，需對(duì)新增鋼框架結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度進(jìn)行折減[9]。以軸線①、③與A軸交點(diǎn)處墻體改造為例，夾墻柱設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 軸線①、③與A軸匯交處夾墻柱大樣Fig.5 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

4.2 抗震加固措施

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010第7章7.1.8 、7.1.9條底部框架-抗震墻砌體房屋的結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)符合下列要求。

(1)上部的砌體墻體與底部的框架梁或抗震墻，除樓梯間附近的個(gè)別墻段外均應(yīng)對(duì)齊。

(2)房屋的底部應(yīng)沿縱橫2方向設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻，并應(yīng)均勻?qū)ΨQ布置。6度且總層數(shù)不超過4層的底層框架-抗震墻砌體房屋，應(yīng)允許采用嵌砌于框架之間的約束普通磚砌體或小砌塊砌體的砌體抗震墻，但應(yīng)計(jì)入砌體墻對(duì)框架的附加軸力和附加剪力并進(jìn)行底層的抗震驗(yàn)算，且同一方向不應(yīng)同時(shí)采用鋼筋混凝土抗震墻和約束砌體抗震墻；其余情況，8度時(shí)應(yīng)采用鋼筋混凝土抗震墻，6、7度時(shí)應(yīng)采用鋼筋混凝土抗震墻或配筋小砌塊砌體抗震墻。

(3)底層框架-抗震墻砌體房屋的縱橫2個(gè)方向，第2層計(jì)入構(gòu)造柱影響的側(cè)向剛度與底層側(cè)向剛度的比值，6、7度時(shí)不應(yīng)大于2.5，8度時(shí)不應(yīng)大于2.0，且均不應(yīng)小于1.0。

(4)底部2層框架，抗震墻砌體房屋縱橫2個(gè)方向，底層與底部第2層側(cè)向剛度應(yīng)接近，第3層計(jì)入構(gòu)造柱影響的側(cè)向剛度與底部第2層側(cè)向剛度的比值，6、7度時(shí)不應(yīng)大于2.0，8度時(shí)不應(yīng)大于1.5，且均不應(yīng)小于1.0。

(5)底部框架-抗震墻砌體房屋的抗震墻應(yīng)設(shè)置條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)等整體性好的基礎(chǔ)。

(6)底部框裂抗震墻砌體房屋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部分，除應(yīng)符合本章規(guī)定外，尚應(yīng)符合本規(guī)范第6章的有關(guān)要求；此時(shí)，底部混凝土框架的抗震等級(jí)，6、7、8度應(yīng)分別按3、2、1級(jí)采用，混凝土墻體的抗震等級(jí)，6、7、8度應(yīng)分別按3、3、2級(jí)采用。

為滿足抗震設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本工程實(shí)例，加固設(shè)計(jì)方案中采取了新增構(gòu)造柱、圈梁、墻體加固以及改造基礎(chǔ)的技術(shù)措施，具體如下。

4.2.1新增鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)[4]

磚混結(jié)構(gòu)的有效抗震加固措施主要采用增設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，與原鋼筋混凝土圈梁、新增鋼筋混凝土圈梁或新增拉桿形成空間抗倒塌體系。構(gòu)造柱、圈梁除作為約束構(gòu)件外，既提高了砌體的延性，又加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，也可視為第2道抗震防線?？拐鹨?guī)范對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震措施，其中第7.3.1條和第7.3.3條作為強(qiáng)制性條文，對(duì)構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)置，有非常詳細(xì)的規(guī)定。

具體而言，新增鋼筋混凝土構(gòu)造柱加固法[5]是指按照抗震倒塌設(shè)計(jì)原則，在砌體墻交接處(如房屋四角、樓梯間和不規(guī)則平面的轉(zhuǎn)角處)增設(shè)豎向鋼筋混凝土柱，其截面可為正方形、長(zhǎng)方形或L 形，其設(shè)計(jì)原則如下。

(1)應(yīng)與原構(gòu)造柱、圈梁體系統(tǒng)一考慮，形成封閉整體，應(yīng)特別注意盡量使構(gòu)造柱、圈梁(或拉桿) 和基礎(chǔ)聯(lián)合布置, 保持抗震受力的完整性。

(2)對(duì)原構(gòu)造柱、圈梁未損壞的房屋，可按照高烈度和局部損壞情況適當(dāng)增設(shè)，對(duì)局部損壞的宜考慮補(bǔ)設(shè)。

(3)外加柱與原有柱在平面內(nèi)宜對(duì)稱布置，外加構(gòu)造柱設(shè)置的位置, 應(yīng)在房屋四角、樓梯間和不規(guī)則平面的轉(zhuǎn)角等應(yīng)力集中的部位，應(yīng)由底層設(shè)起，并沿房屋高度貫通，不得錯(cuò)位。

(4)當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)置外加構(gòu)造柱時(shí), 宜在樓層1/ 3 和2/ 3 層高處同時(shí)設(shè)置拉結(jié)鋼筋和銷鍵(俗稱馬牙搓), 加強(qiáng)與原墻體的連接, 銷鍵的主要作用是傳遞剪力，銷鍵與外加柱必須同時(shí)澆灌。試驗(yàn)表明按要求配置混凝土銷鍵是保證外加構(gòu)造柱與原砌體共同作用的有效措施, 加固設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視。

原結(jié)構(gòu)是縱橫墻混合承重體系，加固改造后成為外縱墻結(jié)合部分內(nèi)橫框橫向承載的磚混結(jié)構(gòu)。依據(jù)上述原則，對(duì)于外墻，在縱橫軸線相交處，相應(yīng)于擬拆除承重橫墻兩端增設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱平面布置見圖1中軸線A、B、C、D與①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩交點(diǎn)的黑色方框所示。同時(shí)在每層樓面及屋面標(biāo)高處設(shè)鋼筋混凝土圈梁；對(duì)于內(nèi)墻及內(nèi)框柱，采用型鋼夾墻辦法做成鋼圈梁或連梁進(jìn)行加強(qiáng)或連接。

4.2.2墻體加固與修繕

文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果表明，采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿抹面加固墻體，可提高抗剪能力約1 倍，采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固墻體可提高抗剪能力2 倍以上。由于原結(jié)構(gòu)磚砌體材料老化嚴(yán)重，局部墻體裂縫開展明顯，決定采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法對(duì)其進(jìn)行抗震加固。

具體加固方案針對(duì)軸線A、D、③、⑤、⑦、⑨墻體進(jìn)行加固改造，包括墻體整合性加固和墻體裂縫加固。墻體整合性加固采用高強(qiáng)鋼絲繩網(wǎng)片的規(guī)格為Φ4.5 mm×25 mm×50 mm，高強(qiáng)鋼絲繩網(wǎng)片主筋搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于600 mm。高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)片遇內(nèi)隔墻時(shí)應(yīng)采用無振動(dòng)的墻鋸在墻體上進(jìn)行開洞切割，保證高強(qiáng)鋼絲繩網(wǎng)片連續(xù)。墻體裂縫加固采用裂縫內(nèi)灌漿，在墻面加設(shè)高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)片的規(guī)格為Φ4.5 mm×200 mm×50 mm。新加鋼絲繩網(wǎng)片凹入墻表面，槽深60 mm，抹壓30 mm厚高強(qiáng)聚合物砂漿，留30 mm面層飾面。

4.3 基礎(chǔ)部分改造

原結(jié)構(gòu)為縱橫混合承重體系，改造后橫向框架承重，原墻下條基需加固處理[11]?；A(chǔ)加固擬采用在原基礎(chǔ)梁或墻基兩側(cè)夾梁的辦法將原基礎(chǔ)改為柱下條基，加固處理后柱下條基見圖6。

圖6 基礎(chǔ)加固示意圖Fig.6 The sketch of the foundation reinforcement

4.4 施工關(guān)鍵技術(shù)

為保障結(jié)構(gòu)加固再造的施工安全，設(shè)計(jì)方案中特針對(duì)此次加固施工工藝提出建議如下。

(1)墻柱自下而上逐層進(jìn)行施工，并在施工前清除上層樓面上所存放的物品，對(duì)柱穿樓板處的樓板采取支護(hù)措施，確保結(jié)構(gòu)及施工安全。

(2)墻體拆除順序見圖7，跟蹤觀測(cè)托換系統(tǒng)變形異常情況(尤其墻體陰角部位)，謹(jǐn)慎施工。

圖7 拆墻順序Fig.7 The order of the dismantles wall

(3)所有新增構(gòu)件之間均應(yīng)有可靠連接，各結(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及焊接點(diǎn)的強(qiáng)度均須確保滿足其抗震及承載力的要求；所有孔洞均應(yīng)灌填密實(shí)；所有新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)均應(yīng)有可靠拉結(jié)，以確保所有構(gòu)件同步工作。

5 主要結(jié)論及建議

該磚混結(jié)構(gòu)加固改造后投入使用近3 a，結(jié)構(gòu)托換體系(托換梁、夾墻柱)無明顯變形，墻體無明顯裂縫開展，結(jié)構(gòu)加固改造方案達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。針對(duì)該磚混結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)如下。

(1)依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理將原磚混結(jié)構(gòu)利用夾墻梁(柱)技術(shù)加固改造成具備抗震措施的新結(jié)構(gòu)，方案合理，技術(shù)可靠，加固效果達(dá)到預(yù)期要求。

(2)承重墻拆除的托換體系，即新增構(gòu)件(梁、柱)與原有磚混結(jié)構(gòu)能否形成一個(gè)整體共同工作，是改造成敗的關(guān)鍵。針對(duì)二次加固的反梁，采用組合截面鋼梁處理新舊梁體連接的方法取得成功，這一方案在同類型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)上值得借鑒。

(3)加固改造設(shè)計(jì)在滿足建筑物功能的前提下，應(yīng)盡量利用原有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如加固處理原構(gòu)造柱、磚柱、基礎(chǔ)等，形成組合結(jié)構(gòu)，以減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷和加固工程量，方便施工。

(4)磚混結(jié)構(gòu)形式因取材方便，施工簡(jiǎn)易取得廣泛應(yīng)用。這類結(jié)構(gòu)在加固、改造過程中普遍涉及承重墻墻體拆除，實(shí)例可為同類工程提供設(shè)計(jì)和施工參考，具有良好的應(yīng)用前景。

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[1] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB50023-2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[3] 張富春，林志伸.建筑物的鑒定加固與改造[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

[4] JGJ116-2009，建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ116-98：建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程[Z].北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院，1998.

[6] 龍馭球, 包世華. 結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.

[7] GB50017-2003, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集03SG611：磚混結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)[Z].北京：中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，2003。

[9] GB50702-2011，砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[10] 黃忠邦.水泥砂漿及鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，27(6)：764-770.

[11] JGJ123-2000，既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].