加固維修工程施工質量檢測及整體性能評估*

馬靈會,魏常寶,錢 銘,安 炳,何志鋒

(甘肅土木工程科學研究院有限公司,甘肅 蘭州 730020)

0 引言

對于既有建筑的加固和維修,如何對加固后的建筑進行鑒定與性能評估目前沒有統一的規定和程序要求[1-2]。一般情況下,建設單位僅委托監理單位監督工程實施過程中的材料見證取樣復試,而施工質量的監督和全過程檢測與性能評估并沒有多少有效的措施,更少有建設單位對加固后的建筑結構整體進行性能評估(安全性鑒定與抗震性能鑒定)[3]。

基于以上問題,對加固維修工程施工所用材料的檢測、加固維修工程施工過程的檢測、加固維修后建筑整體性能(安全性和抗震性能)的鑒定與評估進行探索。將既有建筑結構加固維修工程施工質量檢測及性能評價分為3個步驟進行,總結為“三步走”程序:①加固維修所用材料的檢測與試驗;②加固維修分部分項工程施工過程中形成的成品及半成品的檢測與試驗;③加固維修后建筑整體的安全性鑒定評估與抗震鑒定評估。

1 管理程序概述

加固維修工程實施過程中,隨著各類、各批次材料進場,按材料類型、進場批次對各種進場材料進行見證取樣并復試,以保證進場材料的質量與安全性[4]。隨著加固維修施工進程的不斷深入,逐漸出現階段性成品和半成品,也需要對各施工過程進行試驗檢驗,確保施工過程的質量合格且滿足性能要求。加固維修工程完工后需在全過程檢測、試驗基礎上進行建筑整體安全性和抗震性能鑒定與評估,保證加固維修后建筑整體的各項性能滿足規范要求和設計目標[5]。

各種進場材料見證取樣并復試、階段性成品和半成品(施工過程)試驗檢驗、加固維修后安全性鑒定與抗震鑒定均需委托與項目各責任主體無利害關系的第三方負責實施,保證檢測、試驗及評估公平、真實、可靠。

對加固維修工程采用“三步走”程序進行施工質量檢測及加固維修后性能評估與管理,試驗檢驗單位需在項目實施過程中全過程介入,對施工不同階段所用材料進行檢測,對施工過程中形成的成品與半成品進行試驗檢驗,這2個層次的檢測與試驗貫穿施工全過程。加固維修工程完工后,根據施工階段全過程檢測與試驗數據,對已完工的建筑整體進行性能評價,完成既有建筑加固維修工程的施工質量檢測與整體性能評價。此“三步走”做法與程序可為同類型加固維修工程提供借鑒與參考[6-7]。

本文以蘭州地區某濕陷性黃土場地既有建筑加固維修工程為例,按上述“三步走”程序進行加固維修工程施工質量檢測與整體性能評估。

2 工程概況

2.1 結構概況

某既有建筑地處蘭州地區濕陷性黃土場地,因地基浸水使得建筑地基出現不均勻沉降,導致建筑上部結構出現不均勻沉降、裂縫、傾斜等危及建筑安全的隱患。針對此類安全隱患,首先對建筑地基基礎進行加固,避免地基濕陷對建筑繼續產生危害,防止建筑現階段的不均勻沉降,再對建筑進行糾偏處理[8],并對上部結構采用加固維修等措施,使建筑恢復到原有狀態,消除安全隱患,達到正常安全使用的要求。

該小區1號樓為8層鋼筋混凝土框架結構住宅樓,建筑基礎為獨立基礎,地基采用素土擠密樁復合地基,處理深度12m。擠密樁身土壓實系數不小于0.97,樁間土擠密系數不小于0.88。擠密樁頂設置500mm厚三七灰土褥墊層,其壓實系數不小于0.95。建筑由伸縮縫分隔為A段和B段2個結構單元,總建筑面積8 719m2,建筑高度22.8m。

2.2 檢測結論

該建筑所在場地土層主要為雜填土、粉土和卵石層,卵石層埋深37.8～42m。該建筑地基處理深度范圍素土擠密樁體土壓實系數和樁間土擠密系數均達不到設計要求,部分地基土仍有濕陷性。基底灰土褥墊層壓實系數部分達不到設計要求。該建筑B段地基基礎存在輕微浸水影響。建筑相鄰柱基沉降差為3～98mm,大部分不滿足規范要求。該建筑部分框架柱和框架梁表面出現U形裂縫,裂縫寬度為0.1～2.28mm。該建筑A段頂點水平位移為41～482mm,B段頂點水平位移為30～172mm,建筑頂點水平位移不滿足GB 50292—2015《民用建筑可靠性標準》(以下簡稱《可靠性標準》)要求。

2.3 鑒定結論

經安全性鑒定,該建筑結構安全性綜合評定為Csu級,顯著影響整體承載。

經抗震鑒定,該建筑上部結構抗震構造措施及承載力滿足GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》(以下簡稱《抗震鑒定標準》)的要求,結構整體抗震性能滿足《抗震鑒定標準》要求。

2.4 檢測鑒定建議

建議對該建筑地基基礎進行加固處理,并對建筑整體進行糾偏,對上部損壞結構構件進行維修補強處理。建議對該建筑進行變形監測,如有異常應立即采取措施。

3 加固方案

3.1 加固設計

根據原建筑現狀的檢測鑒定結果,地基基礎采用坑式靜壓鋼管樁進行加固,并在靜壓鋼管樁加固后進行整體頂升糾偏。設計靜壓鋼管樁384根,樁長39m。存在裂縫的框架梁和框架柱首先采用結構膠進行裂縫修復與封閉,再粘貼碳纖維進行加固補強處理。

3.2 施工與檢測

本工程實際施工靜壓鋼管樁384根,總長度15 336.07m,平均單樁長39.94m。該建筑于2020年9月中旬開始挖導坑,10月初開始靜壓鋼管樁施工,2020年11月底完成靜壓鋼管樁施工,2020年12月中旬全部鋼管樁內混凝土完成澆筑。根據進場材料批次與批量對加固材料進行見證取樣復試,該建筑加固所用材料均滿足設計要求與相應規范要求。靜壓鋼管樁加固完成后于2020年12月下旬對預留的3根試驗樁進行承載力試驗(非破壞試驗)檢測,鋼管樁承載力均大于設計值,鋼管樁施工質量合格,具備整體頂升糾偏條件。2021年1月中旬完成整體頂升糾偏工作。2021年4月完成上部結構的全部維修與加固補強工作,并進行工程預驗收與竣工驗收。

4 試驗檢測

4.1 工程材料質量檢測

4.1.1鋼材質量檢測

本工程所用鋼材主要為無縫鋼管、鋼板、鋼筋。每批次進場鋼材由監理工程師見證取樣后送試驗檢測機構進行復試檢測。所見證取樣復試均滿足設計材質要求和規范要求,部分復試結果如表1所示。

表1 鋼材見證取樣復試數據Table 1 Steel witness sample retest data

4.1.2混凝土質量檢測

本工程在靜壓鋼管樁鋼管內灌填C30細石混凝土,混凝土抗壓強度檢測采用預留的標準養護試塊和同條件養護試塊一起進行抗壓強度試驗,標準養護試塊用來檢測混凝土本身的強度等級,判斷商品混凝土是否達到設計強度等級。同條件養護試塊用來檢測施工用混凝土的強度等級,判斷混凝土的施工質量。經試驗檢測,標準養護和同條件養護混凝土強度等級均滿足設計強度等級要求,如表2所示。

表2 混凝土試塊檢測數據Table 2 Test data of concrete test blocks

4.1.3建筑消石灰質量檢測

本工程在灰土回填導坑時采用消石灰與素土(黃土狀粉土)拌和而成的三七灰土。對進場的消石灰進行見證取樣檢測。經檢測,各批消石灰質量合格,檢測數據如表3所示。

表3 消石灰檢測數據Table 3 Slaked lime test data

4.1.4其他材料質量檢測

本工程所用其他材料主要有碳纖維布、碳纖維粘貼結構膠。施工過程中對進場的其他材料見證取樣進行復試,以此檢驗進場材料的質量。

本工程所用碳纖維布抗拉強度標準值為3 528MPa(≥3 400MPa),伸長率為1.8%(≥1.6%),單位面積質量為299.1g/m2(≥300±9g/m2)。以上試驗檢測數據均達到高強I級碳纖維布的技術指標要求,滿足設計要求。

本工程所用碳纖維粘貼結構膠抗拉強度為43.6MPa(≥38MPa),伸長率為1.58%(≥1.5%),抗彎強度為75.9MPa,未呈碎裂狀破壞(≥50MPa,且不得呈碎裂狀破壞),抗壓強度為101.9MPa(≥70MPa)。以上試驗檢測數據均達到I類A級膠的要求,滿足設計要求。

4.2 施工過程性能與質量檢測

4.2.1靜壓樁承載力檢測

在鋼管樁內混凝土澆筑完成后按照階段成品加固施工質量檢測單位的要求預留不少于3根(本工程預留3根)靜壓鋼管樁進行承載力檢測。經檢測,該批靜壓鋼管樁施工質量合格,承載力滿足設計要求,檢測數據如表4所示。

表4 靜壓樁承載力檢測結果Table 4 Testing results of static pile bearing capacity

4.2.2導坑灰土回填質量檢測

本工程導坑底部回填采用三七灰土分層夯實回填,設計壓實系數為0.88。導坑回填做法如圖1所示。

圖1 靜壓樁及導坑回填剖面Fig.1 Backfill profile of static pile and guide pit

施工階段,經現場環刀取樣檢測,該工程導坑灰土回填壓實系數均滿足設計要求,施工質量合格,部分壓實系數檢測數據匯總如表5所示。

4.2.3導坑混凝土回填質量檢測

在導坑底部灰土回填后的上部導坑采用C30微膨脹混凝土進行回填(樁頭封包,將樁頭與上部導坑范圍用微膨脹混凝土澆筑為一個整體),如圖1所示。混凝土抗壓強度檢測采用預留標準養護試塊和同條件養護試塊共同進行抗壓試驗。經試驗檢測,標準養護和同條件養護混凝土強度均滿足設計強度要求,導坑混凝土回填施工質量合格,檢測數據如表6所示。

表6 導坑回填混凝土試塊檢測數據Table 6 Test data of backfill concrete test block in guide pit

4.2.4上部結構維修施工質量檢測

上部結構維修施工質量檢測主要對粘貼碳纖維布的空鼓率與正拉黏結強度進行檢查,以檢驗碳纖維布粘貼施工質量,檢測數據如表7所示。

表7 碳纖維布粘貼施工檢測數據Table 7 Carbon fiber cloth paste construction test data

4.2.5頂升糾偏結果

糾偏后,對建筑四角進行整體頂點位移測量,該建筑整體頂點側向位移最大值為60mm(對應建筑高度為22.8m,包含原有結構施工誤差及外墻保溫施工誤差。根據《可靠性標準》規定,該樓最大結構側向位移限值為91.2mm(按框架結構高層建筑不適于承載的側向位移等級的頂點位移=22 800/250=91.2)。因此,該建筑結構側向位移滿足《可靠性標準》要求。觀測結果如圖2所示。

圖2 建筑整體頂點位移觀測結果Fig.2 Observation result of overall building vertex displacement

5 加固后整體性能評估

5.1 安全性評估

該建筑加固后結構安全性評定根據《可靠性標準》要求從結構構件(構件集)、鑒定子單元,鑒定單元3個層次進行。經加固后安全性鑒定,該建筑地基基礎安全性等級評定為Au級,上部承重結構安全性評定為Au級,圍護系統承重部分安全性評定為Au級,整樓安全性綜合評定為Asu級。該建筑加固后結構安全性符合《可靠性鑒定標準》Asu級的要求,不影響整體承載。

5.2 抗震性能評估

該建筑加固后設計使用年限為40年,按B類建筑進行抗震鑒定。建筑整體抗震鑒定按《抗震鑒定標準》要求,從抗震措施和抗震承載力驗算兩方面進行鑒定與評價。該建筑地基基礎加固與糾偏未改變原結構抗震構造與抗震承載功能,未對原結構造成新的損傷,對原建筑部分上部結構受損構件進行了加固與補強,使其達到原設計標準要求。經抗震鑒定,該建筑加固后的抗震構造措施和抗震承載力均達到《抗震鑒定標準》要求。

5.3 加固與糾偏效果

對該樓在地基基礎加固施工階段和施工后頂點水平位移進行了觀測,觀測結果如表8所示。經觀測,加固前該建筑頂點位移超過規范要求前文所述該樓結構最大結構頂點位移限值為91.2mm。本工程頂升糾偏后,各點的頂點水平位移均能達到規范限值要求,達到了加固與糾偏目標。

表8 頂點水平位移觀測數據Table 8 Observed data of vertex horizontal displacement

本文選取該建筑A段和B段結構單元各1個觀測點進行沉降變形監測,監測結果如表9所示。

表9 沉降與頂升豎向位移觀測數據Table 9 Observed data of settlement and jacking vertical displacement

根據以上觀測數據,2021年6月27日—2021年10月15日,共計110d,A/25(A段)觀測點累計沉降3.23mm,A/1(B段)觀測點累計沉降0.9mm,A/25(A段)觀測點平均沉降速率為0.029mm/d,A/1(B段)觀測點平均沉降速率為0.008mm/d。最后100d最大沉降速率均小于0.01～0.04mm/d,加固后沉降變形達到穩定狀態。

6 結語

本文結合工程實踐,總結了既有建筑加固維修工程施工質量檢測與整體性能評估的“三步走”程序,分為3個層次:①第1層次 通過對進場材料試驗檢測,保證材料能夠滿足設計與規范要求。②第2層次 通過對加固維修施工過程(各工序成品和半成品)的質量試驗檢測,保證了加固維修施工質量符合設計要求與規范要求。③第3層次 通過對加固維修后的建筑結構整體進行安全性和抗震性能鑒定與評估,保證加固維修后的既有建筑整體達到不低于原設計安全性與抗震性能標準的要求[9]。

這對我國城鎮化建設進入存量時代,城市更新中實施綠色、低碳行動中既有建筑加固維修與改造工程施工質量檢測、加固維修改造后安全性和抗震鑒定評估具有一定的參考和借鑒意義[10-11]。