既有砌體結(jié)構(gòu)建筑安全性檢測及加固設(shè)計

劉 偉

（山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟南 250107）

砌體結(jié)構(gòu)因為其本身特點與優(yōu)勢，使得在20世紀建造的建筑物部分仍然在使用。但因為技術(shù)限制，所以導(dǎo)致建筑物整體結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)要求以及線性標準，在砌體結(jié)構(gòu)使用過程中存在較大的安全隱患。以某吉林省某大學(xué)為例，通過檢測該教學(xué)樓，深入分析與研究產(chǎn)生出現(xiàn)的主要原因，并提出針對有效加固設(shè)計方案，確保建筑在使用年限內(nèi)正常使用。

1 對既有砌體結(jié)構(gòu)建筑物進行安全檢測以及加固設(shè)計必要性

砌體結(jié)構(gòu)因其價格較為低廉、來源方便、施工較為便捷等特點，被廣泛應(yīng)用到建筑領(lǐng)域中，并且無需任何特殊設(shè)備即可完成日常使用，冬季無需采取任何保暖設(shè)施，節(jié)能效果較為明顯，并且有效降低施工成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。在建筑領(lǐng)域快速發(fā)展過程中，混凝土材料的不斷優(yōu)化以及改進，在性能方面已經(jīng)明顯高于砌體結(jié)構(gòu)，并且砌體結(jié)構(gòu)因為其本身材料限制，使得其截面尺寸過大、強度較低等劣勢逐漸凸顯出來。大部分砌體結(jié)構(gòu)在施工過程中，都是采用人工方式進行，工作效率較低，逐漸被多類型建筑結(jié)構(gòu)取代。同時，在砌體結(jié)構(gòu)中，其物理性能不足，導(dǎo)致近年來安全問題不斷增加，不利于我國現(xiàn)代化建筑行業(yè)發(fā)展。因此，需加強對既有砌體結(jié)構(gòu)進行安全檢測，并針對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及缺陷產(chǎn)生原因，融入設(shè)計理念，提出加固設(shè)計方案，不斷提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。在加固設(shè)計中，需要考慮結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度、抗震能力、符合規(guī)范和環(huán)境因素等多個方面，以確保安全性和穩(wěn)定性。加固后的結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受各種預(yù)期的負載，并符合相關(guān)的建筑設(shè)計規(guī)范和標準。

2 工程概況

本次砌體設(shè)計改造主要以吉林省某大學(xué)為例，其由吉林省設(shè)計院設(shè)計，始建于1968年，至今為止已使用50余年。主樓整體分為三部分，東側(cè)4層、中部6層、右側(cè)5層，其中東西兩側(cè)為內(nèi)框架磚混結(jié)構(gòu)。建筑總面積24 125 m2，總使用面積13 562 m2。屋頂結(jié)構(gòu)為預(yù)制槽型板與現(xiàn)澆混凝土板結(jié)合，主要承重形式為內(nèi)框架柱和縱橫墻結(jié)構(gòu)，部分教室設(shè)置有混凝土圈梁。

該教學(xué)樓基礎(chǔ)為毛石條基礎(chǔ)，屬于2類場地。通過對該教學(xué)樓原有設(shè)計圖紙分析，目前該教學(xué)已經(jīng)超出實際使用年限，但是仍在繼續(xù)使用。為確保學(xué)生安全，需對教學(xué)樓、行政樓以及部分階梯教室進行基礎(chǔ)加固升級改造。當前結(jié)構(gòu)的抗震性能和能否安全使用需嚴格按照相關(guān)規(guī)定進行檢測，以便獲得最為精準的鑒定。

針對該大樓既有結(jié)構(gòu)評估其整體抗震性能，為能更好把握該結(jié)構(gòu)抗震性能，需確定在地震危害下，結(jié)構(gòu)的性能水平，據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，可將既有砌體結(jié)構(gòu)性能水平分為以下5類，分別為充分運行、基本運行、接近倒塌、生命安全以及倒塌等，如下表1所示，為結(jié)構(gòu)性能與破壞分析表。

表1 結(jié)構(gòu)性能與破壞分析表

定性結(jié)構(gòu)性能水平作為評估既有砌體結(jié)構(gòu)整體抗震性能的基礎(chǔ)，還需量化相關(guān)參數(shù)，目前較為常用結(jié)構(gòu)性能指標主要有：位移指標、與能量相關(guān)的參量、與結(jié)構(gòu)延性有關(guān)的參量、能量與位移雙控指標以及力指標構(gòu)成。

通過分析遭受地震破壞的某處砌體結(jié)構(gòu)，計算遭受不同程度地震破壞實際指標，并給出具有較高實用性的相關(guān)數(shù)據(jù)，如下表2所示，為破壞程度與指標之間關(guān)系。

表2 破壞程度與指標之間關(guān)系分析表

通過對教學(xué)樓主樓砌體結(jié)構(gòu)進行深入分析研究，發(fā)現(xiàn)在未采取抗震加固措施時，在小、中震作用下，主體結(jié)構(gòu)會遭受不同程度的破壞，并且會喪失其基本結(jié)構(gòu)。而主樓砌體結(jié)構(gòu)在重力作用下，因無法承重所以遭到毀滅性破壞，進而出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，無法保證主樓內(nèi)部人員生命安全。

3 工程背景

以吉林省某大學(xué)主樓為例，對既有砌體結(jié)構(gòu)進行升級改造與設(shè)計。學(xué)校經(jīng)過多年的發(fā)展以及招生規(guī)模達到持續(xù)擴大，當前主樓使用面積與功能，已無法滿足后續(xù)發(fā)展與教學(xué)需求?；诖?，對其進行改造。在本次加固設(shè)計改造過程中，需基于既有防腐基礎(chǔ)加固基礎(chǔ)上，相應(yīng)增加鋼筋混凝土框架，層高為3.7 m，柱間距離為8～9 m，共5榀。針對主樓實際情況，現(xiàn)鋼筋混凝土框架跨度為14.7 m，首層高度為20.8 m，建筑物總體高度為35.5 m。在加固改造階段，因結(jié)構(gòu)跨度較大，所以針對橫梁來說，應(yīng)采取預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。

如下表3所示，為主樓結(jié)構(gòu)外層框架部分梁柱參數(shù)分析表，其中，外層框架底層柱與其他層柱分別用A1、A2表示；外層框架底層橫梁、其他橫梁以及縱梁用B1、B2、B3表示。

表3 外層框架梁、柱數(shù)據(jù)參數(shù)分析表

3.1 現(xiàn)場情況

通過對現(xiàn)場進行分析檢測，主樓結(jié)構(gòu)部分層位砌體強度以及砂漿強度不滿足當前要求。對主樓部分層級，對T層及1層升級改造，只是原建筑物主體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀主體存在較大區(qū)別，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)損傷情況見表4。

表4 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)損傷

在對主樓部分樓層進行升級改造時，發(fā)現(xiàn)1，2層墻體遭受到嚴重破壞，同時因原結(jié)構(gòu)是1968年設(shè)計完畢，已無法滿足當前需求。墻體交接處，均設(shè)置有相應(yīng)規(guī)格的構(gòu)造柱，并且每層均有圈梁，因此在長時間使用過程中，辦公室/活動室未發(fā)生明顯的質(zhì)量問題。

3.2 結(jié)構(gòu)加固改造與設(shè)計

主樓進行結(jié)構(gòu)加固改造與設(shè)計前準備階段，主要分為基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)兩部分的加固改造設(shè)計工程。

驗算基礎(chǔ)加固與設(shè)計。主樓部分地段土質(zhì)較差，地表層主要為以建筑垃圾為主的雜填土。在設(shè)計前準備階段對其進行地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)雜填土厚度為1.4～4.2 m。而在雜填土下方，主要為細砂層、素填土層以及粉砂層。如下圖1所示，為被拆除橫墻位置及結(jié)構(gòu)平面圖。

圖1 被拆除橫墻位置及結(jié)構(gòu)平面圖

（1）驗算基礎(chǔ)承載力。主樓部分結(jié)構(gòu)為三七灰土墊層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。寬度為8 101 520 cm。本次驗算主要以20 cm寬為例，根據(jù)組合荷載效應(yīng)標準要求，地面平均壓力需≤200 kPa，而現(xiàn)狀主樓結(jié)構(gòu)經(jīng)驗算分析后，其地面平均壓力為240.5 kPa，不符合標準要求。因此，需調(diào)整現(xiàn)狀主樓部分結(jié)構(gòu)，直至符合標準要求。

（2）基礎(chǔ)加固。學(xué)校人員較為密集，因此在進行基礎(chǔ)加固作業(yè)時，可能存在著一些問題，如學(xué)校來往學(xué)生、教師較多，材料運輸起來較為困難，并且房屋的東、南方向與其他建筑物連接；堆放建筑材料場地相對較小，場地條件不允許大規(guī)模開挖作業(yè)。根據(jù)基礎(chǔ)驗算結(jié)果與實際情況，加固方案設(shè)計需綜合考量設(shè)防烈度、施工難易程度以及綜合造價等因素。加固方案具體如下：

在加固作業(yè)期間，可適當拆除首層地面，并在距離地面-0.4 m位置處的墻體上，開鑿出2.5 cm×5 cm洞口，洞口水平間距為20 cm。同時在與洞口等高處，制作相應(yīng)數(shù)量的5 cm厚度的筏板，并將其穿過已開鑿的預(yù)留洞。隨后，于洞口位置澆筑混凝土，以此形成銷鍵，實現(xiàn)筏板與墻體的穩(wěn)定連接。此過程中，需確保室內(nèi)地面結(jié)構(gòu)、筏板、銷鍵處于同一高程。

為進一步加固主樓結(jié)構(gòu)，需以筏板、墻體連接點為起點，于兩側(cè)布置外延暗梁，并澆筑混凝土，促使梁、中鍵筏板形成完整整體。此加固方案的優(yōu)點在于，能夠減少室外環(huán)境下作業(yè)，同時以筏板作為首層地面，均攤現(xiàn)狀地面平均壓力。但實踐中，發(fā)現(xiàn)筏板埋深較淺，為強化加固方案，需對地基部分進行二次加固，置換部分填土，從而導(dǎo)致施工開挖量增加，運輸起來較為困難。

此外還可采用條形基礎(chǔ)方案進行加固作業(yè)。與筏板基礎(chǔ)加固相似，也是在距離地面的-1 m埋深墻體兩側(cè)，做條形基礎(chǔ)。在與銷鍵等高位置沿內(nèi)墻兩側(cè)做混凝土圈梁，外墻圈梁僅在室內(nèi)一側(cè)布置。使用混凝土將圈梁、銷鍵以及條形基礎(chǔ)整合成一體。

4 結(jié)語

綜上所述，以吉林省某大學(xué)主樓砌體結(jié)構(gòu)為例，分析評估既有砌體結(jié)構(gòu)抗震評估、加固改造與設(shè)計?；谀芰颗c變形雙重破壞指標，評估結(jié)構(gòu)整體抗震性，并在分析結(jié)構(gòu)加固改造與設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，對其進行加固改造，滿足相關(guān)設(shè)計改造要求。主樓部分樓層加固近半年，未見到明顯裂縫，并且對其進行檢測，發(fā)現(xiàn)符合既定要求。因此上述多種加固方案具有加固量較小、使用較為方便快捷等特點，有助于解決既有砌體結(jié)構(gòu)可能存在的安全隱患。