既有砌體住宅裝配化外套加固技術與方法

苗啟松

作為一種傳統的結構形式，砌體結構在人類建筑工程的發展史上占有十分重要的地位。上至舉世矚目的萬里長城、下至河北趙縣安濟橋，這些歷史上里程碑式的建筑都采用了砌體結構形式。由于砌體結構具有構造簡單、施工簡單、取材便捷、耐火性及耐久性良好等特點，其已經成為我國房屋建設工程中應用最為廣泛的一種結構形式。無論在抗震設防地區還是非抗震設防地區，都可以看到砌體結構的影子。

新中國成立后，受制于對工程抗震認知程度的不足，我國建造的大量砌體結構并沒有進行合理的抗震設計，難以滿足當前抗震設防的要求。歷次地震震害結果也表明，未采用合理的抗震設計和構造措施的多層砌體結構在地震中破壞嚴重。1976年唐山大地震，一千多棟砌體結構建筑中，倒塌率為70%～90%；1991年新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震多層砌體結構破壞率達75%；2008年汶川地震，多層砌體結構破壞率也達到50%。此類建筑量大面廣，與民眾生命財產安全息息相關，短時間內又難以拆除重建，因此，對這類建筑進行必要的加固處理，提升建筑的抗震安全性已經迫在眉睫。

外套加固技術提出

北京地區于20世紀六七十年代建造了大量多層砌體住宅建筑，至今已使用了40余年，存在著結構材料老化、整體抗震性能差、居住舒適度低等一系列問題，亟須解決。這些砌體住宅多采用北京市建筑設計研究院有限公司編制的“64住2”“73住乙”“74住1”及“76住1”等系列住宅標準圖建造，典型建筑單元平面布置圖如圖1所示。

依據房屋檢測鑒定統計結果及走訪調研情況，上述砌體住宅建筑主要特點如下：1）抗震構造和承載力一般都不滿足要求。僅對建筑外側墻體加固（如在砌體結構外墻進行單面鋼筋網砂漿面層法加固等），不能完全解決抗震承載能力不足的問題；2）戶型小、建筑內部使用面積緊張。以“74住1”甲單元為例，各戶建筑面積約50m2左右，衛生間使用面積不足2.0m2；3）施工擾民問題敏感。加固施工過程中產生的噪聲、粉塵污染等問題，會對住戶的日常生活造成較大影響，居民普遍抵制。

由于結構抗震性能較差，如采用傳統的砌體結構整體抗震加固方法，如“鋼筋網砂漿面層加固法”“鋼筋混凝土板墻加固法”等，需對建筑內部墻體同時進行加固，這就會造成建筑使用功能中斷、原有內裝修破壞、占用現有建筑內部使用空間等一系列問題，從工程可實施性角度而言，存在巨大困難。因此，北京市建筑設計研究院有限公司復雜結構研究院的工程師創造性地提出了一種基于裝配式技術的綜合加固體系，如圖2所示，即在既有砌體結構兩側增設裝配式“外套”結構，在砌體結構的橫向和縱向分別外套和外貼預制鋼筋混凝土墻，并在外套結構基礎平臺下設置旋轉鉆進鋼樁，調整外套結構與既有結構之間沉降差。

該技術具有以下優點：1）安全可靠，抗震能力高；2）現場濕作業少，施工周期快，對周圍居民干擾小，環境影響??；3）對住戶干擾小，入戶工作量少，居民不必搬出；4）保溫節能及外立面裝飾改造一體化解決；5）綜合造價低，經濟性好。這種體系化的整體式外套加固方案，改變了傳統技術“頭疼醫頭、腳疼醫腳”的加固理念，通過附加延性及耗能更好的新結構，改善了老結構地震作用下的變形模式，從根本上改變了原結構抗震不利的動力特征。

圖1 “74住1”甲單元建筑平面布置圖

圖2 既有砌體結構裝配化外套加固方法示意

裝配化外套加固試驗研究

（一）足尺模型抗震性能試驗研究

為驗證裝配化外套加固后結構的抗震性能，選取“73住乙”住宅標準圖中的兩個典型開間作為試驗單元，在中國地震局工程力學研究所恢先地震工程實驗室建造了五層、1:1足尺砌體結構模型進行結構擬靜力及擬動力試驗，驗證新老結構變形協調機理，為設計方法提供科學技術支撐，如圖3～圖5所示。

擬靜力試驗及數值模擬結果表明，加固后的結構無論是橫墻方向還是縱墻方向，結構的承載能力、抗側剛度、耗能能力及延性均有顯著提高（具體試驗結果詳見碩士學位論文《采用預制RC構件加固的砌體結構抗震性能研究》）。

足尺模型的制作加工過程驗證了外套加固法施工的可行性，主體結構加固構件均采用預制鋼筋混凝土構件，整個加固過程歷時僅1個月，現場濕作業量極少，能夠實現不入戶施工。外套加固極大地提升了原有砌體結構的抗震性能，改變了砌體結構地震作用下脆性破壞的特征，加固后的結構表現出良好的延性特征。

（二）新型旋轉鉆進鋼樁研發

老舊小區施工場地狹窄、障礙物多，為與裝配化外套加固法配合，減小現場濕作業，我單位研發了新型旋轉鉆進（復合）鋼樁，如圖6所示。該樁型由鋼樁與注漿體組成，鋼樁為焊有葉片的鋼預制樁，采用專用機械旋轉鉆進方式成樁（圖7），之后進行樁端、樁側后注漿，從而形成一種鋼樁與注漿體組成的復合型樁基。

通過對旋轉鉆進復合鋼樁的受力機理分析，結合試驗及工程樁試樁成果，得出以下結論：1）該樁型承載力相對較高，施工機械化程度高，施工方便快捷、工期短、綠色環保；2）注漿前鋼樁承載力相對較低，注漿后鋼樁承載力增加很大，為最大限度發揮樁身強度、提高樁基承載力，需要配以注漿施工工藝。

裝配化外套加固實踐

經政府部門協調，選定北京市朝陽區某棟砌體結構住宅樓作為外套加固方案實施的試點工程，如圖8所示。該建筑建成于1965年，地上5層，建筑面積3587.60m2，預制樓板，橫墻承重，未設置圈梁構造柱。經現場檢測，首、二層砌體強度MU10，砂漿強度M2.5，三至五層砌體強度MU7.5，砂漿強度M1.0。經安全及抗震鑒定，該建筑抗震性能不滿足要求，豎向安全性滿足要求。

圖3 足尺試驗模型平面圖

圖4 加固前模型正視圖

圖5 加固后模型正視圖

圖6 旋轉鉆進鋼樁示意圖

圖7 旋轉鉆進鋼樁施工

圖8 試點工程加固前立面照片

圖9 加固后建筑平面布置圖

采用外套（預制構件）加固法進行抗震加固，從戶型改善均好性角度考慮，建筑一側挑出1.5m，另一側挑出1.35m。左、中、右戶套內凈面積增加9.97m2、10.21m2、9.48m2，標準層每層建筑面積增加187.40m2，全樓共計增加937.00m2，加固后建筑平面布置圖見圖9。

加固改造時，原結構外縱墻上的窗下墻拆除，使新增外套結構部分與戶內聯通。本工程中，在原結構橫墻位置外側新增200mm厚鋼筋混凝土剪力墻、在外縱墻外側外貼140mm厚鋼筋混凝土縱墻，新增外擴部分樓板厚度100mm。加固改造后單元結構平面布置圖如圖10所示。

圖10 加固后單元結構平面布置圖

圖11 加固項立面示意圖

圖12 原有懸挑陽臺拆除

圖13 旋轉鉆進鋼樁施工

圖14 基礎底板施工

圖15 預制構件加固施工

圖16 加固后建筑外立面效果圖

主要加固項立面示意圖及現場施工照片詳見圖11～圖16，加固施工流程如下所述：1）原有建筑懸挑陽臺拆除；2）旋轉鉆進鋼管樁施工；3）壓漿錨桿施工，埋入原結構橫墻基礎放腳內；4）現澆鋼筋混凝土承臺梁施工；5）采用預制鋼筋混凝土墻板對原有外縱墻進行加固，兩者之間采用CSA無縫自流平灌漿材料相互粘結；6）原有橫墻兩側新增預制鋼筋混凝土剪力墻；7）屋頂位置新增鋼筋混凝土拉梁；8）鋼結構坡屋頂施工。

實踐證明，外套（預制）加固方法加固多層砌體結構具有方法可靠、可實施性強、施工速度快、施工綠色文明、抗震節能一體化解決、綜合造價相對較低等優點，同時也能做到避免入戶施工，改善居民居住條件。

結語

裝配化外套加固技術實現了既有砌體住宅抗震加固新突破，減少了對住戶的干擾，提高了住宅品質，具體表現為：

1）新型旋轉鉆進復合鋼樁，成樁角度多樣化、施工機械小型化、施工方便快捷；

2）外套鋼筋混凝土墻由工廠預制生產，產品質量高，規格精度高，構件現場安裝，勞動強度小，濕作業少，施工周期快，環境影響??；

3）結構整體加固施工對住戶干擾小，入戶工作量很少，居民不必搬出，解決居民搬遷周轉問題，節省了大量安置費用；

4）工程保溫節能及外立面裝飾改造一體化解決，不僅能顯著改善建筑的熱工性能，增加房屋舒適度，又對外立面進行了更新，改善了住宅使用性能和建筑物外觀視覺效果；

5）適當增加的建筑使用面積，改善居民居住品質，深受居民歡迎，提升了政策親和度，更容易推廣。

該技術可提高房屋抗震能力，增加建筑使用面積，延長建筑使用年限，對緩解城市建設用地緊張、改善人民居住條件都具有現實意義。同時，將老舊建筑加固改造與工業化有機結合，也為我國現存的抗震危房提供一種切實可行且具有推廣意義的解危方案。自2011年以來，裝配化外套加固方法在北京市老舊小區抗震節能綜合改造工程中得到廣泛應用，應用面積近百萬平方米，為提升北京城市抗震韌性水平，為建設國際一流的和諧宜居之都提供了直接、有效的安全保障。