某砌體結(jié)構(gòu)改造底部框架-抗震墻砌體結(jié)構(gòu)房屋的探索與實(shí)踐

劉 鵬

（甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)建筑物的要求越來越高，尤其是磚混結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)，因地基承載力引起的地基的不均勻沉降，嚴(yán)重影響人們的日常生活，托換技術(shù)作為建筑加固的主要方法之一，更是占著十分重要的地位。

磚混結(jié)構(gòu)因建筑物使用功能改變或使用年限將至進(jìn)行加固改造，而大空間的需求導(dǎo)致磚混結(jié)構(gòu)改底部框架結(jié)構(gòu)成為常見改造形式之一。在大空間改造過程中，原結(jié)構(gòu)處于受力穩(wěn)定狀態(tài)，而拆墻改造將打破內(nèi)力平衡，改變整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形狀態(tài)。磚混結(jié)構(gòu)改底部框架結(jié)構(gòu)采用置換技術(shù)可以使結(jié)構(gòu)體系順利轉(zhuǎn)換，二次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即在底層設(shè)置托換大梁，待墻體拆除后將上部荷載通過框架柱傳遞至基礎(chǔ)，因此對(duì)于托換梁的設(shè)計(jì)是磚混結(jié)構(gòu)改底框結(jié)構(gòu)的重要工作。

1 工程概況

該工程原建筑建造于20世紀(jì)70年代，為地上四層砌體結(jié)構(gòu)。建筑總長(zhǎng)54.8 m、寬13 m，一層層高3.3 m；二、三層層高3.15 m；四層層高3.5 m，室外高差0.7 m，結(jié)構(gòu)總高13.85 m，外墻厚370 mm，內(nèi)墻厚240 mm，磚砌放大腳基礎(chǔ)，基底土采用450 mm厚3∶7灰土換填處理。現(xiàn)根據(jù)建設(shè)單位使用要求，將原砌體結(jié)構(gòu)改造為底部框架-抗震墻砌體房屋，底層為混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為二級(jí)。一層作為營(yíng)業(yè)大廳，二至四層為砌體結(jié)構(gòu)，二層內(nèi)外墻面原抹灰層剔除抹高延性混凝土進(jìn)行加固處理，三、四層局部墻面原抹灰層剔除抹高延混凝土加固處理，如圖1、圖2。

圖1 改造前

圖2 改造后

2 工程難點(diǎn)

在將原磚砌體結(jié)構(gòu)改造成底層混凝土框架結(jié)構(gòu)過程中存在以下施工難點(diǎn)：

（1）施工過程中原磚砌體結(jié)構(gòu)拆除部位較多，臨時(shí)支護(hù)難度大，原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性削弱嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)較大。

在井樁施工時(shí)，需對(duì)相應(yīng)位置的原磚砌體結(jié)構(gòu)基地土（450 mm厚、3∶7灰土）及磚砌放大腳基礎(chǔ)進(jìn)行拆除，拆除后受作業(yè)空間限制，臨時(shí)支護(hù)難度大且樁基礎(chǔ)同時(shí)開挖數(shù)量直接影響工程進(jìn)度；在框架柱施工時(shí)，需要對(duì)框架柱核心區(qū)范圍內(nèi)原縱橫磚墻及原有扶壁柱進(jìn)行拆除，拆除寬度350 mm，拆除后對(duì)原縱橫墻削弱嚴(yán)重，需對(duì)門洞口、窗洞口過梁進(jìn)行有效支護(hù)；在框架梁施工時(shí)，需在縱橫墻頂部間隔1 m開240 mm×梁高×墻厚的肩梁洞口，拆除后需對(duì)樓板進(jìn)行臨時(shí)支撐。

（2）施工過程中受施工條件限制機(jī)械化程度低，大部分工作由人工完成。

在井樁施工過程中，受作業(yè)空間限制，無法采用旋挖鉆等大型機(jī)械設(shè)備，只能采取人工成孔的方式；在磚砌放大腳及磚墻拆除過程中，由于機(jī)械拆除對(duì)原磚墻體破損嚴(yán)重，完整性減弱程度較大，只能采取人工先切割后拆除的方式進(jìn)行墻體拆除。

（3）施工工序相互交叉，施工作業(yè)面受限制，施工進(jìn)度無法加快。

在底層混凝土框架結(jié)構(gòu)施工過程中，必須嚴(yán)格按照井樁-承臺(tái)-框架柱-框架梁的施工工序進(jìn)行，前一道工序未全部完成，后道工序無法進(jìn)行施工，不能形成分段流水作業(yè)施工。井樁、承臺(tái)、框架柱施工過程中，都采用“跳打法”進(jìn)行施工，且同時(shí)拆除點(diǎn)位不能同時(shí)超過6個(gè)，不能形成連續(xù)施工作業(yè)。

3 采用的新技術(shù)新工藝及其實(shí)際效果

3.1 高延性混凝土對(duì)墻體進(jìn)行加固

本次加固以滿足抗震設(shè)防和建筑物的正常使用要求為主要目標(biāo)。對(duì)部分墻體采用高延性混凝土面層加固。高延性混凝土作為一種新型加固材料，通過本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，其加固效果明顯。在砌體結(jié)構(gòu)表面壓抹高延性混凝土面層，通過與砌體結(jié)構(gòu)表面優(yōu)良的粘結(jié)性能，使高延性混凝土面層與砌體成為整體，共同受力，并利用其高韌性、高強(qiáng)度（抗拉）、高抗裂性能和高耐損傷能力來提高砌體結(jié)構(gòu)的承載力、延性和抗裂性能，有效改善砌體房屋的整體性。

3.2 磚砌體結(jié)構(gòu)改為底層混凝土框架結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目在一層采用新型混合框架托換加固方案，將原磚混結(jié)構(gòu)改造為混凝土底框結(jié)構(gòu)體系，即在原有縱橫墻體交接處澆筑高強(qiáng)混凝土，形成砌體外包混凝土框架組合柱，在柱頂原墻體兩側(cè)布置框架梁2根，用于托舉上部樓層墻體，亦稱為托墻梁，如圖3。在2根托墻梁間設(shè)置肩梁，肩梁將上部墻體通過板傳來的荷載傳遞于托梁上，且將2根托梁連接為整體。組合柱與托墻梁構(gòu)成新型底框結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部砌體結(jié)構(gòu)，可稱為新型混合框架底框砌體結(jié)構(gòu)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)肩梁施工實(shí)景圖

該新型混合框架底框砌體結(jié)構(gòu)在正常使用標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性較穩(wěn)定。當(dāng)采用新型混合框架底框砌體結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部荷載時(shí)，較原來的磚混砌體結(jié)構(gòu)，其傳力路徑明顯。底部框架梁由托墻梁和肩梁組成，其中托墻梁中部為原結(jié)構(gòu)砌體，兩側(cè)為高強(qiáng)混凝土梁，共同承擔(dān)上部墻、板傳來的荷載，其傳力路徑明確，傳力路徑上結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力能力較原磚砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)，如圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)框架柱、框架梁施工實(shí)景圖

4 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著社會(huì)的加速發(fā)展，原砌體結(jié)構(gòu)空間小、抗震能力弱的缺點(diǎn)已無法滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑大空間使用功能的需求，同時(shí)受國(guó)家政策的限制，此類砌體結(jié)構(gòu)拆除后重建的實(shí)現(xiàn)難度很大、環(huán)境污染、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。該結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，恰到好處地解決了上述問題。

對(duì)于既有砌體結(jié)構(gòu)建筑，如何改造成大空間、如何提升抗震性能的同時(shí)保證其施工過程中的安全是一個(gè)極其困難的問題。從法國(guó)加兒德輸水橋三層拱結(jié)構(gòu)力學(xué)原理聯(lián)想到磚混結(jié)構(gòu)改造底框結(jié)構(gòu)的三次托換，底層大拱類似磚墻基礎(chǔ)開大孔挖樁基的一次托換，中間層拱類似磚墻開槽做框架柱的二次托換，頂層小拱類似磚墻開小孔做框架梁上肩梁的三次托換。

該結(jié)構(gòu)由混凝土夾芯式框架柱及雙托梁組合肩梁組成框架結(jié)構(gòu)。施工過程中，混凝土夾芯式框架柱組成過程為，先拆除混凝土夾芯式框架柱位置縱、橫砌體墻至圈梁底，砌體墻拆除尺寸為混凝土夾芯式框架柱邊至磚夾芯柱邊，拆除后安裝縱筋及箍筋、支模、澆筑混凝土；雙托梁組合肩梁的形成過程為，沿縱、橫墻間隔1米布置肩梁，拆除肩梁位置原砌體墻，拆除尺寸為托梁高×墻體厚×肩梁寬，安裝托梁鋼筋及肩梁鋼筋、支模、樓板開洞澆筑混凝土。由于底層框架砌體結(jié)構(gòu)上部剛度很大，下部剛度較小，容易形成相對(duì)薄弱的底部，抗震不利，因此在底層設(shè)置鋼筋混凝土抗震墻，來增強(qiáng)底層剛度，在二層過渡層，采用高延性混凝土加固砌體墻，增強(qiáng)墻體的韌性、抗裂性能和耐損傷能力。

因此，該結(jié)構(gòu)在加固方式上有了創(chuàng)新，不局限于傳統(tǒng)意義上只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的加固方式，在建筑使用功能及空間上都進(jìn)行改造，更能滿足建設(shè)單位的改造意愿，具有更大的發(fā)展前景。

5 技術(shù)的成熟程度，適用范圍和安全性

5.1 安全性

采用該成果改造砌體結(jié)構(gòu)房屋，由于采用逐層次托換新技術(shù)，無需大開洞、無需臨時(shí)性托換支撐，改造施工過程安全性高，施工方便。改造后形成的底部框架抗震墻砌體結(jié)構(gòu)，上部砌體結(jié)構(gòu)承重墻體、樓面荷載通過肩梁、托梁到框架柱、基礎(chǔ)的傳力途徑。其傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)安全可靠、滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

通過試驗(yàn)已驗(yàn)證該新型混合框架底框砌體結(jié)構(gòu)的安全性，通過現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬的方式進(jìn)行分析，確定了該新型結(jié)構(gòu)在正常使用下的結(jié)構(gòu)安全性。施工過程中的施工工藝、措施、安全性有保證。

5.2 創(chuàng)造性

①在既有建筑縱橫墻交接位置，拆除原砌體結(jié)構(gòu)放大腳基礎(chǔ)，形成拱券改造框架柱、抗震墻基礎(chǔ)；②對(duì)框架柱核心區(qū)范圍內(nèi)原縱橫磚墻進(jìn)行拆除，形成砌體芯柱外包混凝土框架組合柱；③在縱橫墻頂部間隔1米布置肩梁，由肩梁將2根托墻梁連接為整體。

6 應(yīng)用情況及存在的問題

6.1 應(yīng)用情況

隨著城市建設(shè)的發(fā)展更新和業(yè)主對(duì)臨街房屋商業(yè)性使用要求的不斷提高，砌體結(jié)構(gòu)房屋的改造更新需求越來越多。采用該成果改造后，這類建筑就功能而言，底部可提供靈活的布置空間，如百貨公司、商店、餐廳等，上部可設(shè)置住宅、辦公室、賓館。

通過新型混凝土夾芯式框架柱、雙托梁及肩梁復(fù)合梁體組成的底部框架結(jié)構(gòu)體系，將原底層砌體承重墻改變?yōu)榉浅兄靥畛鋲?，從而可按使用功能要求隨意拆除原承重墻體形成大空間。

該成果對(duì)砌體結(jié)構(gòu)房屋的改造改變了傳統(tǒng)做法，采用從基礎(chǔ)、框架柱到框架梁的逐層次托換新技術(shù)，先形成底部框架結(jié)構(gòu)體系，最后拆除原承重墻體，通過工程實(shí)踐證明該成果在技術(shù)上合理、可行、安全性高，對(duì)于類似工程的改造有推廣價(jià)值。能夠改變老舊建筑空間狹小、使用功能受限的缺點(diǎn)，使老舊建筑適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求。由于其具有良好的使用功能，造價(jià)相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，避免此類建筑拆除重建，造成不必要的浪費(fèi)。同時(shí)，從環(huán)保的角度來講，減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，更符合國(guó)家環(huán)保政策的要求。

6.2 存在問題

（1）改造后，此類房屋結(jié)構(gòu)仍屬于底部框架抗震墻砌體結(jié)構(gòu)房屋，由于抗震性能仍相對(duì)較差，底層需要設(shè)置一定數(shù)量的抗震橫墻，在使用空間，層高及總層等方面有一定的限制。

（2）由于改造采用逐層次托換技術(shù)，對(duì)施工要求的專業(yè)化程度高、技術(shù)力量強(qiáng)，無專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍難以完成。

（3）改造施工過程中受施工條件限制機(jī)械化程度低，間歇性大，勞動(dòng)力較密集。