不停航條件下對機場既有建筑的改造加固設計與施工技術

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

0 引言

上海虹橋國際機場T1航站樓建設項目采用“A+B”不停航設計施工策劃方案，即確保在A樓拆除重建期間國際、國內航班均在B樓臨時運行，因此對B樓部分建筑進行改擴建設計和施工。原食堂為2層混凝土-砌體混合結構，建造年代久遠，根據業主要求，將該房屋2層改造成辦票和安檢大廳，作為虹橋機場整體改建時期過渡性用房。因使用功能發生變化，樓面活荷載增大，根據該房屋的鑒定報告，須對此房屋結構進行加固處理。

1 加固設計

1.1 工程地理位置及總體概況

本工程位于上海虹橋機場迎賓一路850號，東側為P2停車場，西側為軌交10號線通道及社會車輛停車場，南側為軌交10號線轉彎通道，北側為候機樓高架。

該樓一共為2層，建筑南北長122 m，東西寬16 m，占地面積1 952 m2，建筑面積3 904 m2。

1.2 結構概況及結構檢測

該樓為2層混凝土-砌體混合結構。一層層高5.40 m，二層層高為4.00 m，女兒墻高度為1.00 m，房屋總高度為10.40 m。基礎形式為柱下獨立基礎。混凝土框架柱尺寸為350 mm×350 mm和300 mm×300 mm不等。框架梁尺寸為200 mm×640 mm和200 mm×380 mm不等。二層承重墻體由加氣混凝土砌塊砌筑，厚度約為240 mm。

經現場檢測，被鑒定房屋左邊大部分區域存在因地基基礎不均勻沉降引起的墻體開裂和變形等損壞，未發現地基基礎有明顯損壞。房屋左邊部分房間墻體粉刷層存在嚴重起皮、風化現象。多處門洞和窗洞角部均發現斜裂縫，局部寬度達到8 mm。房屋左邊部分山墻立柱與原墻體脫開，脫開寬度約為10 mm。部分混凝土板存在露筋、鋼筋銹蝕現象。對受檢房屋結構構件承載力驗算結果如下[1-3]：

1）房屋一層框架柱的配筋、軸壓比不滿足要求；

2）房屋部分梁的梁底、梁頂縱筋不足；

3）房屋柱下獨立基礎承載力不足；

4）房屋樓板部分區域板底和板頂配筋不足。

1.3 加固設計主要內容

1） 基礎的加固處理。原結構基礎形式為柱下獨立基礎，基礎底面尺寸約為1 400 mm×1400 mm，埋深約為1.0 m。本次改建因使用荷載的大幅增加，需對中柱基礎進行加固。由于原基礎為獨立基礎，長寬均較小，現檢測發現原結構已經有不均勻沉降，故決定采用增大截面的方法加固原基礎。基礎加寬的大小根據增加的荷載并根據提高的地基承載力進行計算（圖1）。

2） 新增鋼柱基礎。考慮到新增立柱不影響對業主底樓空間利用的情況下，在梁底新增鋼立柱，并新增鋼柱基礎。

3） 原混凝土柱加固處理。 通過計算發現部分中柱的軸壓比已達到1.39，對原中柱軸壓比不足處采用包鋼法加固。包鋼法加固是通過四周增加型鋼（如角鋼等）和箍板焊接整體，再通過環氧樹脂灌膠，使柱的承載力得到較大幅度的提高 。

圖1 柱基加大節點示意

4） 新增鋼柱。考慮到新增立柱不影響對業主底樓空間利用的情況下，在梁底新增鋼立柱（圖2、圖3）。

圖2 新增鋼柱柱腳示意

圖3 新增鋼柱與梁連接示意

5） 樓板的加固處理。根據檢測報告，原二層樓板配筋為φ6 mm@200 mm，大部分均為單向板。考慮到本工程為臨時使用，為節約投資，二層采用增加樓板疊合層的方法加固樓板。通過計算，增加鋼柱并增加樓板疊合層加固，可以使樓板承載力滿足設備運行的要求，滿足機場候機廳（活荷載標準值為3.50 kN/m2）的要求。

6） 梁的加固處理。二層樓面梁因使用活荷載的增加，配筋不足處采用粘貼碳纖維布進行加固（圖4）。

圖4 二層梁碳纖維布加固示意

7） 屋面梁的加固處理 。二層墻體拆除后，屋面梁截面較小（大部分截面為200 mm×380 mm），剛度不足，需增大截面，采用增加型鋼的方法進行加固（加固計算時已考慮一般性吊頂管道及吊掛荷載，見圖5） 。

8） 底層承重墻的加固處理。底層局部墻體因荷載增加，對墻體采用雙面鋼絲網砂漿的方法進行加固，提高墻體承載力（圖6）。

2 加固施工

根據加固設計方案，需加固施工的內容有[4-7]：底層柱外包鋼、底層局部墻體鋼筋網砂漿加固、底層新增鋼柱及基礎、二層次梁碳纖維加固、二層樓板疊合層加固、屋面層梁外包鋼加固。

圖5 屋面梁型鋼加固節點示意

圖6 墻體加固示節點意

2.1 新增基礎施工技術

根據一層原有結構布置情況，11、12、14、15、19 軸需增加基礎，對原有承重墻體需開洞，部分拆除過程中確保原有混凝土梁的安全是關鍵。

根據新增基礎尺寸及作業面要求，考慮到原有墻體為承重墻，開洞前需安裝臨時鋼梁，再進行新增基礎部位承重墻體拆除，工況如下：

第一步：先在軸線兩側各放出1.50 m邊線及鋼梁安裝位置邊線；

第二步：切割拆除鋼梁安裝位置部分墻體及安裝鋼梁；

第三步：切割拆除鋼梁安裝位置剩余部分墻體、安裝鋼梁、鋼梁對接焊接成整體；

第四步：切割拆除墻體；

第五步：基礎施工、回填、臨時槽鋼支撐安裝、切割鋼梁（確保鋼柱安裝位置）；

第六步：鋼柱安裝，拆除臨時鋼梁及鋼支撐，恢復墻體。修補墻體時，新砌墻體應設置拉結筋，一端與原有墻體種植2φ8 mm@500 mm，另一端與鋼柱焊接，砌筑完畢后兩側均粉刷厚20 mm 水泥砂漿及內墻涂料。

2.2 柱外包型鋼施工技術

本工程E/10、E/11、E/12、E/14、E/15、E/19處共6根混凝土柱需進行柱外包鋼。柱四角設置110 mm×10 mm角鋼，3 mm×100 mm@300 mm及3 mm×100 mm@150 mm箍板與角鋼焊接。

2.2.1 墻體拆除

10/F軸原有混凝土柱需包鋼加固，柱加固部位承重墻體拆除，工況如下：

第一步：先在軸線兩側各放出1.50 m邊線；

第二步：切割拆除墻體；

第三步：混凝土柱包鋼加固；

第四步：恢復墻體。修補墻體時，新砌墻體設置拉結筋，一端與原有墻體種植2φ8 mm@500 mm，另一端與混凝土柱植筋連接，砌筑完畢后兩側均粉刷厚20 mm水泥砂漿及內墻涂料。

2.2.2 包鋼施工

1）所有外包加固鋼板材質均為Q235B，場外定型加工，現場拼裝。安裝時將結構面清理干凈，混凝土表面打磨掉浮層，直至完全露出堅實新結構面，混凝土表層出現剝落、空鼓、腐蝕等劣化現象的部位予以剔除，用指定材料修補，裂縫部位需先進行封閉處理。

2）柱外包角鋼時，在焊接箍形綴板前，用夾具夾緊角鋼，然后分段焊接箍板，使角鋼與混凝土柱的陽角間隙度成最小狀態，確保角鋼外包質量。

3）鋼材均采用貼角焊縫（滿焊），焊縫高度6 mm。

4）加固時必須嚴格控制箍板間距，柱底、柱頂、梁底、梁端應嚴格按設計圖紙要求進行箍板加密。

2.3 化學錨栓施工技術

屋面梁加固槽鋼采用M16對穿化學螺栓固定，一層新增鋼柱頂部采用M24化學螺栓與混凝土梁連接。施工要求如下：

1） 機械鉆孔，孔型垂直度符合設計要求；錨孔要避讓構件的主鋼筋；作廢的錨孔，用化學錨栓黏合劑或高強度的環氧樹脂砂漿填實。

2）清刷孔壁是關系到化學錨筋能否牢靠的關鍵工序，可采用吹風機從孔內向外吹出粉塵，然后再用清孔刷刷理干凈，并用丙酮清洗。

3）將黏合劑注入孔內時，應掌握由孔底至孔口逐漸退行的順序。插入錨栓后，應不停轉動錨栓，邊轉邊插，直至插到孔底并見黏合劑部分溢出為止。

4）靜置固化時間按黏合劑終凝時間確定。當前夏季作業時黏合劑的初凝和終凝時間為5 min和15 min。在黏合劑終凝前，不得碰動錨栓，并在其周邊采取防止被水沖灌的措施。

2.4 梁碳纖維加固施工技術

一層屋面次梁采用碳纖維布進行加固，梁底通長粘貼2層碳纖維布（同梁寬），碳纖維U形箍寬200 mm@300 mm單層設置， 通長壓條采用寬150 mm的碳纖維布。加固施工流程如下：

1）在碳纖維加固施工前，應盡可能地卸去部分荷載，使碳纖維布粘貼施工時結構或構件承受的荷載作用減小到最小程度。

2）基底處理：必須清理待加固構件表面的剝落、疏松、腐蝕等劣化混凝土，除去浮漿、油污等雜質，直至露出結構層新面，磨去面上凸出5 mm以上的毛刺。表面層打磨后清除干凈并保持干燥，平整度要求不超過5 mm/m。并用脫脂棉蘸丙酮擦拭混凝土表面。裂縫部分如有必要應先進行封閉或灌漿處理。用混凝土角磨機、砂紙等工具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝上要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥10 mm）。用吹風機將混凝上表面清理干凈并保持干燥。

3）涂底膠（按選用產品的要求進行底涂）：按主劑、固化劑比例要求將主劑與固化劑先后置于容器中，電動攪拌器均勻攪拌，根據環境溫度決定用量并嚴格控制使用時間，一般情況下需在1 h內用完。用滾筒刷均勻涂抹于混凝上表面，等膠固化后（以指觸干燥為準），再進行下一步施工。一般情況下固化時間為2～3 d。

4）用整平材料找平：混凝土表面凹陷部位要用FE膠填平，盡量減少高度差。轉角的處理也應用FE膠將其修補為光滑的圓弧。

5）粘貼碳纖維布：按設計要求的尺寸及層數裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度一般應在3 m之內。調配粘貼材料黏結膠，然后均勻涂抹于所要粘貼的部位，搭接混凝土拐角等部位要多涂抹一些。粘貼碳纖維布，在確定所貼部位無誤后剝去離析紙，用特制的滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應重復上述步驟，待纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹黏結膠。碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100 mm。碳纖維布端部用粘貼橫向碳纖維布或粘鋼固定。

6）保護：加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

2.5 鋼結構（柱）安裝施工技術

在11、12、14、15 軸處均增設2根鋼柱，鋼柱的規格為250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，合計10根，單根長度約5 m，單根質量約360 kg。鋼柱上下端均采用螺栓連接，因安裝空間限制，鋼柱分段制作、安裝，先安裝下段，再安裝上段（上段長度控制在500 mm左右）。鋼結構安裝要求：

1）鋼構件進場以安裝先后順序進行擺放，復測其單件幾何尺寸后應嚴格控制其長度、拱度、側向彎曲等，吊裝前應進行適當的加固，吊裝位置需采取防護措施防止吊點變形和油漆脫落。

2）采用單點斜吊方法吊裝。就位后必須按照設計要求固定后方可脫鉤。

3）鋼柱就位后，對錨板與混凝土面縫隙的部位采用環氧樹脂填密處理。

4）鋼結構安裝好后，檢查所有現場安裝焊縫，現場安裝焊縫不得有漏焊現象。

2.6 墻體加固施工技術

17 軸、18 軸墻體兩側采用φ6 mm@300 mm鋼筋網外粉刷厚40 mm水泥砂漿進行加固，鋼絲網與墻體采用φ6 mm@600 mm拉結筋固定。 施工方法如下：

1）原墻面鑿除粉刷層并清洗，如原墻面堿蝕嚴重時，應清除疏松部分，并用1∶2水泥砂漿修補，修補部分表面與原墻面平齊并進行拉毛處理。

2）根據設計要求，錨桿拉結筋處鉆孔，間距不大于600 mm，呈梅花狀交錯，錨桿拉結筋采用φ6 mm鋼筋，待穿孔后兩端成彎，以利于與鋼筋網片綁扎連接。

3）安裝鋼筋網片時根據網片的規格及本身墻體面積錯位施工，按照設計加固厚度，鋼筋網片設置在20 mm保護層內為宜，并與錨桿拉結筋綁扎牢固。

4）根據墻面加固層的厚度，水泥砂漿分層施工，分層按水泥砂漿初凝時間為宜，如時間較長時，應噴水除塵，刷水泥漿，防止隔層，影響施工質量。

2.7 樓板疊合層施工技術

新增疊合層樓板厚度為60 mm，采用單層φ10 mm@150 mm雙向鋼筋，新增鋼筋與原有混凝土樓板采用間隔500 mm×500 mm的φ10 mm鋼筋頭連接，鋼筋頭植入原樓板深50 mm處。樓梯間用現澆鋼筋混凝土樓板封掉，板厚80 mm，板面配φ10 mm@150 mm雙向鋼筋，板底配φ10 mm@200 mm雙向鋼筋，結構完成面同疊合層完成面板面標高（鋼筋植入原混凝土梁深15d）。主梁頂附加鋼筋4φ20 mm（兩端植入原柱深度15d)，次梁頂附加鋼筋2φ20 mm，主梁附加箍筋φ10 mm@150 mm（植入原柱深度10d）。施工要點為：

1）施工前提條件：二層墻體、樓面裝飾面層拆除。

2）因本工程工期緊張，墻體拆除、屋面梁加固、樓面施工需交叉作業。樓面施工分2次進行，具體劃分為區域1及區域2，先施工區域1，再施工區域2（圖7）。

圖7 新增疊合層樓板加固平面示意

2.8 屋面梁外包型鋼施工技術

10 至 20 軸共12根混凝土柱采用外包36c#槽鋼進行加固，兩側槽鋼采用對穿M16化學螺栓固定，槽鋼底部采用厚8 mm鋼板焊接連接，鋼板與原有混凝土之間空隙澆筑C40灌漿料。

1）所有外包加固鋼板材質均為Q235B，場外定型加工，現場拼裝。安裝時將結構面清理干凈，混凝土表面打磨掉浮層，直至完全露出堅實新結構面，混凝土表層出現剝落、空鼓、腐蝕等劣化現象的部位應予以剔除，用指定材料修補，裂縫部位應先進行封閉處理。

2）鋼材均采用貼角焊縫（滿焊），焊縫高度6 mm。

3）安裝槽鋼前，在混凝土梁兩端鑿除部分混凝土（梁底上部100 mm左右），槽鋼安裝時在其相應位置開設灌漿孔，待灌漿完畢后修復焊接。

4）灌漿施工：從一側灌入，直至另一側溢出為止，使灌漿充實，不得從四側同時進行灌漿；灌漿開始后，必須連續進行，不能間斷，并應盡可能縮短灌漿時間；在灌漿過程中不宜振搗，必要時可用竹板條等進行拉動導流；每次灌漿層厚度不宜超過100 mm；灌漿過程中如發現表面有泌水現象，可布撒少量EGM干料，吸干水分；灌漿完畢后，要剔除的部分應在灌漿層終凝前進行處理；在灌漿施工過程中直至脫模前，應避免灌漿層受到振動和碰撞，以免損壞未結硬的灌漿層。

3 結語

本工程因使用功能改變對安全要求高，原建筑陳舊、結構受力差，業主要求加固成本低、質量高，加固設計須考慮各因素，通過受力分析和計算，對基礎、柱、梁、樓板、承重墻等受力結構采取增加受力構件、外包型鋼、碳纖維、疊合梁加固等綜合措施，集成運用以達到安全可靠的加固目的。其中碳纖維加固雖然成本有所增加，但施工時對周邊的環境影響小、對原結構的破壞低、加固強度高，值得優先選擇。

本工程加固施工過程中，對總體部署、原材料、工藝流程、操作要點的控制和管理是確保工程質量、安全、進度的關鍵。現場加固過程中發現實際受力體系與設計時依據的排摸數據和資料有很大差異，通過及時反饋信息，重新進行設計計算，調整相應的加固方案，確保了整個承重體系的安全，體現了設計、施工密切配合一體化組合管理的有效性。