某既有建筑改造工程結(jié)構(gòu)加固措施分析

趙月明 劉樂樂

1 引言

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)和中國建筑科學(xué)研究院的測算結(jié)果，我國目前既有建筑面積約800 億m2。人們對既有建筑進行改造的需求日益增長。由于大量既有建筑使用年限已超過30 年，存在材料老化、使用不當、施工缺陷、結(jié)構(gòu)受損等情況，需要對建筑進行結(jié)構(gòu)檢測鑒定和加固處理?？梢娂庸谭桨讣笆┕し桨傅倪x擇對既有建筑改造工程的安全適用、經(jīng)濟合理、質(zhì)量保障等具有重要意義。

2 結(jié)構(gòu)加固措施及分析

2.1 增大截面法

該方法是在原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件外包一定厚度的鋼筋混凝土，使新增鋼筋混凝土和原有結(jié)構(gòu)可靠連接，在外荷載作用下共同受力。當應(yīng)用于梁、柱加固時，由于外包鋼筋混凝土層內(nèi)同時配置縱向鋼筋和箍筋，該方法還可以顯著提高原結(jié)構(gòu)的延性和耗能性能。該方法適用范圍較廣，可同時解決結(jié)構(gòu)的承載能力不足、剛度不足以及延性不足等問題。

2.2 外包型鋼法

外包型鋼加固法是利用外包的型鋼及鋼綴板焊接而成的構(gòu)架，對原混凝土構(gòu)件起到約束作用，與其共同受力的加固方法。按其與原構(gòu)件連接方式分為有粘結(jié)外包型鋼法和無粘結(jié)外包型鋼法。當采用結(jié)構(gòu)膠粘合混凝土構(gòu)件與型鋼構(gòu)架時，稱作有粘結(jié)外包型鋼加固法，也稱外粘型鋼加固法，或濕式外包鋼加固法。當不使用結(jié)構(gòu)膠，或僅用水泥砂漿堵塞混凝土與型鋼間縫隙時，稱為無粘結(jié)外包型鋼加固法，也稱干式外包鋼加固法。

2.3 粘貼纖維復(fù)合材加固法

粘貼纖維復(fù)合材加固法是以結(jié)構(gòu)膠為粘料，將纖維織物或纖維板材外貼于被加固構(gòu)件表面，達到提高結(jié)構(gòu)承載力和延性的目的。目前常用的有3種纖維材料，包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和芳綸纖維（AFRP）。該方法輕質(zhì)高強、施工簡便可用于曲面或轉(zhuǎn)折粘貼，加固后基本不增加原構(gòu)件重量，不影響結(jié)構(gòu)外形，但需要考慮結(jié)構(gòu)膠的耐久性和耐火性問題、纖維復(fù)合材的有效錨固問題。

2.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是在混凝土構(gòu)件表面用結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，使鋼板與混凝土構(gòu)件整體協(xié)同工作，以提高構(gòu)件承載力的一種加固方法。該方法具有施工簡便快速、原構(gòu)件自重增加小、不影響建筑使用空間、鋼材利用率高、有效抑制裂縫發(fā)展等優(yōu)點。但需要考慮結(jié)構(gòu)膠的耐久性和耐火性問題，且鋼板需進行防腐、防火處理。

3 結(jié)構(gòu)加固工程實例

3.1 工程概況

某設(shè)計于1986 年的高層建筑，兩側(cè)裙房8 層，中部塔樓11 層。建筑平面長約73.5 m，寬約50.6 m，建筑高度39 m。主體結(jié)構(gòu)采用框架-抗震墻結(jié)構(gòu)形式。塔樓為筏板基礎(chǔ)，兩側(cè)裙房為獨立基礎(chǔ)。根據(jù)業(yè)主要求該建筑將改為康養(yǎng)用房，待改造面積約為15 000 m2，改造后續(xù)使用年限為30 年。

首先委托某建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對該建筑結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量、混凝土強度、構(gòu)件截面尺寸、主體結(jié)構(gòu)安全性和主體結(jié)構(gòu)抗震性進行檢測、鑒定。報告顯示該改造項目主要問題有：一是上部結(jié)構(gòu)單元現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全性鑒定為Du 級；二是房屋總層數(shù)超出規(guī)范要求一層；三是部分框架柱、框架梁不滿足抗震承載力要求；四是部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸小于設(shè)計要求。

根據(jù)檢測鑒定結(jié)果，加固改造的主要內(nèi)容為：原筏板基礎(chǔ)截面加高；框架柱加大截面、外包型鋼加固和粘貼碳纖維布加固；框架梁截面加大、粘貼鋼板加固；邊緣構(gòu)件外包型鋼加固等。

3.2 增大截面法的應(yīng)用

3.2.1 筏板基礎(chǔ)的加固

根據(jù)鑒定結(jié)果，由于上部荷載增加，導(dǎo)致原核心筒墻邊筏板基礎(chǔ)抗沖切承載力不足，需要增加筏板厚度以滿足設(shè)計要求。該項目原基底標高為-3.00 m，基礎(chǔ)埋置較淺，具有增加筏板厚度的條件。加固時在原筏板板頂增加厚度250 mm，雙向布置20@150 鋼筋，板頂鋼筋通過12@300 鋼筋梅花形交錯布置錨入原結(jié)構(gòu)中，澆筑C30 細石混凝土疊合層，最終與原筏板基礎(chǔ)共同承擔上部結(jié)構(gòu)荷載（圖1）。將增大截面法用于加大筏板基礎(chǔ)高度，不但可以提高筏板基礎(chǔ)的抗沖切承載力，同時也加強了基礎(chǔ)的剛度，減少了地基不均勻變形。

圖1 筏板基礎(chǔ)加固（組圖,來源：作者自攝）

3.2.2 框架柱的加固

根據(jù)檢測鑒定結(jié)果，改造后1 至3層每層均存在框架柱軸壓比不滿足規(guī)范要求的情況。軸壓比是體現(xiàn)建筑抗震性能的重要參數(shù)，其值越大，則混凝土柱的延性越低。限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的塑性變形能力和保證框架的抗倒塌能力。軸壓比超限會導(dǎo)致構(gòu)件在破壞前沒有明顯的預(yù)兆，無法及時覺察及采取補救措施[1]。增大截面法是解決構(gòu)件軸壓比超限最有效的方法。

本工程中加固位置在使用階段對柱截面尺寸無特殊要求，故采用此加固措施。原框架柱截面為500 mm×600 mm， 采 用300 號（C28） 混 凝土。加固時，將框架柱沿截面寬度方向加高150 mm，增加420 縱向鋼筋和8@100/200 箍筋，加大截面部分采用C35 細石混凝土進行澆筑（圖2），有效地解決了軸壓比超限的問題。

圖2 增大截面加固柱（來源：作者自攝）

3.2.3 梁的加固

項目原結(jié)構(gòu)梁截面尺寸為150 mm×300 mm，由于改造后的使用功能發(fā)生改變，使梁上荷載增加，原結(jié)構(gòu)的梁無法滿足承載力要求。加固時，在梁底位置將梁高增加100 mm，增加222 縱向鋼筋通過植筋法一側(cè)錨入柱內(nèi)，另一側(cè)錨入墻內(nèi)，增設(shè)8@200（2）箍筋，加大截面的部分采用C30 細石混凝土進行澆筑。

3.3 外包型鋼法的應(yīng)用

3.3.1 框架柱的加固

本工程現(xiàn)有建筑底部三層范圍內(nèi)，部分框架柱配筋不足，且通過粘貼碳纖維加固法仍無法滿足承載力要求。結(jié)合工程允許使用結(jié)構(gòu)膠的情況，優(yōu)先采用外包型鋼加固法對此部分承載力不足的混凝土柱進行加固。

首層、2 至3 層加固混凝土柱分別采用角鋼L100×10、L75×6，配合4 mm厚、寬度為100 mm 的綴板，加密區(qū)間距250 mm，非加密區(qū)間距400 mm 布置。利用M16 化學(xué)錨栓進行錨固，鋼板與混凝土灌注結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)（圖3），鋼構(gòu)件進行除銹、防銹漆涂刷后，表面采用25 mm 厚水泥砂漿作為防護層。該方法將型鋼與混凝土粘結(jié)形成共同工作的復(fù)合截面，既節(jié)約鋼材，又滿足了承載力要求。

圖3 外包型鋼加固柱（來源：作者自攝）

3.3.2 邊緣構(gòu)件外包型鋼加固

本工程原剪力墻端部設(shè)有明柱，該構(gòu)造不僅約束了端部混凝土，且當結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，能夠有效防止端部鋼筋被壓屈和防止剪力墻腹板內(nèi)斜裂縫的迅速開展。試驗表明，設(shè)置明柱的剪力墻的變形仍以彎曲變形為主，若端部約束作用進一步加強，將使剪力墻整體變形成分中剪切變形的比例增加[2]。因此采用外包型鋼加固法，避免邊緣構(gòu)件剛度增加過大，改變其彎曲變形特性。

加固的具體做法為，在邊緣構(gòu)件直角位置豎向采用L100×80×6 mm 不等肢角鋼，非直角位置豎向采用6 mm 厚鋼板條帶，水平方向采用寬度為100 mm，厚度為4 mm 的鋼板條帶沿墻高方向間隔300 mm 布置，M14 化學(xué)錨栓錨固深度為140 mm，沿墻高方向間隔400 mm布置，如圖4 所示。

圖4 外包型鋼加固邊緣構(gòu)件（來源：作者自攝）

3.4 粘貼纖維復(fù)合材加固法的應(yīng)用

根據(jù)檢測鑒定報告，該工程部分框架柱抗剪承載力不足。要求加固后，框架柱所在位置對室內(nèi)空間的影響最小。因此選用粘貼纖維復(fù)合材加固法。由于碳纖維布對混凝土的約束作用機理與箍筋基本相同，能夠直接約束最外層混凝土，所以它比箍筋的作用更直接，所起的作用也更大[3]。

本項目選用環(huán)向粘貼碳纖維布加固法。加固的結(jié)構(gòu)柱包含截面尺寸為500 mm×600 mm、400 mm×600 mm等尺寸的矩形框架柱，以及700 mm 直徑的圓形截面框架柱。碳纖維復(fù)合材采用高強Ⅰ級布，每平米質(zhì)量不超過300 g。復(fù)合材條帶的寬度為100 mm，間距為400 mm 布置，對矩形框架柱截面棱角進行打磨圓化處理，圓化半徑為25 mm（圖5）。根據(jù)國內(nèi)對于碳纖維提高鋼筋混凝土柱抗剪承載力的實驗研究，碳纖維布層數(shù)越多，其破壞時的平均承載能力越小[4]。本項目中加固時采用單層環(huán)形箍粘貼。纖維方向與柱的縱軸線垂直，框架柱加固后，對室內(nèi)建筑空間無明顯影響，且其受剪承載力得到顯著提高。

圖5 粘貼碳纖維加固柱（來源：作者自攝）

3.5 粘貼鋼板加固法的應(yīng)用

雖然在加固受彎構(gòu)件中常用的方法有粘貼鋼板與粘貼碳纖維法，而根據(jù)粘貼鋼板或碳纖維加固受彎構(gòu)件效果對比試驗的研究結(jié)果，粘貼鋼板法對于梁的剛度及抗彎能力提高方面具有明顯的優(yōu)勢[5]。檢測鑒定結(jié)果顯示，原截面尺寸為250 mm×700 mm 的結(jié)構(gòu)梁，支座處受拉承載力嚴重不足。故本工程在加固時，選用粘貼鋼板法。粘貼鋼板采用標號為Q355B 的鋼材，在梁支座頂面位置，分別粘貼寬度為100 mm，厚度為5 mm的鋼板條帶，鋼板由支座邊緣向兩側(cè)分別延伸1.45 m 及1.8 m。鋼板采用M8的化學(xué)錨栓進行錨固，錨栓按照400 mm的間距布置。加固做法如圖6 所示。

圖6 粘貼鋼板加固梁（來源：作者自繪）

4 結(jié)語

既有改造項目面臨結(jié)構(gòu)加固問題，需要根據(jù)原結(jié)構(gòu)狀況，結(jié)合經(jīng)濟技術(shù)條件，選用合理的加固方法，以滿足安全適用、經(jīng)濟合理、質(zhì)量保障的要求。本文中通過對常用加固方法如增大截面加固法、外包型鋼加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法的總結(jié)梳理，結(jié)合實際項目加固方案進行分析，為相似加固工程提供參考。