既有建筑中分隔墻的現場檢測及承載力復核

陳顯文，端家龍，黃海濤

(1.南京工大建設工程技術有限公司,江蘇 南京 210009; 2.興化市住建局,江蘇 興化 225700)

0 引言

近30年中國建筑業迅猛發展,混凝土森林大量拔地而起。其中很多建筑層高高、空間大、形象好、使用方便。

時過境遷,這些高大建筑內,個別內部存在分隔墻倒塌、開裂的案例:如2021年某海邊廠房內隔墻被風吹倒,2022年某市圍墻倒塌。

為查明隱患,檢測及鑒定行業應運進場,本文對既有建筑內分隔墻(砌體結構)的安全性檢測及承載力復核帶來新關注點。

1 工程實例簡介

江蘇地區某廠房:整體為一層,平面柱網為:108 m×72 m,檐口高度為11.20 m,屋脊高約為13.00 m;平面分為3跨,南北每跨為24 m,東西每開間為9.0 m;其內部設有多道分隔墻體[1-3]。廠房平面示意圖見圖1。

根據現場檢測,分隔墻均為240 mm厚實心磚砌筑,其中一分隔墻立面示意圖見圖2。

該高大分隔墻現狀:

1)該墻體已建成約10 a。

2)墻面外觀產生多條斜向裂縫(通縫)。

3)整面墻體有局部傾斜現象。

2 墻體的結構分類

根據結構受力型式,砌體結構中的墻體可分為自承重墻和承重墻。

自承重墻體:承擔自身的重力和砌筑時的墻體垂直度偏差、風荷載、地震及其他偶然荷載帶來的水平力。

承重墻:承受以上荷載的同時,還承擔上部結構傳來的其他荷載。

該墻體為內部分隔空間用、后砌筑墻體、頂部與主體結構無連接,故不承擔上部結構的其他荷載,屬于自承重墻體[4]。

3 砌體的現場檢測

砌體現場檢測參數一般需求如下。

3.1 上部墻體及基礎的幾何尺寸檢測

1)上部墻厚:240 mm(h);墻高:11.20 m(H1:地面上)。

2)基礎地下埋深:-0.80 m,基礎示意圖見圖3。

3.2 墻體的構造及邊界條件檢測

1)設置有構造柱,截面尺寸為240 mm×240 mm,左右間距為4 m,構造配筋。

2)設置有圈梁,截面及配筋同構造柱,上下間距為4 m。

3)墻體頂部與屋面剛架無拉結。

3.3 墻體材料的力學性能檢測

1)磚的強度檢測:現場采用回彈法檢測磚強度。經檢測,該墻體磚強度等級約為Mu10。

2)砂漿的強度檢測:常規檢測方法有兩種,貫入法及筒壓法。

首次采用貫入法檢測,砂漿檢測強度等級約為M2.9;二次復檢采用筒壓法,其砂漿強度等級約為M5.6。差異較大,如何取舍。

貫入法是采用鋼釘,在額定推力的作用下,根據其多次多處刺入砂漿層中的深度,來判定砂漿強度的一種快捷方法。現場檢測示意圖見圖4。

筒壓法是現場采集一定量的砂漿,回到實驗室,干燥后,分級加壓,再按破壞形態的級配,綜合計算而得出砂漿強度的一種方法。

根據大量檢測項目比較,貫入法檢測出的砂漿強度普遍較低,究其原因為砌體砌筑時砂漿飽滿程度不同而變化。現場檢測時,雖去除了磚縫中表面的后期粉刷層,但部分粉刷層依舊鑲嵌在磚縫中(原砌筑時砂漿飽滿程度不足),貫入儀的鋼針先接觸到粉刷層(強度一般較低),后接觸到磚縫中的原狀砌筑砂漿。故砌筑時砂漿飽滿程度越低,后期采用貫入法的砂漿檢測值與實際誤差越大[5]。

本墻體砂漿強度的檢測值經分析后取為M5。

4 自承重墻上部的承載力復核

4.1 計算荷載及相應基本條件

該自承重墻體因處于室內,亦可認為無水平荷載作用,故常規設計滿足《砌規》中以下兩條即可(本文引用條文及計算公式均為《砌規》,下同)。

1)墻體應滿足高厚比驗算-構造的穩定性要求(6.1.1條)。

2)墻體應滿足受壓構件的承載力要求(5.1.1條)。

根據本墻體的砌體類型(磚砌體,磚強度等級Mu10)及砂漿強度等級(M5),查表6.1.1得該墻體的允許高厚比[β]為24。

因本墻為內隔墻,且室內地坪為剛性地坪(面層為200 mm厚C20混凝土),墻體嵌固點可取為地面下500 mm(5.1.3-1條),故本墻體高度:H=H1+0.50。

4.2 計算狀態分類

針對不同的邊界條件,自承重墻體大致分為以下四種計算狀態。

1)狀態1(無構造柱及圈梁;墻頂與屋架無連接)。

該墻計算高度H0按整面墻(下端為固接,上端為自由端):取H0=2H(5.1.3表注2)。

a.高厚比(β)的計算:

β=H0/h≤μ1μ2[β]

(6.1.1條)

U1=1.2×(1+30%)=1.56(U1為自承重墻允許高厚比的修正系數;該墻為自承重墻,6.1.3-1條及注1)。

U2=1.0(U2為有門窗洞口墻允許高厚比的修正系數;該墻無門窗,6.1.4條)。

綜上該墻允許高厚比[β1]為:

[β1]=μ1μ2[β]=1.56×1.0×24=37.44。

該墻高厚比:

β1=H0/h=2×(H1+0.50)/0.24=97.50。

β1=97.50>[β1]=37.44。

即該墻體高厚比不滿足規范要求。

b.承載力計算(按每米單元):

N≤φfA

(5.1.1條)

φ的取值(附錄D):

β=H0/h=37.42>3,按D.0.1-2計算。

Φ=φ0=1/(1+0.001 5×37.422)=0.32。

f=1.0×1.50=1.50 MPa

(3.2.1-1,3.2.3-2)

故該墻允許承載力為:[N1]=φfA=0.32×1.50×103×0.240×1.0=115.21 kN。

本墻為自承重墻,墻頂無外部壓力,故墻底自重(恒載分項系數不利時取1.2):

N1=γρgh=1.2×22×0.24×(H1+0.50)×1=

74.13 kN。

N1=74.13 kN<[N1]=115.21 kN。

即該墻底承載力滿足規范要求。

綜上所述,狀態1:墻體高厚比不滿足規范要求,墻底抗壓承載力滿足規范要求。

2)狀態2(無構造柱及圈梁;墻頂與屋架有連接)。

砌體材性參數同狀態1。

該墻計算高度H0按整面墻(下端為固接,上端為簡支點):取H0=0.7×H(5.1.3條的注5)。

a.高厚比計算:

β2=H0/h=0.7×(H1+0.50)/0.24=34.13。

β2=34.13<[β1]=37.44。

即該墻體高厚比滿足規范要求。

b.承載力計算(按每米單元):

同狀態1,該墻底承載力計算滿足要求。

綜上所述,狀態2:墻體高厚比及墻底抗壓承載力均滿足規范要求。

3)狀態3(有構造柱及圈梁;墻頂與屋架無連接)。

構造柱及圈梁:上下左右間距不大于4 m;截面為240 mm×240 mm,C20混凝土,配筋:4Ф12,Ф6@200 mm。

砌體材性其他參數同狀態1。

a.高厚比計算:

帶構造柱的墻體,其允許高厚比[β]可乘以修正系數μc。

μc=1+γ(bc/l)=1.09

(6.1.2-2條)

[β3]=[β]×μc=24×1.09=26.16。

即帶構造柱墻體的最終允許高厚比加大為:

[β31]=μ1μ2[β3]=1.56×1.0×26.16=40.81。

但公式β=H0/h中的H0如何取值,圈梁又如何體現其作用。

《砌規》6.1.2-3條:設有鋼筋混凝土圈梁的帶壁柱墻或帶構造柱墻,當b/s≥1/30時,圈梁可視作壁柱間墻或構造柱間墻的不動鉸支點(b為圈梁寬度)。該條又如何理解。

理解1:

該墻計算高度H0按整面墻(下端為固接,上端為自由端):取H0=2H=2×(H1+0.50)(5.1.3表注2)。

該墻高厚比:

β31=H0/h=2×(H1+0.50)/0.24=97.50。

β31=97.50>[β31]=40.81。

即該墻體高厚比不滿足規范要求。

理解2:

該墻計算高度按圈梁間墻(墻上下端為簡支點;圈梁上下間距為4 m)。

取H0=1.0×H=4 m(5.1.3表注5)。

該墻高厚比:β32=H0/h=4/0.24=16.67。

β32=16.67<[β31]=40.81。

即該圈梁間墻體高厚比滿足規范要求。

經分析,理解2的復核過程不充分:高厚比的驗算,實際原理是墻體的側向抗彎的驗算,應該是整面墻體側向抗彎的驗算。整面墻體的側向抗彎傳力途徑為:

整面墻體共同受力,砌體側向抗彎;

墻體被圈梁分隔成多層墻體,通過圈梁傳力至構造柱,由構造柱來側向抗彎(類似框架結構中框架梁傳遞水平力,最終由框架柱來抵抗整體的側向力)。

理解2中需進一步復核:構造柱能否滿足整面墻體側向穩定的需求。

b.承載力計算(按每米單元):

(8.2.7-1條)

經查表8.2.3:Φcom=0.46,η=0.52。

N3=N1=74.13 kN≤[N3]=196.43 kN。

即該墻底承載力滿足規范要求。

綜上所述,狀態3:理解2中圈梁間的墻體高厚比驗算,只能說明圈梁間墻體的穩定性,無法保證該整面墻體的穩定性,應按理解1驗算。墻底抗壓承載力滿足規范要求,且因有構造柱的分擔,該墻體的允許承載力大于無筋砌體。而圈梁在高厚比及承載力的驗算中,均未見其幫助作用。

4)狀態4(有構造柱及圈梁;墻頂與屋架有連接):

砌體材性參數同狀態3:

該墻計算高度H0按整面墻(下端為固接,上端為鉸接):取H0=0.7H=0.7×(H1+0.50)(5.1.3表注2)。

a.高厚比計算:

該墻允許高厚比為[β41]=[β31]=40.81。

該墻計算高厚比:

β41=H0/h=0.7×(H1+0.50)/0.24=34.13。

β41=34.13<[β41]=40.81。

即該墻體高厚比滿足規范要求。

b.承載力計算(按每米單元):

同狀態3,即該墻底承載力滿足規范要求。

4.3 計算狀態分類結果

計算狀態分類結果匯總見表1。

表1 計算狀態分類結果匯總

5 上部墻體現場檢測要素匯總

1)砌體砂漿強度宜選擇筒壓法檢測的數據作為計算依據。

如兩種方法檢測出的數據誤差大,即說明原砌筑時砂漿不飽滿,其磚縫中砂漿投影面積小于磚底面積,計算時宜折中選擇或在PKPM程序中采取降低施工質量等級來修正。

2)砌體墻頂的連接:對墻體高厚比的計算起關鍵作用。

3)砌體中構造柱的設置:對墻體高厚比及墻底抗壓承載力的計算都有幫助。

4)圈梁的存在:在墻體高厚比及承載力計算中未起作用(圈梁間墻體的穩定性驗算更無法保證整面墻體的穩定性)。

本檢測案例中內隔墻(1-9XB-D軸墻體),應取狀態3(理解1)來復核,其結論為:該墻底抗壓承載力滿足規范要求,整面墻體的高厚比不滿足規范要求,存在安全隱患。

6 自承重墻基礎的承載力復核

內部高大分隔墻,無水平力,其基礎如何復核抗傾覆能力。

1)該墻體的豎向荷載:頂部未與主體有拉結,故只有墻體自重恒載,無其他豎向活載。

2)該墻體的水平荷載如何考慮。

a.水平風荷載:本墻體為內部隔墻,無。

b.地震水平荷載:本次鑒定的依據標準主要為GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標準(以下簡稱《民標》),則該墻體無需考慮地震力作用(或該墻體為非抗震構件,或處于非地震區,也無需考慮地震力的作用)。

那該墻體基礎是否無需考慮水平力的作用,即基礎無側向抗傾覆能力。

以上推測顯然不符合實際:任何現狀墻體均不會一吹即倒;規范中對上部墻體的高厚比限制,實則是前人總結、對于常規墻體側向穩定性的快捷計算,已允許一定數值的水平活載。

3)根據力學原理(高厚比限值下的墻體應力應等效于額定水平荷載下墻體內部的抗彎應力),可推算上部結構在高厚比限值下其對應的允許水平活載限值。

a.狀態1及狀態2下,自承重墻體可達最大高度見表2。

表2 自承重墻體最大高度

b.根據砌體邊界條件,在單元水平活載(q1)下,其墻體彎矩示意圖見圖5。

根據《砌規》中公式:M≤ftmW(5.4.1條)。

其中,M為墻體最大側向彎矩(狀態1及狀態2均為墻根處);Ftm為墻體可承受的拉應力;W為墻體的截面抵抗矩;墻體有自重(N),其側向抗彎公式可演變為墻體內部應力計算公式:ftm=σ=N/A±M/W。

根據砌體種類及砂漿強度等級,可按表3.2.2查得:該墻體彎曲抗拉強度允許設計值為-0.11 MPa。

c.分別計算墻體抗拉最大處應力(恒載分項系數有利時取1.0;活載分項系數取1.4),從而推導結果見表3。

表3 推導結果

d.綜上所述,規范中高厚比隱含的水平荷載(q1)標準值約為:0.20 kN/m2(小于多數地區10年一遇的風荷載標準值)。

如該墻為常規高度(高度降低50%;頂部無約束的墻體高度為2 m,類似圍墻;頂部有約束的高度為6 m,類似室內挑高建筑),則高厚比滿足的狀況下,其允許的水平活載值(0.50 kN/m2)約等效于多數地區50年一遇的風荷載標準值。

4)根據以上推導,自承重墻體宜組合當地的水平風荷載,來復核其基礎的抗傾覆能力。

按GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范中5.2.2-2條(偏心荷載作用下的公式)復核,該墻體基礎底截面尺寸不滿足規范中抗傾覆要求,存在安全隱患。

7 結語

離開電算程序,設計師們對于建筑內部的高大分隔墻體(自承重墻),重視程度不足:建筑施工圖上有分隔墻體的布置,而結構計算多數缺了高大自承重墻上、下部的驗算。

既有建筑中砌體砂漿強度的檢測存在多種方法,但根據統計,貫入法檢測數值多低于筒壓法,需綜合考慮及適當修正。

圈梁的存在,對于墻體的承載力及高厚比的復核未起貢獻。

規范中高厚比的規定,實則是常規高度墻體在風荷載下穩定性的快捷驗算;高大墻體即使高厚比驗算滿足規范要求,在安全性鑒定中上部墻體及基礎均宜組合當地水平風荷載二次復核。