某多層砌體結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)研究

徐興國(guó)

（蘭州新現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

由于既有建筑建設(shè)年限較早、設(shè)計(jì)水平有限，在受地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害的影響下，很多建筑物已超出其設(shè)計(jì)使用的基本年限，加上各種建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的更新，因此，這些建筑安全系數(shù)也在不斷降低。另外，由于一些建筑功能改變或施工不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，需要?duì)原有建筑進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理設(shè)計(jì)，提升建筑穩(wěn)定性與安全性，保障人們居住健康。砌體結(jié)構(gòu)本身是我國(guó)早期民用建筑、學(xué)校、醫(yī)院、政府辦公樓最常見的結(jié)構(gòu)形式，其中，學(xué)校和醫(yī)院則屬于重點(diǎn)設(shè)防工程內(nèi)容，因此，進(jìn)行建筑的加固設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

1 砌體結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與節(jié)點(diǎn)

目前，砌體加固改造技術(shù)已十分成熟，且加固方式的選擇需要根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的鑒定報(bào)告、結(jié)構(gòu)改造后的平面圖和現(xiàn)有的建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求來實(shí)施。同時(shí)，需要綜合分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑建設(shè)的安全、經(jīng)濟(jì)與耐久性等特征?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)加固方法主要有直接與間接兩種，直接加固方法包括鋼筋網(wǎng)-混凝土面層（水泥砂漿、聚合物砂漿）加固法等；間接加固方法包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)加固體系和增設(shè)支撐設(shè)施等形式。

另外，在施工中需根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的方法和內(nèi)容，使所加固的構(gòu)件能夠與原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，避免一些沒有加固的部分或一些相關(guān)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件基礎(chǔ)受到不良影響。目前，砌體結(jié)構(gòu)加固作業(yè)的難點(diǎn)主要是加固節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如一些墻體交界的位置設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)和拉結(jié)措施、新增的面層和墻體本身設(shè)計(jì)的拉結(jié)措施、上層與下層墻體的連接措施、門窗洞口的拆除與封堵措施、原有窗口洞口的補(bǔ)強(qiáng)措施和基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的連接措施等。做好加固節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與施工，能夠?qū)崿F(xiàn)新舊結(jié)構(gòu)合理的傳力，防止因加固設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響結(jié)構(gòu)二次受力。

2 工程概況

本次改造工程位于A省某市，該多層建筑設(shè)計(jì)于1989年，并于1991年完工。結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu)房屋，原為輕工廠展銷部，現(xiàn)要改造成職業(yè)院校的圖書館。本樓體總面積為377m2，總長(zhǎng)度為16.14m，總寬度為13.74m，建筑檐口的高度為8.2m。其中，設(shè)計(jì)地上兩層：首層高度為4m、二層高度為3.3m。內(nèi)墻的厚度為24cm，采取普通磚體混合砂漿進(jìn)行燒結(jié)制造。結(jié)構(gòu)中以條形基礎(chǔ)建設(shè)墻下結(jié)構(gòu)，利用混凝土空心板制作樓梯的屋蓋。

3 工程加固分析

3.1 加固鑒定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的詳細(xì)分析，按照我國(guó)關(guān)于建筑設(shè)計(jì)所公布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，決定本次主體結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能的鑒定以A類建筑為標(biāo)準(zhǔn)。最終鑒定結(jié)果見表1。

表1 本建筑各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2 抗震受力分析

本工程現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)存在墻體本身承載力不足、抗震措施不符合要求、底層內(nèi)框錯(cuò)層等問題。底層內(nèi)框錯(cuò)層等問題的主要原因是砌體與框架材質(zhì)不同，其產(chǎn)生的受力特征也不同，二者組合后便形成這種錯(cuò)層問題。因此，可結(jié)合該特點(diǎn)來改造內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體和延性，一般會(huì)通過增加混凝土構(gòu)造柱或圈梁的方法來改善整體結(jié)構(gòu)的受力情況。另外，多層砌體本身存在的錯(cuò)層房屋主要是由于傳力路線太過復(fù)雜、整體性較差，影響房屋本身的抗震設(shè)計(jì)。該種類型的房屋會(huì)在水平地震作用下產(chǎn)生復(fù)雜的作用力，也沒有相對(duì)應(yīng)的專用設(shè)計(jì)計(jì)算程序，因此，在房屋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施上會(huì)更加嚴(yán)格。

4 加固方案探究

4.1 PKPM模型建立

基于工程建筑的實(shí)際特征，本工程在建設(shè)期間決定設(shè)計(jì)為30年的使用年限，抗震強(qiáng)度設(shè)計(jì)為7度，改造后的地震加速度為0.15g，建筑加固后由于其使用功能發(fā)生變化，因此，將樓面的活荷載更改為4kN/m2。使用PKPM進(jìn)行加固模塊模型的鑒定和分析，加固前抗力與荷載效應(yīng)的比值分析如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)加固前抗力與荷載效應(yīng)的比值分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，加固前抗力與荷載比值在1以下，表示該結(jié)構(gòu)承載力不足，且根據(jù)圖1-a中的內(nèi)容分析，橫向墻體是該問題主要集中的部位，大約占70%的比例；根據(jù)圖1-b可以明確，約占10%比例的結(jié)構(gòu)中其抗體受壓計(jì)算承載的能力不足，且比值結(jié)果接近于1。所以，本次工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是改造結(jié)構(gòu)的抗震性能和加固方案。

在一般的工程規(guī)范設(shè)計(jì)要求中加固方法較多，建筑加固結(jié)構(gòu)常采用外包型鋼法。而在結(jié)構(gòu)缺少相對(duì)應(yīng)的承載力時(shí)，可采取外加預(yù)應(yīng)力撐桿法，需要增設(shè)對(duì)角預(yù)應(yīng)力鋼撐桿來提升結(jié)構(gòu)承載力，原理是通過鋼撐桿可將原有結(jié)構(gòu)所受到的荷載傳到本基礎(chǔ)上。而粘貼纖維復(fù)合材料的方法主要是應(yīng)用于抗震加固結(jié)構(gòu)和受剪結(jié)構(gòu)。雖然在整體加固過程中鋼筋混凝土板墻是最好的方法，但使用該方法的成本較高，難以大面積推廣。

為了實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)安全性與經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，本次工程按照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行建筑建設(shè)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震性的實(shí)際要求，最終選擇水泥砂漿面層的加固方法來實(shí)施本次工程。由于樓板位置建設(shè)的年限較長(zhǎng)，因此，需要鑿除原有樓板的合層，重新使用60厚與C20強(qiáng)度的細(xì)石混凝土作為本次新樓板疊合層的材料。

4.2 墻體加固

結(jié)合PKPM模型計(jì)算的結(jié)果分析，決定優(yōu)先選擇鋼筋網(wǎng)水泥漿面層雙面加固技術(shù)施工。每一側(cè)的層面厚度設(shè)定為40mm，選擇M15強(qiáng)度的水泥砂漿和直徑8mm的三級(jí)鋼筋，內(nèi)側(cè)為橫向鋼筋，外側(cè)為縱向鋼筋，二者間距為20cm，在此間距內(nèi)以點(diǎn)焊的形式進(jìn)行施工，并制作整體鋼筋網(wǎng)片。為了發(fā)揮柱體的整體協(xié)同作用，需要用S型連接筋將墻體兩側(cè)的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行互拉，二者間隔90cm，以點(diǎn)狀交錯(cuò)的形式分布，連接筋直徑選擇8mm。同時(shí)，為確保墻體上層與下層的整體性，需采用直徑1.2cm、長(zhǎng)度110cm的鋼筋打穿樓板后進(jìn)行焊接處理，將其作為連接筋使用。在此期間，要防止破壞原有混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，使用結(jié)構(gòu)膠封堵打穿的孔洞。選擇鋼筋網(wǎng)延伸進(jìn)入C25的混凝土澆筑墩中來實(shí)現(xiàn)新增面層底部與室外的地面，澆筑墩高度為50cm，端部厚度為15cm，防止基礎(chǔ)位置的鋼筋發(fā)生腐蝕，提升整體墻體的穩(wěn)定性。

4.3 增加構(gòu)造柱和圈梁

結(jié)合本次工程設(shè)計(jì)的勘察報(bào)告顯示，構(gòu)造性的加固措施比較適用，且建筑缺少構(gòu)造柱和圈梁，所以，可用現(xiàn)澆混凝土圈梁進(jìn)行代替，用鋼拉桿加固內(nèi)墻與外墻圈梁，與樓蓋位置相齊，并在T型交界的位置將其閉合連接。然后，用L型錨筋連接原有墻體和圈梁，錨筋的規(guī)格為14@600直徑，植入原墻體內(nèi)部15cm。鋼拉桿用直徑18mm的螺紋鋼代替，兩端連接鋼板，規(guī)格為100mm×100mm×8mm，與新設(shè)鋼筋圈梁形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

利用雙層鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固墻體，使用螺紋鋼來代替配筋的加強(qiáng)帶，根據(jù)工程需要，可增加4根螺紋鋼，直徑為14mm，以上下層貫通的方式施工，采取S型連接將螺紋鋼固定，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固的目的。

4.4 樓板加固

在原來的結(jié)構(gòu)分析中主要采取預(yù)制混凝土空心板來設(shè)計(jì)樓板，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告結(jié)果顯示，原有的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，不能滿足受力構(gòu)件安裝的要求。因此，需要鑿除原有的疊合層底板，重新澆筑C20的細(xì)石混凝土。

4.5 加固結(jié)果分析

在加固設(shè)計(jì)后，抗力與荷載之間的對(duì)比如圖2所示。

圖2 加固后抗力與荷載比值分析

在計(jì)算抗震和受壓力期間，各承載件的承載能力符合有關(guān)規(guī)定，指標(biāo)都在1以上。通過對(duì)配筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固補(bǔ)強(qiáng)法的研究表明：采用加筋混凝土的方法增強(qiáng)了墻體自身的彈性和混凝土的抗剪強(qiáng)度，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。此外，由于混凝土的影響使墻的受壓斷面變大，從而提高了整體的壓力承載能力。而且，在采用鋼筋網(wǎng)狀混凝土?xí)r會(huì)受原墻的強(qiáng)力和灰漿強(qiáng)度的制約，而按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，混凝土的強(qiáng)度不宜低于0.4MPa。

5 加固施工技術(shù)要求

在項(xiàng)目施工之前，應(yīng)選定具備加固資質(zhì)的單位進(jìn)行施工。結(jié)構(gòu)卸壓會(huì)將其恢復(fù)為沒有外部載荷的情況。采用噴水法進(jìn)行鋪裝，在澆筑完畢后要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。在層壓結(jié)構(gòu)的建造過程中，下面必須進(jìn)行牢固支承，直到混凝土的強(qiáng)度不小于75%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

另外，在多層砌體結(jié)構(gòu)的加固過程中，應(yīng)采取有效且可靠的安全措施。具體安全措施主要包括：第一，定期檢查加固施工支撐體系和工作平臺(tái)的牢固性。第二，指派專職人員檢查加固構(gòu)件的變形、裂痕等情況。第三，如果在施工期間發(fā)現(xiàn)某個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)問題，如變形、增大、裂縫數(shù)量增多、裂縫的寬度增大等，必須馬上停止施工，做好工程支頂作業(yè)并及時(shí)發(fā)出書面通知，向安全負(fù)責(zé)人和相關(guān)安全管理部門與單位匯報(bào)，還需向設(shè)計(jì)單位通報(bào)并請(qǐng)他們采取有效措施處理。第四，施工現(xiàn)場(chǎng)不能出現(xiàn)任何煙氣與火源，要結(jié)合實(shí)際需求配備足量的消防器材，如果工程需要?jiǎng)踊鸩僮?，必須先向安全部門申請(qǐng)，待批準(zhǔn)后方可實(shí)施。第五，多層砌體結(jié)構(gòu)的加固方案和設(shè)計(jì)中應(yīng)用的化學(xué)材料應(yīng)密封存放并遠(yuǎn)離火源。第六，如果在施工過程中現(xiàn)場(chǎng)存在影響人員健康的因素，如高分貝噪聲、粉塵、有害氣體、危險(xiǎn)操作等，需采取有效措施的同時(shí)保證施工人員的安全。第七，如果施工過程需動(dòng)用一些化學(xué)漿液，要保障現(xiàn)場(chǎng)有良好的通風(fēng)設(shè)施，防止化學(xué)氣體擴(kuò)散而影響工人的健康。

6 結(jié)語

綜上所述，本文基于實(shí)際案例分析多層砌體結(jié)構(gòu)的加固方案和設(shè)計(jì)內(nèi)容、砌體結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與節(jié)點(diǎn)，對(duì)案例工程開展加固鑒定和抗震受力分析，探究具體加固方案：首先建立PKPM模型，基于該模型分析結(jié)果，優(yōu)先選擇鋼筋網(wǎng)水泥漿面層雙面加固技術(shù)施工，進(jìn)一步加固工程作業(yè)墻體。然后，結(jié)合加固鑒定報(bào)告增加構(gòu)造柱和圈梁，并在原有作業(yè)基礎(chǔ)上對(duì)樓板進(jìn)行加固。最后，對(duì)加固完畢后的抗震受力等進(jìn)行分析。明確利用上述多層砌體結(jié)構(gòu)的加固方案和設(shè)計(jì)，可有效改善原有建筑的缺陷和功能，使用效果良好。