某水電站磚混結構承重墻托換的抗震加固技術及應用

廖明進，袁從華(.中科院水利部成都山地災害與環境研究所，成都 6004；.武漢科技大學理學院，武漢 430065)

0 引 言

在我國發展過程中，建設年代較早的老舊建筑物多為磚混結構。隨著社會經濟和文化的發展，人們對這類建筑使用空間、功能等方面提出新的要求，因此如何維修、加固、改造這些建筑是一個普遍問題。在這類結構改造加固過程中幾乎都涉及承重墻體的拆除，即原墻體承受的荷載將由托換梁承擔，進而傳遞到豎向承重構件和基礎。以某水電站辦公樓工程改造為例介紹承重墻托換技術及砌體抗震加固方法，并依據磚混結構托換的受力和構造特點分別研討夾板梁、夾墻柱以及基礎的加固改造方法和施工關鍵技術。磚混結構承重墻的拆除改造技術在工程實踐中雖不鮮見，但此結構因局部構件的二次加固處理給設計帶來一定難度，為保障結構安全，滿足加固使用要求，設計方案因地制宜地提出格構式外包鋼方法較好地處理了這一技術難題。

1 建筑物工程概況

湖北省某水電站辦公大樓，始建于20世紀70年代末。建筑面積約為2 400 m2，6層磚混結構，預制空心樓板，單面懸挑走道，條形基礎；縱、橫向承重墻均為240 mm厚黏土磚，層高3.60 m；無地質勘察報告及施工資料。根據《建筑抗震規范》(GB50011-2010)[1]，所在地區的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震分組為第1組，場地類別為Ⅱ類。原建筑平面布置參見圖1。原建筑結構平面布置規整，擬拆除第1層軸線⑨上A-B間、B軸上9-10間2段墻體，以及第5層軸線③、⑤、⑦、⑨上A至D段墻體，具體部位如圖1所示。

2 結構整體鑒定分析[2]

該磚混結構超過40 a，其間局部結構經過多次改造，結構受力體系有所改變。經現場勘察，發現存在以下質量問題和安全隱患。

(1)建筑材料老化嚴重，墻磚回彈指標均低于MU10，砌筑砂漿老化剝離，強度過低，達不到規范M10的最低要求。

(2)結構未設置圈梁，樓梯間的四角未按現行抗震規范要求設置鋼筋混凝土構造柱。

(3)在縱、橫磚墻相交處，由于沉降不均，剪切作用造成豎向貫穿裂縫，內外墻連接性能差。

(4)部分門窗角上墻體出現斜裂縫，預制板間、板在支座處均出現大量裂縫，部分承重墻體出現剪切裂縫，局部有貫通，裂縫寬度普遍為0.2～0.3 mm。

3 改造、加固方案[3-5]

根據業主對內部結構局部拆除重建的要求，綜合考慮結構空間需求和建造成本，決定對擬拆除承重墻進行鋼框架式托換，對其他結構墻體作保護性修繕，并針對結構薄弱部位加強結構抗震措施。具體改造方案包括以下4方面。

(1)托換梁設計按剛架模型計算，計算簡圖見圖2。需指出的是，原結構5層⑨軸所在位置有過加固歷史，當時加固處理設置了一根截面較大的反梁，此次同樣部位面臨二次改造，新舊結構的結合是托換梁設計的關鍵。

圖1 建筑平面布置Fig.1 Building plan

(2)承重墻拆除后，原承重墻線荷載變為托換后的集中荷載由柱傳向基礎，考慮到磚混結構對沉降變形的敏感性，拆墻時在軸線相交處預留磚垛，并設計為包鋼形式的組合柱兼做構造柱。結構構造柱布置見圖1黑色方框所示。另外，組合柱截面剛度較大，可盡量減小由于拆墻而引起的樓層側移剛度的降低，避免由于上下樓層剛度相差過大而使改造層成為薄弱層，并可解決僅加固圈梁帶來的梁下部墻體的局壓以及墻體穩定性等問題。

(3)由于建造年代較早，原設計沒有進行抗震設防，構造柱和圈梁均無設置，結構整體剛度較差。抗震加固方案采用鋼筋網水泥砂漿法加固底層墻體，并在各樓層增設構造柱、圈梁。

(4)考慮到改造后建筑物使用功能改變，樓面活載標準值由2 kN/m2增加到3.5 kN/m2，但承重墻拆除后樓面線荷載減小，總的荷載并未增大，可利用原墻下條基，增設或加強基礎梁，將其改為柱下條基形式。

4 改造、加固方案設計與施工關鍵技術

此結構加固改造的關鍵是承重墻托換方案，托換設計相當于使用一個門式內框架來取代原承重墻，這一托換體系包括托換梁的設計、豎向承重構件的加固設計以及基礎的加固處理等。因原結構大梁局部進行過加固改造，因此針對新的改造要求需將此大梁進行二次加固處理。結合空間布置和大梁承載性能要求，提出了采用格構式外包鋼方法的二次加固方案，具體如下。

4.1 托換結構的設計

(1)力學模型[6]。待拆除墻體均為承重墻，托換體系應承擔上部荷載并嚴格控制結構剛度，盡可能減小原結構因托換而發生的二次變形。依據結構力學原理，針對圖1結構平面布置軸線③、⑤、⑦、⑨所在部位，建立平面的6層剛架力學模型，分析剛架荷載及內力，從而明確托換結構中托換梁、托換柱的設計參數，再根據鋼結構梁、柱設計原理，分別考慮托換梁、柱強度和剛度計算。其中，不考慮因托換梁、柱內磚墻對提高抗彎、抗剪強度的有利因素，設計偏于安全。軸線①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩剛架的計算模型見圖2。圖2中Qi為各層墻體自重及樓面荷載的最不利組合。

圖2 平面剛架力學模型Fig.2 Mechanics model of plane frames

(2)托換梁設計[7]。托換梁參照鋼結構受彎構件進行計算，梁上墻體按砌體結構墻梁設計。具體計算可按照《鋼結構設計規范》(GB2003)和《砌體結構設計規范》(GB2001)的要求進行。內容包括托梁的正截面承載力計算、托梁的斜截面承載力計算、托梁上部墻體的受剪承載力和抗彎強度驗算、托換梁的端部局部受壓承載力計算等，另外還需進行撓度值的驗算。

原結構平面圖1軸線⑨上第5層部位因先前加固設計了一根混凝土反梁，在對此梁進行二次加固設計時，除了滿足托換梁強度、剛度要求外，新舊梁體能否牢固結合連為一體是關鍵。原反梁為變截面梁，將鋼板黏貼于原梁底面后，采用格構式鋼梁按梁高補齊托換梁右側部位，最后依據梁強度和剛度要求布置托換梁側面和底面鋼板。這一加固方案設計新穎、施工簡便，解決了變截面梁加固的難題。具體加固設計見圖3、圖4。

圖3 反梁二次加固側面圖Fig.3 The profile of the second-reinforced anti-beam

圖4 反梁二次加固剖面圖Fig.4 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

(3)豎向承重構件的加固設計[8]。托換梁承受的荷載要通過豎向承重構件傳遞給基礎，因此必須對原結構擬拆除承重墻端部進行加固改造，處理方法一般采用包鋼方式加固保留磚垛。此外，原則上應盡量保留原磚混結構構造柱、磚柱等豎向承重構件，進行增大截面或包鋼的加固處理，盡量減小對原結構的損傷。

采用包鋼設計的磚混結構組合柱，其承載力可參照受壓、受彎構件的基本原則計算，一般可將新舊部分作為一個整體對待，但是考慮到應變滯后、共同工作等方面的因素，需對新增鋼框架結構和原結構材料強度進行折減[9]。以軸線①、③與A軸交點處墻體改造為例，夾墻柱設計見圖5。

圖5 軸線①、③與A軸匯交處夾墻柱大樣Fig.5 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

4.2 抗震加固措施

《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第7章7.1.8 、7.1.9條底部框架-抗震墻砌體房屋的結構布置，應符合下列要求。

(1)上部的砌體墻體與底部的框架梁或抗震墻，除樓梯間附近的個別墻段外均應對齊。

(2)房屋的底部應沿縱橫2方向設置一定數量的抗震墻，并應均勻對稱布置。6度且總層數不超過4層的底層框架-抗震墻砌體房屋，應允許采用嵌砌于框架之間的約束普通磚砌體或小砌塊砌體的砌體抗震墻，但應計入砌體墻對框架的附加軸力和附加剪力并進行底層的抗震驗算，且同一方向不應同時采用鋼筋混凝土抗震墻和約束砌體抗震墻；其余情況，8度時應采用鋼筋混凝土抗震墻，6、7度時應采用鋼筋混凝土抗震墻或配筋小砌塊砌體抗震墻。

(3)底層框架-抗震墻砌體房屋的縱橫2個方向，第2層計入構造柱影響的側向剛度與底層側向剛度的比值，6、7度時不應大于2.5，8度時不應大于2.0，且均不應小于1.0。

(4)底部2層框架，抗震墻砌體房屋縱橫2個方向，底層與底部第2層側向剛度應接近，第3層計入構造柱影響的側向剛度與底部第2層側向剛度的比值，6、7度時不應大于2.0，8度時不應大于1.5，且均不應小于1.0。

(5)底部框架-抗震墻砌體房屋的抗震墻應設置條形基礎、筏形基礎等整體性好的基礎。

(6)底部框裂抗震墻砌體房屋的鋼筋混凝土結構部分，除應符合本章規定外，尚應符合本規范第6章的有關要求；此時，底部混凝土框架的抗震等級，6、7、8度應分別按3、2、1級采用，混凝土墻體的抗震等級，6、7、8度應分別按3、3、2級采用。

為滿足抗震設計要求，結合本工程實例，加固設計方案中采取了新增構造柱、圈梁、墻體加固以及改造基礎的技術措施，具體如下。

4.2.1新增鋼筋混凝土構造柱、圈梁補強結構[4]

磚混結構的有效抗震加固措施主要采用增設鋼筋混凝土構造柱，與原鋼筋混凝土圈梁、新增鋼筋混凝土圈梁或新增拉桿形成空間抗倒塌體系。構造柱、圈梁除作為約束構件外，既提高了砌體的延性，又加強了結構的整體性，也可視為第2道抗震防線。抗震規范對于磚混結構強調加強結構的抗震措施，其中第7.3.1條和第7.3.3條作為強制性條文，對構造柱和圈梁的設置，有非常詳細的規定。

具體而言，新增鋼筋混凝土構造柱加固法[5]是指按照抗震倒塌設計原則，在砌體墻交接處(如房屋四角、樓梯間和不規則平面的轉角處)增設豎向鋼筋混凝土柱，其截面可為正方形、長方形或L 形，其設計原則如下。

(1)應與原構造柱、圈梁體系統一考慮，形成封閉整體，應特別注意盡量使構造柱、圈梁(或拉桿) 和基礎聯合布置, 保持抗震受力的完整性。

(2)對原構造柱、圈梁未損壞的房屋，可按照高烈度和局部損壞情況適當增設，對局部損壞的宜考慮補設。

(3)外加柱與原有柱在平面內宜對稱布置，外加構造柱設置的位置, 應在房屋四角、樓梯間和不規則平面的轉角等應力集中的部位，應由底層設起，并沿房屋高度貫通，不得錯位。

(4)當砌體結構設置外加構造柱時, 宜在樓層1/ 3 和2/ 3 層高處同時設置拉結鋼筋和銷鍵(俗稱馬牙搓), 加強與原墻體的連接, 銷鍵的主要作用是傳遞剪力，銷鍵與外加柱必須同時澆灌。試驗表明按要求配置混凝土銷鍵是保證外加構造柱與原砌體共同作用的有效措施, 加固設計時不可忽視。

原結構是縱橫墻混合承重體系，加固改造后成為外縱墻結合部分內橫框橫向承載的磚混結構。依據上述原則，對于外墻，在縱橫軸線相交處，相應于擬拆除承重橫墻兩端增設鋼筋混凝土構造柱，結構構造柱平面布置見圖1中軸線A、B、C、D與①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩交點的黑色方框所示。同時在每層樓面及屋面標高處設鋼筋混凝土圈梁；對于內墻及內框柱，采用型鋼夾墻辦法做成鋼圈梁或連梁進行加強或連接。

4.2.2墻體加固與修繕

文獻[10]試驗結果表明，采用鋼筋網水泥砂漿抹面加固墻體，可提高抗剪能力約1 倍，采用鋼筋網水泥砂漿面層加固墻體可提高抗剪能力2 倍以上。由于原結構磚砌體材料老化嚴重，局部墻體裂縫開展明顯，決定采用鋼筋網水泥砂漿法對其進行抗震加固。

具體加固方案針對軸線A、D、③、⑤、⑦、⑨墻體進行加固改造，包括墻體整合性加固和墻體裂縫加固。墻體整合性加固采用高強鋼絲繩網片的規格為Φ4.5 mm×25 mm×50 mm，高強鋼絲繩網片主筋搭接長度不應小于600 mm。高強鋼絲網片遇內隔墻時應采用無振動的墻鋸在墻體上進行開洞切割，保證高強鋼絲繩網片連續。墻體裂縫加固采用裂縫內灌漿，在墻面加設高強鋼絲網片的規格為Φ4.5 mm×200 mm×50 mm。新加鋼絲繩網片凹入墻表面，槽深60 mm，抹壓30 mm厚高強聚合物砂漿，留30 mm面層飾面。

4.3 基礎部分改造

原結構為縱橫混合承重體系，改造后橫向框架承重，原墻下條基需加固處理[11]。基礎加固擬采用在原基礎梁或墻基兩側夾梁的辦法將原基礎改為柱下條基，加固處理后柱下條基見圖6。

圖6 基礎加固示意圖Fig.6 The sketch of the foundation reinforcement

4.4 施工關鍵技術

為保障結構加固再造的施工安全，設計方案中特針對此次加固施工工藝提出建議如下。

(1)墻柱自下而上逐層進行施工，并在施工前清除上層樓面上所存放的物品，對柱穿樓板處的樓板采取支護措施，確保結構及施工安全。

(2)墻體拆除順序見圖7，跟蹤觀測托換系統變形異常情況(尤其墻體陰角部位)，謹慎施工。

圖7 拆墻順序Fig.7 The order of the dismantles wall

(3)所有新增構件之間均應有可靠連接，各結點的構造及焊接點的強度均須確保滿足其抗震及承載力的要求；所有孔洞均應灌填密實；所有新增構件與原結構均應有可靠拉結，以確保所有構件同步工作。

5 主要結論及建議

該磚混結構加固改造后投入使用近3 a，結構托換體系(托換梁、夾墻柱)無明顯變形，墻體無明顯裂縫開展，結構加固改造方案達到設計和使用要求。針對該磚混結構加固設計特點，總結如下。

(1)依據結構力學原理將原磚混結構利用夾墻梁(柱)技術加固改造成具備抗震措施的新結構，方案合理，技術可靠，加固效果達到預期要求。

(2)承重墻拆除的托換體系，即新增構件(梁、柱)與原有磚混結構能否形成一個整體共同工作，是改造成敗的關鍵。針對二次加固的反梁，采用組合截面鋼梁處理新舊梁體連接的方法取得成功，這一方案在同類型結構加固技術上值得借鑒。

(3)加固改造設計在滿足建筑物功能的前提下，應盡量利用原有的結構構件，如加固處理原構造柱、磚柱、基礎等，形成組合結構，以減少對原結構的損傷和加固工程量，方便施工。

(4)磚混結構形式因取材方便，施工簡易取得廣泛應用。這類結構在加固、改造過程中普遍涉及承重墻墻體拆除，實例可為同類工程提供設計和施工參考，具有良好的應用前景。

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[1] GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S]．

[2] GB50023-2009，建筑抗震鑒定標準[S]．

[3] 張富春，林志伸.建筑物的鑒定加固與改造[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[4] JGJ116-2009，建筑抗震加固技術規程[S].

[5] 中華人民共和國建設部.JGJ116-98：建筑抗震加固技術規程[Z].北京：中國建筑科學研究院，1998.

[6] 龍馭球, 包世華. 結構力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.

[7] GB50017-2003, 鋼結構設計規范[S].

[8] 中華人民共和國建設部. 國家建筑標準設計圖集03SG611：磚混結構加固與修復[Z].北京：中國建筑標準設計研究院，2003。

[9] GB50702-2011，砌體結構加固設計規范[S]

[10] 黃忠邦.水泥砂漿及鋼筋網水泥砂漿面層加固磚砌體試驗[J].天津大學學報，1994，27(6)：764-770.

[11] JGJ123-2000，既有建筑地基基礎加固技術規范[S].