高層建筑結構外邊梁的單側加固技術

蘇州中固建筑科技有限公司 蘇州 215152

0 引言

改革開放30多年以來，我國的建筑業經歷了一段高速發展的時期，現階段我國城市中的一部分建筑結構已相繼步入其合理使用壽命的更年期。現階段主要通過結構補強技術來保證其正常使用時的結構安全性及滿足業主更新其使用功能的要求。其中，在經濟合理、施工方便的原則下，在現行的加固施工方法框架下，選取合適的施工工法及工程材料對加固工程施工的順利進行尤為關鍵。

1 加固原理

相對于低層結構而言，高層結構在地震中更容易被破壞，且倒塌的后果更加嚴重，所以進行加固是為了提高結構的安全度，保證結構在地震作用下具有一定的可靠度。通過加固可以使得結構具有較大的承載力，對外邊梁的加固可以避免出現局部形成薄弱環節而影響整體結構的施工。同時，也可以作為安全儲備來防止因其他部位結構失效而喪失整體結構作用能力[1-2]。

2 結構外邊梁加固的具體方法與問題

現行混凝土結構外邊梁的加固方法主要有：增大截面加固法、外包型鋼加固法、粘鋼加固法、粘貼碳纖維布加固法。

假如采用現行施工方法（增大截面法、外包鋼加固法等）對其結構外邊梁進行加固，在設計與施工過程中發現主要問題有：

1）經濟上不可行。假設本工程采用現行加固施工方法加固混凝土外邊梁，則需要拆除外立面既有結構后才有加固外邊梁的施工作業面，幕墻、保溫層等結構拆除后已無太大再利用價值，在加固施工完成后還需再進行外墻結構的恢復施工。這樣將增加業主的無效費用支出，對業主方來說是難以接受的。

2）施工安全風險較大。按現行加固施工方法施工，外邊梁在加固施工作業過程中，工人需要進行高空臨邊作業，在原外立面幕墻等結構拆除后，既增大了工人作業的危險系數，同時也會危害到建筑周邊的物體和行人，增加施工方的管理成本和施工難度。

3）工期較長。通過前期論證，假如按照現行施工方法拆除原外立面結構后再加固外邊梁，最后再恢復外立面的話，則至少增加2倍的施工工期。

3 案例分析

3.1 工程概況

蘇州澄陽國際科技創業園位于蘇州市相城區澄陽路，由5幢綜合商業樓組成。主要由1#樓、2#樓、3#樓3幢單體組成，1#樓為地下1層、地上20層結構；裙房部分為5層；3#樓為地下1層、地上7層結構；2#樓為地下2層、地上7層結構；1#樓與3#樓地下室部分為一個整體；2#樓地下室為單獨地下室。本次涉及的改造加固內容為部分樓板無損切割開洞、新增結構梁、洞口植筋封板、柱外包鋼加固、板粘貼碳纖維布加固等。

本文從改造加固行業的實際問題出發，對其中涉及結構外邊梁加固的相關問題進行探討。

3.2 結構外邊梁加固實際面臨的問題與解決措施

3.2.1 實際面臨的問題

本工程由于業主對使用功能要求的改變，經過原設計單位驗算結果得知，需進行結構加固處理，其中牽涉到部分結構外邊梁的加固（圖1）。

圖1 需加固的外邊梁及其構造示意

3.2.2 解決措施

通過前期的分析論證，顯然按現行施工方法加固邊梁對于業主和施工方來說都是不利的，現經研究，項目部創造性地提出一個新型加固高層建筑外邊梁的施工方法。該方法不用破壞外立面，通過在原結構梁內側安裝型鋼梁（槽鋼），使其與混凝土梁緊密結合，達到共同受力的目的，從而使原結構梁承載力大幅度提高。經理論計算，混凝土梁與鋼梁同步變形、共同受力[3-4]。

3.3 實際加固施工工藝

3.3.1 施工流程

混凝土邊梁單側表面裂縫處理→放線、驗線→打螺栓孔→邊梁單側基面處理→型鋼梁下料及鉆螺栓孔→型鋼梁除銹→種植錨固螺栓→安裝型鋼梁→上緊化學螺栓→封邊注膠→常溫固化→型鋼防腐處理

3.3.2 主要材料要求

灌注膠必須使用常溫固化的雙組分樹脂型灌漿液，封口采用環氧膠泥。在材料到場后應檢查力學檢測報告、抗沖擊剝離韌性檢測報告、耐老化性能檢測報告、無毒無害性能檢測報告、產品出廠合格證。

在施工之前，必須對化學螺栓作材料力學性能試驗，經試驗合格后，方可現場使用。安裝完成后還需要做拉拔試驗，合格后方可進入下道工序。

采用的型鋼鋼梁通過計算既可以采用現有市場標準規格的槽鋼，也可以自制（需經過試驗合格后方可投入使用）。

3.4 主要施工流程

3.4.1 處理混凝土邊梁的表面裂縫

對于結構邊梁內側面上較細的裂縫，先用鋼絲刷清理裂縫表面的灰塵、浮渣等污物，然后沿裂縫兩側2～3 cm用酒精擦凈。

對于結構邊梁內側面上較寬的裂縫，沿裂縫用風鎬鑿成“V”形槽，槽寬與槽深在有利于封縫的原則下自行確定，鑿完后清理干凈。

3.4.2 放線、驗線

1）依據圖紙要求在結構邊梁內側表面放出型鋼梁位置線及通螺栓鉆孔點位線。

2）由現場復檢員復檢放線無誤后，開始施工。

3.4.3 打螺栓孔

1）現場技術員應對施工人員進行技術交底，然后按照交底內容用電錘進行鉆孔施工，螺栓孔應垂直于結構邊梁側表面。

2）鉆孔施工完成后，現場負責人檢查成孔直徑（鉆孔直徑要比化學螺栓標稱直徑大2 mm）。

塊莖入窖后，在窖溫降低時應在薯堆頂部覆蓋一層干草或舊麻袋片等，使之吸濕，散發水分，固塊莖貯藏期間堆內塊莖呼吸散發的水分常凝結在上層塊莖上，即所謂出汗。加覆蓋物吸濕散發水分，可防止上層塊莖霉爛。

3）用吹風機將混凝土表面浮塵及通螺栓孔洞內的灰塵吹掉。

4）用丙酮擦拭打磨后的混凝土表面及孔洞內部2遍，確保混凝土表面及孔洞內部清潔。

3.4.4 外邊梁單側基面處理

1）清理型鋼結合處的混凝土區域，去除油污等異物，用角磨機打磨混凝土表面，除去混凝土表面的松散組織，保證混凝土結合面堅實。

2）將混凝土表面浮塵處理干凈，并用丙酮擦拭打磨后的混凝土表面，確保混凝土表面清潔。

3.4.5 型鋼梁下料及鉆螺栓孔

1）由技術員及焊工根據圖紙要求及施工現場工作面尺寸下型鋼料。為減少現場下料工作，型鋼梁最好能在加工廠完成斷料。

2）根據邊梁上螺栓孔的分布，在鋼板相應位置用臺鉆鉆孔，嚴禁使用氣割擴孔。

3）假如需焊接型鋼接長，應在型鋼安裝前完成，嚴禁安裝后再進行焊接。

3.4.6 型鋼梁除銹

1）型鋼梁結合面使用前用平砂輪打磨除銹，要求應有金屬光澤。打磨時注意使鋼板的打磨紋路與型鋼受力方向垂直，并保留一些粗糙度。

2）打磨工序完成后用丙酮擦拭至少2遍。

3）由現場負責人檢查，確認合格并報監理驗收后方可進行下一步工序。

3.4.7 種植化學螺栓

1）將化學螺栓的化學藥劑部分放進鉆好的孔內。

2）用沖擊鉆將螺栓打進去，一般8 h后完全凝固。

3）養護。

3.4.8 安裝型鋼梁

安裝時通過在間隙處插入細鋼絲，保證型鋼梁與結構邊梁內側面有2～3 mm的空隙。

3.4.9 上緊錨固螺栓

型鋼梁安裝時，先調整好型鋼位置，使其橫平豎直，然后再上緊錨固螺栓。

3.4.10 封邊注膠

型鋼封邊前，在型鋼梁和結構邊梁結合面兩端及中間每隔1 m插入長10 cm左右的塑料軟管，伸入結合面不超過2 cm。

型鋼梁封邊采用環氧膠泥，封口膠泥應嵌入鋼板內3～5 mm，封口應密實。

本工程采用改性環氧樹脂結構膠，此類材料使用前分為A、B兩個組分，使用前先分開倒入2個干凈的容器中并用工具攪勻，使用時按A∶B=4∶1比例稱量后一起倒入一個干凈的容器中混合攪拌并保證其顏色均勻，一次調配的量應根據實際需用量，不宜調配過多[5-6]。

本工程采用專用壓力罐配以空壓機進行注膠，注膠前安排專人全數檢查封口膠泥是否干透，確保干透無誤后，方可進行注膠。注膠時沿型鋼梁長度方向從左向右開始注入，注膠壓力控制在0.20 MPa左右，當相鄰塑料軟管勻速出漿后，停止加壓，馬上對底部塑料軟管進行封堵，再將注膠管接至相鄰塑料軟管繼續注膠，注膠壓力控制在0.30 MPa，直至頂部塑料軟管勻速溢出膠液后，停止加壓，并將其彎折扎牢。

另外，在進行注膠的同時應不斷用橡皮錘敲擊型鋼梁結合面，一方面可以排出結合面之間的空氣，另一方面工人還可以通過聲音檢查灌膠的密實度。最后一個排氣軟管應在維持注膠壓力的條件下彎折封閉。

3.4.11 常溫固化及質量檢查

1）拌和的建筑結構膠基本固化時間約24 h，隨后即可受力；

2）固化后，先安排專人查看型鋼梁周邊有無漏膠情況，并檢查膠液的色澤。然后用手錘輕輕敲擊鋼板，通過聲響判斷注膠密實程度，如遇不密實區應補鉆注膠孔進行補注。

3.4.12 型鋼防腐處理

型鋼外露部分在涂漆前必須除銹，用丙酮擦去油污，并保持干燥。防銹涂料采用特防三涂，涂刷特防膠前，型鋼必須除銹，呈金屬光澤。用丙酮除去油污，進行嚴格清潔處理后，才可進行涂刷，后涂必須在前涂固化后才能進行。

對于處在特殊環境，型鋼的防腐處理應針對性采用特殊的防腐處理工藝。

4 方案優缺點總結

本新型施工方法相比傳統的結構梁加固方法，創新性地采用了單側加固的方法，在施工簡便、縮短工期、降低造價方面有了突破性的進步，經過后期預算對比，本工程光采用邊梁單側加固技術這一項就為業主節省了160多萬元人民幣。

本新型施工技術雖然具備以上優點，但也有不足，此新型加固技術受制于所使用材料的特性，使用年限僅為30 a。為此，我們正研究如何通過一系列措施延長其使用壽命，如改用高品質的膠水或在鋼結構外面加裝保護層等[7-9]。

5 結語

通過結構補強最大限度地利用既有建筑結構，既能快速、有效地滿足使用者需求，又能較大限度地節約社會資源。從近年來網上加固改造項目的招投標情況來看，社會上加固改造類的項目正逐年增多，因此研究加固改造施工技術極具社會意義和經濟意義。