既有砌體住宅裝配化外套加固技術(shù)與方法

苗啟松

作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，砌體結(jié)構(gòu)在人類建筑工程的發(fā)展史上占有十分重要的地位。上至舉世矚目的萬里長(zhǎng)城、下至河北趙縣安濟(jì)橋，這些歷史上里程碑式的建筑都采用了砌體結(jié)構(gòu)形式。由于砌體結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)單、取材便捷、耐火性及耐久性良好等特點(diǎn)，其已經(jīng)成為我國房屋建設(shè)工程中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。無論在抗震設(shè)防地區(qū)還是非抗震設(shè)防地區(qū)，都可以看到砌體結(jié)構(gòu)的影子。

新中國成立后，受制于對(duì)工程抗震認(rèn)知程度的不足，我國建造的大量砌體結(jié)構(gòu)并沒有進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，難以滿足當(dāng)前抗震設(shè)防的要求。歷次地震震害結(jié)果也表明，未采用合理的抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施的多層砌體結(jié)構(gòu)在地震中破壞嚴(yán)重。1976年唐山大地震，一千多棟砌體結(jié)構(gòu)建筑中，倒塌率為70%～90%；1991年新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震多層砌體結(jié)構(gòu)破壞率達(dá)75%；2008年汶川地震，多層砌體結(jié)構(gòu)破壞率也達(dá)到50%。此類建筑量大面廣，與民眾生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，短時(shí)間內(nèi)又難以拆除重建，因此，對(duì)這類建筑進(jìn)行必要的加固處理，提升建筑的抗震安全性已經(jīng)迫在眉睫。

外套加固技術(shù)提出

北京地區(qū)于20世紀(jì)六七十年代建造了大量多層砌體住宅建筑，至今已使用了40余年，存在著結(jié)構(gòu)材料老化、整體抗震性能差、居住舒適度低等一系列問題，亟須解決。這些砌體住宅多采用北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司編制的“64住2”“73住乙”“74住1”及“76住1”等系列住宅標(biāo)準(zhǔn)圖建造，典型建筑單元平面布置圖如圖1所示。

依據(jù)房屋檢測(cè)鑒定統(tǒng)計(jì)結(jié)果及走訪調(diào)研情況，上述砌體住宅建筑主要特點(diǎn)如下：1）抗震構(gòu)造和承載力一般都不滿足要求。僅對(duì)建筑外側(cè)墻體加固（如在砌體結(jié)構(gòu)外墻進(jìn)行單面鋼筋網(wǎng)砂漿面層法加固等），不能完全解決抗震承載能力不足的問題；2）戶型小、建筑內(nèi)部使用面積緊張。以“74住1”甲單元為例，各戶建筑面積約50m2左右，衛(wèi)生間使用面積不足2.0m2；3）施工擾民問題敏感。加固施工過程中產(chǎn)生的噪聲、粉塵污染等問題，會(huì)對(duì)住戶的日常生活造成較大影響，居民普遍抵制。

由于結(jié)構(gòu)抗震性能較差，如采用傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)整體抗震加固方法，如“鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法”“鋼筋混凝土板墻加固法”等，需對(duì)建筑內(nèi)部墻體同時(shí)進(jìn)行加固，這就會(huì)造成建筑使用功能中斷、原有內(nèi)裝修破壞、占用現(xiàn)有建筑內(nèi)部使用空間等一系列問題，從工程可實(shí)施性角度而言，存在巨大困難。因此，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院的工程師創(chuàng)造性地提出了一種基于裝配式技術(shù)的綜合加固體系，如圖2所示，即在既有砌體結(jié)構(gòu)兩側(cè)增設(shè)裝配式“外套”結(jié)構(gòu)，在砌體結(jié)構(gòu)的橫向和縱向分別外套和外貼預(yù)制鋼筋混凝土墻，并在外套結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平臺(tái)下設(shè)置旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼樁，調(diào)整外套結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)之間沉降差。

該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）安全可靠，抗震能力高；2）現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，施工周期快，對(duì)周圍居民干擾小，環(huán)境影響?。?）對(duì)住戶干擾小，入戶工作量少，居民不必搬出；4）保溫節(jié)能及外立面裝飾改造一體化解決；5）綜合造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好。這種體系化的整體式外套加固方案，改變了傳統(tǒng)技術(shù)“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的加固理念，通過附加延性及耗能更好的新結(jié)構(gòu)，改善了老結(jié)構(gòu)地震作用下的變形模式，從根本上改變了原結(jié)構(gòu)抗震不利的動(dòng)力特征。

圖1 “74住1”甲單元建筑平面布置圖

圖2 既有砌體結(jié)構(gòu)裝配化外套加固方法示意

裝配化外套加固試驗(yàn)研究

（一）足尺模型抗震性能試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證裝配化外套加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能，選取“73住乙”住宅標(biāo)準(zhǔn)圖中的兩個(gè)典型開間作為試驗(yàn)單元，在中國地震局工程力學(xué)研究所恢先地震工程實(shí)驗(yàn)室建造了五層、1:1足尺砌體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)擬靜力及擬動(dòng)力試驗(yàn)，驗(yàn)證新老結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)機(jī)理，為設(shè)計(jì)方法提供科學(xué)技術(shù)支撐，如圖3～圖5所示。

擬靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果表明，加固后的結(jié)構(gòu)無論是橫墻方向還是縱墻方向，結(jié)構(gòu)的承載能力、抗側(cè)剛度、耗能能力及延性均有顯著提高（具體試驗(yàn)結(jié)果詳見碩士學(xué)位論文《采用預(yù)制RC構(gòu)件加固的砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究》）。

足尺模型的制作加工過程驗(yàn)證了外套加固法施工的可行性，主體結(jié)構(gòu)加固構(gòu)件均采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，整個(gè)加固過程歷時(shí)僅1個(gè)月，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量極少，能夠?qū)崿F(xiàn)不入戶施工。外套加固極大地提升了原有砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，改變了砌體結(jié)構(gòu)地震作用下脆性破壞的特征，加固后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的延性特征。

（二）新型旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼樁研發(fā)

老舊小區(qū)施工場(chǎng)地狹窄、障礙物多，為與裝配化外套加固法配合，減小現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，我單位研發(fā)了新型旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（復(fù)合）鋼樁，如圖6所示。該樁型由鋼樁與注漿體組成，鋼樁為焊有葉片的鋼預(yù)制樁，采用專用機(jī)械旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式成樁（圖7），之后進(jìn)行樁端、樁側(cè)后注漿，從而形成一種鋼樁與注漿體組成的復(fù)合型樁基。

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)復(fù)合鋼樁的受力機(jī)理分析，結(jié)合試驗(yàn)及工程樁試樁成果，得出以下結(jié)論：1）該樁型承載力相對(duì)較高，施工機(jī)械化程度高，施工方便快捷、工期短、綠色環(huán)保；2）注漿前鋼樁承載力相對(duì)較低，注漿后鋼樁承載力增加很大，為最大限度發(fā)揮樁身強(qiáng)度、提高樁基承載力，需要配以注漿施工工藝。

裝配化外套加固實(shí)踐

經(jīng)政府部門協(xié)調(diào)，選定北京市朝陽區(qū)某棟砌體結(jié)構(gòu)住宅樓作為外套加固方案實(shí)施的試點(diǎn)工程，如圖8所示。該建筑建成于1965年，地上5層，建筑面積3587.60m2，預(yù)制樓板，橫墻承重，未設(shè)置圈梁構(gòu)造柱。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，首、二層砌體強(qiáng)度MU10，砂漿強(qiáng)度M2.5，三至五層砌體強(qiáng)度MU7.5，砂漿強(qiáng)度M1.0。經(jīng)安全及抗震鑒定，該建筑抗震性能不滿足要求，豎向安全性滿足要求。

圖3 足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D

圖4 加固前模型正視圖

圖5 加固后模型正視圖

圖6 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼樁示意圖

圖7 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼樁施工

圖8 試點(diǎn)工程加固前立面照片

圖9 加固后建筑平面布置圖

采用外套（預(yù)制構(gòu)件）加固法進(jìn)行抗震加固，從戶型改善均好性角度考慮，建筑一側(cè)挑出1.5m，另一側(cè)挑出1.35m。左、中、右戶套內(nèi)凈面積增加9.97m2、10.21m2、9.48m2，標(biāo)準(zhǔn)層每層建筑面積增加187.40m2，全樓共計(jì)增加937.00m2，加固后建筑平面布置圖見圖9。

加固改造時(shí)，原結(jié)構(gòu)外縱墻上的窗下墻拆除，使新增外套結(jié)構(gòu)部分與戶內(nèi)聯(lián)通。本工程中，在原結(jié)構(gòu)橫墻位置外側(cè)新增200mm厚鋼筋混凝土剪力墻、在外縱墻外側(cè)外貼140mm厚鋼筋混凝土縱墻，新增外擴(kuò)部分樓板厚度100mm。加固改造后單元結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖10所示。

圖10 加固后單元結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖11 加固項(xiàng)立面示意圖

圖12 原有懸挑陽臺(tái)拆除

圖13 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼樁施工

圖14 基礎(chǔ)底板施工

圖15 預(yù)制構(gòu)件加固施工

圖16 加固后建筑外立面效果圖

主要加固項(xiàng)立面示意圖及現(xiàn)場(chǎng)施工照片詳見圖11～圖16，加固施工流程如下所述：1）原有建筑懸挑陽臺(tái)拆除；2）旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鋼管樁施工；3）壓漿錨桿施工，埋入原結(jié)構(gòu)橫墻基礎(chǔ)放腳內(nèi)；4）現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺(tái)梁施工；5）采用預(yù)制鋼筋混凝土墻板對(duì)原有外縱墻進(jìn)行加固，兩者之間采用CSA無縫自流平灌漿材料相互粘結(jié)；6）原有橫墻兩側(cè)新增預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻；7）屋頂位置新增鋼筋混凝土拉梁；8）鋼結(jié)構(gòu)坡屋頂施工。

實(shí)踐證明，外套（預(yù)制）加固方法加固多層砌體結(jié)構(gòu)具有方法可靠、可實(shí)施性強(qiáng)、施工速度快、施工綠色文明、抗震節(jié)能一體化解決、綜合造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能做到避免入戶施工，改善居民居住條件。

結(jié)語

裝配化外套加固技術(shù)實(shí)現(xiàn)了既有砌體住宅抗震加固新突破，減少了對(duì)住戶的干擾，提高了住宅品質(zhì)，具體表現(xiàn)為：

1）新型旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)復(fù)合鋼樁，成樁角度多樣化、施工機(jī)械小型化、施工方便快捷；

2）外套鋼筋混凝土墻由工廠預(yù)制生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量高，規(guī)格精度高，構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝，勞動(dòng)強(qiáng)度小，濕作業(yè)少，施工周期快，環(huán)境影響??；

3）結(jié)構(gòu)整體加固施工對(duì)住戶干擾小，入戶工作量很少，居民不必搬出，解決居民搬遷周轉(zhuǎn)問題，節(jié)省了大量安置費(fèi)用；

4）工程保溫節(jié)能及外立面裝飾改造一體化解決，不僅能顯著改善建筑的熱工性能，增加房屋舒適度，又對(duì)外立面進(jìn)行了更新，改善了住宅使用性能和建筑物外觀視覺效果；

5）適當(dāng)增加的建筑使用面積，改善居民居住品質(zhì)，深受居民歡迎，提升了政策親和度，更容易推廣。

該技術(shù)可提高房屋抗震能力，增加建筑使用面積，延長(zhǎng)建筑使用年限，對(duì)緩解城市建設(shè)用地緊張、改善人民居住條件都具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，將老舊建筑加固改造與工業(yè)化有機(jī)結(jié)合，也為我國現(xiàn)存的抗震危房提供一種切實(shí)可行且具有推廣意義的解危方案。自2011年以來，裝配化外套加固方法在北京市老舊小區(qū)抗震節(jié)能綜合改造工程中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用面積近百萬平方米，為提升北京城市抗震韌性水平，為建設(shè)國際一流的和諧宜居之都提供了直接、有效的安全保障。