既有空斗墻砌體結(jié)構(gòu)的整體加固與改造

尹 偉 鄭 偉 徐曉明 朱云龍

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215001

我國在20世紀(jì)90年代以前建造有大量的砌體結(jié)構(gòu)，很多采用空斗墻，且無圈梁、構(gòu)造柱，歷次地震災(zāi)后的調(diào)查表明[1]，這類房屋沒有合適的抗震構(gòu)造措施，地震中破壞程度較高，極易倒塌，故隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新建項(xiàng)目砌體結(jié)構(gòu)使用越來越少。但由于經(jīng)濟(jì)因素、城市規(guī)劃、古城保護(hù)等原因，仍需要對這些老舊空斗墻砌體建筑加固后保留使用。特別是目前國家倡導(dǎo)節(jié)能減排，提出了“城市雙修”概念，因此對既有砌體結(jié)構(gòu)加固的研究也就具有了一定的社會意義。

1 工程概況

本工程位于蘇州市古城區(qū)內(nèi)，房屋為4層，建筑高度13.5 m，總建筑面積約5 000 m2。該酒店建造于20世紀(jì)90年代，結(jié)構(gòu)形式為砌體結(jié)構(gòu)，外墻角部、內(nèi)部縱橫墻及樓梯間、電梯間角部均未設(shè)置混凝土構(gòu)造柱。1層為厚240 mm實(shí)心墻體，其余樓層為厚240 mm無眠磚全空斗墻，每層頂部和底部各設(shè)置3皮扁砌磚。樓板為預(yù)制空心樓板。房間開間3.5 m，進(jìn)深分別為4.7、5.3、6.1 m。根據(jù)檢測報告，墻體砌筑用磚抗壓強(qiáng)度推定等級為MU10，墻體砂漿的推定強(qiáng)度為0.3 MPa。該建筑為L形，原結(jié)構(gòu)以②軸為界，設(shè)置了抗震縫，將結(jié)構(gòu)分成2個矩形平面（圖1）。

圖1 1層結(jié)構(gòu)平面示意

酒店停業(yè)多年，現(xiàn)要重新裝修使用，建筑使用功能基本保持不變，內(nèi)外墻體布置亦基本保持不變，僅局部門洞位置調(diào)整，部分預(yù)制樓板置換為現(xiàn)澆樓板，結(jié)構(gòu)整體使用荷載未增加。原基礎(chǔ)為墻下條形基礎(chǔ)，經(jīng)檢測，未發(fā)現(xiàn)因地基不均勻沉降引起的主體結(jié)構(gòu)裂縫，主體結(jié)構(gòu)無明顯變形、傾斜，基礎(chǔ)鑒定為Au級，基礎(chǔ)不做加固。

2 結(jié)構(gòu)整體計算及加固措施

2.1 加固前原結(jié)構(gòu)整體計算

對抗震縫左側(cè)結(jié)構(gòu)，采用PKPM軟件進(jìn)行整體建模（圖2）。對于空斗墻如何模擬是建模的難點(diǎn)，根據(jù)王世雄等[2]試驗(yàn)研究結(jié)果，空斗墻砌體的抗壓強(qiáng)度為同條件下實(shí)心砌體抗壓強(qiáng)度的50%，抗剪強(qiáng)度為同條件下實(shí)心砌體抗剪強(qiáng)度的65%，據(jù)此提出了采用一半厚度實(shí)心墻體模擬空斗墻，該做法是偏于安全的。計算模型1層墻體厚度取240 mm，2～4層墻體厚度取120 mm。砌體及砂漿強(qiáng)度按現(xiàn)場檢測實(shí)際強(qiáng)度輸入。抗震設(shè)防烈度按6度計算，1層為實(shí)心墻體，2層以上為空斗墻，因此2層為最薄弱樓層，以2層為例進(jìn)行分析。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

在2層受壓承載力計算結(jié)果中（圖3），紅色字體表示數(shù)值小于1，承載力不足，大部分墻體受壓承載力在0.15～0.30之間，個別墻體僅為0.06。在2層第二級鑒定計算結(jié)果中（圖4），紅色字體表示承載力不足，大部分墻體抗震承載能力在0.3～0.6之間。根據(jù)上述計算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)墻體豎向承載力及抗震承載力都遠(yuǎn)不能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖3 2層加固前受壓承載力計算結(jié)果

圖4 2層加固前第二級鑒定計算結(jié)果

2.2 上部結(jié)構(gòu)加固

2.2.1 總體加固思路

砌體結(jié)構(gòu)加固方法有多種，其中增加鋼筋網(wǎng)砂漿面層是比較常用的做法。

尚卿等[3]采用足尺模型模擬多組不同類型空斗墻，進(jìn)行了鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固后承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后墻體初始開裂荷載值和最終破壞荷載值均有較大幅度增加，提高了60%左右，且抗震性能、結(jié)構(gòu)剛度、整體性、延性也有較大幅度提高。錢華君[4]對空斗墻的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固，空斗墻抗剪承載能力可以提高2倍左右。

根據(jù)周立朋[5]、湯偉民[6]、田世民[7]的研究，采用外加構(gòu)造柱及圈梁加固可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，延遲破壞時間，同時提高墻體出現(xiàn)裂縫的極限荷載值。本工程外立面四周每層增設(shè)圈梁拉通布置，對結(jié)構(gòu)整體形成5道圍箍，與外立面新增壁柱形成“大框架”，內(nèi)部房間四邊增加圈梁，與內(nèi)部增加壁柱連成整體，形成“小框架”，內(nèi)外“框架”通過拉結(jié)筋連接，形成抗側(cè)力體系，對墻體形成有效約束，限制墻體變形，地震作用時，可有效防止墻體開裂、倒塌。

2.2.2 加固施工做法

根據(jù)上述一些研究成果，本工程采用的結(jié)構(gòu)加固措施為：

1）第一步，對整樓所有墻體采用雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固（圖5）。做面層前，將墻體粉刷層鏟除干凈，保證加固面層與原墻體的可靠粘結(jié)，原墻體松動部分清理置換。已松動的勾縫砂漿剔除，用高強(qiáng)聚合物砂漿修補(bǔ)平整。為了減少對原墻體的破壞，拉結(jié)筋設(shè)置在磚縫內(nèi)，拉結(jié)筋布置完成后用水泥基灌漿料將孔洞填實(shí)。豎向鋼筋在樓板處采用φ12 mm等代鋼筋穿過樓板，減少對樓板的破壞。粉刷層厚度35 mm，分2次粉刷。

圖5 內(nèi)部縱橫墻交界處墻體加固節(jié)點(diǎn)平面

2）第二步，對縱橫墻交界處，從底層到屋頂增加通長扶壁柱，底層與新增地圈梁連接，各樓層位置與后增加圈梁連接。為了減小扶壁柱對房間使用的影響，外墻加固時把扶壁柱及混凝土圈梁加到了外立面上，并采用拉結(jié)筋與內(nèi)墻進(jìn)行拉結(jié)（圖6、圖7）。內(nèi)墻扶壁柱設(shè)置在門后，截面尺寸120 mm×200 mm，在墻體兩側(cè)同時設(shè)置，采用拉結(jié)筋拉結(jié)，對墻體形成約束（圖8）。

2.3 加固后結(jié)構(gòu)整體計算

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固，增加構(gòu)造柱，采用PKPM軟件建模（圖9、圖10）。圖中藍(lán)色字體表示數(shù)值大于1，承載力滿足要求。根據(jù)PKPM分析結(jié)果，采用上述加固措施后，墻體的豎向承載能力和抗震計算均達(dá)到要求。

圖6 外墻新增扶壁柱與內(nèi)墻連接節(jié)點(diǎn)

圖7 外立面增加扶壁柱與圈梁

圖8 內(nèi)墻扶壁柱做法節(jié)點(diǎn)

圖9 2層加固后受壓承載力計算結(jié)果

圖10 2層加固后第二級鑒定計算結(jié)果

3 型鋼代替混凝土圈梁

內(nèi)部新增圈梁原設(shè)計方案為混凝土圈梁，施工時需要將樓板開槽澆筑混凝土，由于樓板為預(yù)制空心樓板，開槽對樓板破壞非常大，可能導(dǎo)致樓板端部剪切破壞，整體掉落。針對該問題，根據(jù)GB 50702—2011《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》第12.1.2條，考慮將混凝土圈梁改為角鋼。角鋼在墻兩側(cè)雙面設(shè)置，截面采用∠75 mm×6 mm。墻體兩側(cè)角鋼采用對拉螺栓拉結(jié)，角鋼與樓板及墻面間縫隙用干硬性水泥砂漿填充密實(shí)，角鋼與兩端新增扶壁柱內(nèi)預(yù)埋鋼板焊接連接（圖11）。角鋼與扶壁柱形成“弱框架”，對砌體形成約束，大大提高了結(jié)構(gòu)整體性。

圖11 角鋼與扶壁柱連接大樣

4 空斗墻內(nèi)部注漿

墻體加固設(shè)計采用雙面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固，需要將原墻體面層鏟除后才能保證新增面層與原墻體的良好貼合。當(dāng)鏟去部分墻體面層后發(fā)現(xiàn)，原墻體質(zhì)量非常差，砂漿強(qiáng)度幾乎為零，手指輕輕摳一下，砂漿就整塊掉落，磚塊徒手就能輕松取下。2層以上墻體為空斗墻，且整片墻體沒有眠磚，內(nèi)部洞口從上至下貫通，墻體穩(wěn)定性極差（圖12）。墻體粉刷層是后期二次裝修施工，距離現(xiàn)在年代較近，面層砂漿強(qiáng)度較高，對墻體強(qiáng)度穩(wěn)定起一定作用，形成了外強(qiáng)內(nèi)弱的結(jié)構(gòu)，如果將整片墻體強(qiáng)度較高的面層鏟除后，墻體可能會喪失承載能力，瞬間倒塌。鏟除面層的過程中，稍微操作不當(dāng)也會導(dǎo)致磚塊掉落。

發(fā)現(xiàn)上述問題后，現(xiàn)場立即停止鏟除面層，經(jīng)過多方論證，并經(jīng)過現(xiàn)場小范圍試驗(yàn)，最終選擇了在墻體內(nèi)灌注灌漿料的方式處理該問題。在墻頂和墻體中部間隔1 m開設(shè)一個小洞口，采用壓力注漿設(shè)備，沿墻壁灌注C40水泥基灌漿料，在墻底鉆一個小洞口，當(dāng)漿液從洞口流出后即停止注漿，以此控制灌漿量，避免灌漿量太大。

灌漿料強(qiáng)度較高，強(qiáng)度形成快，具有較好的流動性，能順著墻壁流淌，滲入到墻體磚縫內(nèi)，對墻體強(qiáng)度有一定提高作用。由于整片墻體無眠磚，便于灌漿料的灌注，并在墻體內(nèi)部形成一個灌漿料整體面層，可對墻體整體穩(wěn)定起很好作用。灌漿后再進(jìn)行鏟除面層施工，砌塊無松動現(xiàn)象，采用此方案，墻體鏟除面層工作順利完工，施工安全隱患消除（圖13、圖14）。從現(xiàn)場施工情況看，該方法效果較好[8-10]。

5 預(yù)制空心樓板置換

5.1 情況介紹

由于房屋建造年代久遠(yuǎn)，且歷經(jīng)多次裝修改造，部分樓板多次穿管線，形成較多孔洞，面層剝落嚴(yán)重，鋼筋銹蝕，樓板外觀質(zhì)量、防水性能、承載能力都相當(dāng)差，這些樓板不能適應(yīng)建筑功能要求，因此需將這些樓板置換為現(xiàn)澆樓板。為了不破壞墻體，預(yù)制樓板拆除采用靜力切割方式沿墻邊切除，樓板擱置在墻體內(nèi)部分仍然保留，新增現(xiàn)澆樓板與墻體的連接難以處理。

圖12 注漿前局部鏟完面層后墻體

圖13 空斗墻內(nèi)部壓力注漿

圖14 注漿后鏟完面層墻體

根據(jù)現(xiàn)場情況，利用墻體內(nèi)空心樓板的洞口（圖15），在洞口內(nèi)鋪設(shè)鋼筋，澆筑樓板時，先在洞口內(nèi)澆筑混凝土，振搗密實(shí)后澆筑其余部分樓板，形成整體，洞口內(nèi)混凝土相當(dāng)于抗剪銷鍵，擱置在墻體內(nèi)，起到抗剪作用。

圖15 預(yù)制樓板拆除后留下的洞口

5.2 抗剪與抗彎承載力計算

原空心樓板規(guī)格為寬500 mm五孔預(yù)制板，板厚120 mm，單孔直徑60 mm。置換為現(xiàn)澆樓板，混凝土采用C30，樓板跨度3.5 m，板厚120 mm。根據(jù)相關(guān)計算，該樓板置換做法的抗剪與抗彎承載力滿足要求。

5.3 樓板施工要點(diǎn)

樓板置換做法（圖16）的施工難點(diǎn)在于孔洞較小，孔洞內(nèi)混凝土澆筑困難，容易在內(nèi)部形成氣泡，樓板一次澆筑，無法保證孔洞內(nèi)混凝土的密實(shí)度。施工時，將普通混凝土改為自密實(shí)混凝土，先澆筑洞口內(nèi)混凝土，控制澆筑速度，使混凝土緩慢流入，增加振搗工藝，充分排出空氣，專人負(fù)責(zé)逐孔檢查密實(shí)度，符合要求后進(jìn)行大面積樓板的澆筑，控制澆筑時間間隔，避免形成冷縫。

圖16 樓板置換節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)語

1）采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固空斗墻，根據(jù)建筑使用功能合理布置扶壁柱與圈梁，并用拉結(jié)筋與墻體可靠拉結(jié)，根據(jù)PKPM計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)承載力得到較大提高，滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求，大大提高了地震作用下的抗倒塌能力。

2）當(dāng)施工存在難度時，可以采用型鋼代替混凝土圈梁，型鋼圈梁與扶壁柱應(yīng)可靠連接。

3）空斗墻內(nèi)部灌注灌漿料，很好地解決了施工過程中墻體穩(wěn)定問題，降低了施工難度，保證施工安全，為以后類似項(xiàng)目提供了一種可行的方法。

4）利用預(yù)制空心樓板拆除后留下的孔洞，進(jìn)行現(xiàn)澆樓板的置換施工，對該方法進(jìn)行了理論計算，分析了施工難點(diǎn)，提出解決辦法。該方法巧妙地解決了置換樓板的擱置問題，可節(jié)省造價，方便施工，具有一定的參考借鑒價值。