不減少使用面積的砌體結構加固方法及應用*

楊紅旵，陸 飛，王金輝，毛江鴻，陳敏軍

(1.寧波理工建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 315100;2.重慶交通大學，重慶 400074;3.浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100;4.浙江省巖土基礎有限公司，浙江 寧波 315040)

砌體結構房屋在我國分布范圍廣，數(shù)量多，是城鄉(xiāng)居民的主要住房結構形式之一。但砌體結構材料強度較低，結構整體性較差，且多數(shù)砌體建筑建造年代較早，材料強度、構造措施、施工工藝均存在不妥之處。砌體結構的問題主要有:①主觀因素引起的問題包括砌筑砂漿強度不足、砌塊強度不足、居民裝修時破壞承重墻體等;②客觀因素引起的問題包括溫度作用、砌體干縮和地基沉降差異引起的裂縫等病害［1-2］。

砌體結構的加固方法主要有三大類［3-5］，即輔助結構加固法、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法及外部粘貼加固法。其中，大部分加固方法需增加墻體厚度，影響建筑的使用面積［6］。

本文提出基于砌體與鋼格構柱組合墻原理的砌體結構加固方法，適用于結構豎向承載力不足的情況，綜合考慮傳統(tǒng)方法缺陷，在不減少房屋套內(nèi)使用面積的情況下，也可滿足抗震規(guī)范中需要增設構造柱的條件，可解決砌體房屋中存在的問題。

1 新型加固方法的技術特征分析

1.1 基于砌體與鋼格構柱組合墻的原理

在荷載作用下，由于構造柱和磚墻的剛度不同及內(nèi)力重分布的結果，構造柱分擔墻體上的荷載。此外，構造柱與圈梁形成“弱框架”，砌體受到約束，也提高了墻體承載力。設置構造柱磚墻與組合磚砌體構件有類似之處，本文用鋼格構柱代替鋼筋混凝土構造柱［7］，試驗研究表明，可采用組合磚砌體軸心受壓構件承載力的計算公式(見圖1)。

圖1 鋼格構柱構造

1.2 建筑功能對比

本文將傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法與新型加固方法進行比較。按照GB50702—2011《砌體結構加固設計規(guī)范》［8］的要求，采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法加固砌體受壓構件時，面層厚度應為35～45mm;本文設計的新型加固方法，按照 GB 50003—2011《砌體結構設計規(guī)范》［9］第 8.2.7 條方法進行計算，不足時，采用鋼格構柱進行補強，鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層作為構造加強措施。具體以一個2.0m×3.0m的房間為例，如圖2所示。

由圖2可知，原有建筑的使用面積為6.0m2，采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法后可使用面積為5.75m2，本文提出的新型加固方法后不改變使用面積，仍為6.0m2。通過計算結果可發(fā)現(xiàn)，本文提出的新型加固方法相比傳統(tǒng)夾板墻加固法多出可使用面積0.25m2，因此，可有效保證建筑的使用面積。

圖2 新型加固法和傳統(tǒng)加固法在使用面積上的對比分析

1.3 結構受力模式對比

對于傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法，容易存在以下問題:①大部分老舊建筑的墻體角部構造柱缺失或作用弱化極易先破壞，加固后依然滿足抗震規(guī)范中需要增設構造柱的條件;②部分老舊砌體結構未設置圈梁，這種情況時，采用傳統(tǒng)方法無法滿足要求;③傳統(tǒng)的鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法在江南多水地區(qū)容易產(chǎn)生鋼筋銹脹，造成面層開裂，破壞加固效果［10］。

采用基于砌體與鋼格構柱組合墻原理的砌體結構加固方法將解決傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法的幾個問題:①采用鋼格構柱代替鋼筋混凝土構造柱能夠解決大部分老舊建筑墻體角部構造柱缺失或作用弱化極易先破壞的問題;②采用本文方法時，可在圈梁位置設置鋼格構梁，格構梁與格構柱焊接，形成小型框架;③本文對傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法進行改進:外墻部分改用噴射灌漿料，鋼筋網(wǎng)改為鋼絲網(wǎng)，外墻及衛(wèi)生間部位熱鍍鋅防銹處理，水泥砂漿改用噴射聚合物水泥砂漿，這些措施能夠很好地解決傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固法的鋼筋銹脹、面層開裂等問題，而且采用噴射工藝也可大幅減少人工費用，降低造價。

另外，為確保鋼格構柱與砌體整體受力，本文基于砌體與鋼格構柱組合墻原理的砌體結構加固方法采取以下構造措施:①用結構膠將鋼格構柱與砌體黏結在一起;②用對穿螺栓將鋼格構柱與砌體連接在一起;③對穿螺栓螺帽與鋼板焊接(土墻結構必須焊接，砌體結構酌情待定);④用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿將鋼格構柱與砌體連成整體，鋼絲網(wǎng)與鋼板焊接。采用以上措施后，可確保二者共同受力，有效避免因單一構件破壞而造成房屋整體安全隱患。

2 應用實例

2.1 工程概況

該項目為寧波市江東區(qū)某5層住宅建筑，上部為磚混結構房屋。該住宅長33.8m，寬8.8m，高14.0m;建成時間為1985年，整體未設置構造柱。根據(jù)檢測鑒定報告，該住宅鑒定結論為C級(局部危房)，主要問題有:部分承重墻因增設門窗洞口而被拆除;部分位置增加墻體致荷載增大;砌筑砂漿強度低于設計要求;部分圈梁由于下部墻體被拆除發(fā)生開裂;部分墻體經(jīng)驗算不滿足承載力要求。

通過采取以下加固措施:①保持原結構形式不變;②原多孔板全部保留，對原來擱支長度不滿足的多孔板進行擱支長度補強;③通過增設鋼格構柱，加固鋼筋混凝土構造柱，墻體兩側使用鋼絲網(wǎng)聚合物改性水泥砂漿面層構造加強;④本工程原設計已有鋼筋混凝土圈梁，因此不必再設鋼格構圈梁。最終實現(xiàn)滿足結構安全性要求，不影響原有建筑使用面積，結構使用年限達標的加固目標。

2.2 新型加固方法的設計與計算

實際工程應用時，需依據(jù)不同的墻體形式進行加固設計與計算。本文以一片典型墻體(見圖3)的加固計算為例，介紹計算過程。

普通砌體結構承載力的計算公式:

采用磚砌體和鋼筋混凝土構造柱組合墻的軸心受壓承載力的計算公式:

式中，Nu為砌體結構承載力，φcom為組合磚墻的穩(wěn)定系數(shù)，η為強度系數(shù)，l為沿墻長方向構造柱的間距，bc為沿墻長方向構造柱的寬度，A為扣除孔洞和構造柱的磚砌體截面面積，Ac為構造柱的截面面積。

圖3 典型墻體加固示意

根據(jù)相關圖紙可知:l=4400mm，bc=190mm，h=2800mm，暫定小砌塊孔洞率為40%。根據(jù)計算荷載:pAC=150kN/m，pCE=88kN/m。高厚比為14.74;配筋率ρ=0。計算如下:

η =［1/(1/bc－3)］1/4=［1/(4400/190－3)］1/4=0.472

1)根據(jù)《砌體結構設計規(guī)范》表8.2.3內(nèi)插值取 φcom=0.7515。

2)原砂漿強度為 2.0MPa，砌塊為 Mu7.5，根據(jù)《砌體結構設計規(guī)范》表3.2.1－4內(nèi)插值取 f=1.29MPa，A=980400mm2。

3)灌漿混凝土約為C13。據(jù)GB50367—2013《混凝土結構設計規(guī)范》［11］表 4.1.4 －4 內(nèi)插值 fc=6.28N/mm2，Ac=59280mm2。

4)內(nèi)部插筋:fy’=210N/mm2，As

’=314mm2。

5)加固鋼板:fy1’=215N/mm2，As1

’=5100mm2。

據(jù)《砌體結構設計規(guī)范》8.2.7 條:

由此可知，計算結果符合要求。以上計算中包含L形和T形墻角，本工程中其他類型墻角的加固方案如圖4，5所示。說明:加固范圍為基礎頂至屋面板底，鋼結構與墻體空隙處用結構膠填實，綴板與綴條間采用角焊縫連接(滿焊)，圈梁或梁均必須要有1對穿螺栓穿過。

圖4 “I”形墻角加固示意

圖5 復雜型墻角加固示意

2.3 現(xiàn)場施工重點

本文加固方法主要施工要點在于鋼結構加工與安裝，鋼結構的制作與安裝處理要點如下。

1)焊接要求 施焊時應選擇合理的焊接工藝、焊接順序，采取多種有效措施盡量減少鋼構件的焊接應力和焊接變形。構件的主材拼裝焊縫、端板與梁上翼緣與腹板及柱腳處的連接焊縫質(zhì)量等級應達到二級焊縫質(zhì)量標準，其余為三級。焊Q235的鋼材:手工焊用E4303型焊條，自動或半自動焊用H08或H08A型焊絲。

2)涂裝要求 鋼構件先經(jīng)拋丸除銹，除銹等級應達到Sa2.5級，然后±0.000m以下部分鋼構件熱鍍鋅處理，應符合GB/T8923.1—2011《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》的規(guī)定。鋼構件(包括零部件)除銹后，先刷2道醇酸紅丹防銹底漆，現(xiàn)場安裝完后再刷2道灰色醇酸調(diào)和漆。

3)粘鋼加固施工要求 粘鋼施工工藝流程、混凝土及鋼板黏結面的表面處理、黏結劑的選擇、工程質(zhì)量及驗收必須滿足GB50367—2006《混凝土結構加固設計規(guī)范》的要求。粘貼鋼板后，鋼板表面敷設鋼絲網(wǎng)，用水泥砂漿粉刷保護。與鋼材相貼鄰的混凝土構件表面需要清理平整，可用修補砂漿找平。

3 總結與展望

本文設計了一種在滿足結構安全基礎上，不減少房屋使用面積，并解決砌體結構墻體承載力不足的一種新型房屋加固方法，并在實際工程進行了應用，結果分析如下。

1)該新型方法在結構受力上更加安全可靠，采用結構膠黏結和對穿螺栓連接的方式使原建筑物與加固鋼板連接成可靠的整體，抗震性能有了明顯改善，保證了結構體系的安全性和耐久性。

2)該新型方法在建筑使用面積上同樣有很大的優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的加固方法，該新型方法可不減少房屋的使用面積。

3)該新型方法適用范圍廣，可用于砌體結構、土墻結構和木結構。同時加固費用較低，不破壞外觀，保持建筑物原有格局。加固時間短，風險低，解危成效快。但該方法也要求施工隊的專業(yè)技術達到較高水平，才能保證加固構件的可靠連接。

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