不停航条件下对机场既有建筑的改造加固设计与施工技术

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

0 引言

上海虹桥国际机场T1航站楼建设项目采用“A+B”不停航设计施工策划方案，即确保在A楼拆除重建期间国际、国内航班均在B楼临时运行，因此对B楼部分建筑进行改扩建设计和施工。原食堂为2层混凝土-砌体混合结构，建造年代久远，根据业主要求，将该房屋2层改造成办票和安检大厅，作为虹桥机场整体改建时期过渡性用房。因使用功能发生变化，楼面活荷载增大，根据该房屋的鉴定报告，须对此房屋结构进行加固处理。

1 加固设计

1.1 工程地理位置及总体概况

本工程位于上海虹桥机场迎宾一路850号，东侧为P2停车场，西侧为轨交10号线通道及社会车辆停车场，南侧为轨交10号线转弯通道，北侧为候机楼高架。

该楼一共为2层，建筑南北长122 m，东西宽16 m，占地面积1 952 m2，建筑面积3 904 m2。

1.2 结构概况及结构检测

该楼为2层混凝土-砌体混合结构。一层层高5.40 m，二层层高为4.00 m，女儿墙高度为1.00 m，房屋总高度为10.40 m。基础形式为柱下独立基础。混凝土框架柱尺寸为350 mm×350 mm和300 mm×300 mm不等。框架梁尺寸为200 mm×640 mm和200 mm×380 mm不等。二层承重墙体由加气混凝土砌块砌筑，厚度约为240 mm。

经现场检测，被鉴定房屋左边大部分区域存在因地基基础不均匀沉降引起的墙体开裂和变形等损坏，未发现地基基础有明显损坏。房屋左边部分房间墙体粉刷层存在严重起皮、风化现象。多处门洞和窗洞角部均发现斜裂缝，局部宽度达到8 mm。房屋左边部分山墙立柱与原墙体脱开，脱开宽度约为10 mm。部分混凝土板存在露筋、钢筋锈蚀现象。对受检房屋结构构件承载力验算结果如下[1-3]：

1）房屋一层框架柱的配筋、轴压比不满足要求；

2）房屋部分梁的梁底、梁顶纵筋不足；

3）房屋柱下独立基础承载力不足；

4）房屋楼板部分区域板底和板顶配筋不足。

1.3 加固设计主要内容

1） 基础的加固处理。原结构基础形式为柱下独立基础，基础底面尺寸约为1 400 mm×1400 mm，埋深约为1.0 m。本次改建因使用荷载的大幅增加，需对中柱基础进行加固。由于原基础为独立基础，长宽均较小，现检测发现原结构已经有不均匀沉降，故决定采用增大截面的方法加固原基础。基础加宽的大小根据增加的荷载并根据提高的地基承载力进行计算（图1）。

2） 新增钢柱基础。考虑到新增立柱不影响对业主底楼空间利用的情况下，在梁底新增钢立柱，并新增钢柱基础。

3） 原混凝土柱加固处理。 通过计算发现部分中柱的轴压比已达到1.39，对原中柱轴压比不足处采用包钢法加固。包钢法加固是通过四周增加型钢（如角钢等）和箍板焊接整体，再通过环氧树脂灌胶，使柱的承载力得到较大幅度的提高 。

图1 柱基加大节点示意

4） 新增钢柱。考虑到新增立柱不影响对业主底楼空间利用的情况下，在梁底新增钢立柱（图2、图3）。

图2 新增钢柱柱脚示意

图3 新增钢柱与梁连接示意

5） 楼板的加固处理。根据检测报告，原二层楼板配筋为φ6 mm@200 mm，大部分均为单向板。考虑到本工程为临时使用，为节约投资，二层采用增加楼板叠合层的方法加固楼板。通过计算，增加钢柱并增加楼板叠合层加固，可以使楼板承载力满足设备运行的要求，满足机场候机厅（活荷载标准值为3.50 kN/m2）的要求。

6） 梁的加固处理。二层楼面梁因使用活荷载的增加，配筋不足处采用粘贴碳纤维布进行加固（图4）。

图4 二层梁碳纤维布加固示意

7） 屋面梁的加固处理 。二层墙体拆除后，屋面梁截面较小（大部分截面为200 mm×380 mm），刚度不足，需增大截面，采用增加型钢的方法进行加固（加固计算时已考虑一般性吊顶管道及吊挂荷载，见图5） 。

8） 底层承重墙的加固处理。底层局部墙体因荷载增加，对墙体采用双面钢丝网砂浆的方法进行加固，提高墙体承载力（图6）。

2 加固施工

根据加固设计方案，需加固施工的内容有[4-7]：底层柱外包钢、底层局部墙体钢筋网砂浆加固、底层新增钢柱及基础、二层次梁碳纤维加固、二层楼板叠合层加固、屋面层梁外包钢加固。

图5 屋面梁型钢加固节点示意

图6 墙体加固示节点意

2.1 新增基础施工技术

根据一层原有结构布置情况，11、12、14、15、19 轴需增加基础，对原有承重墙体需开洞，部分拆除过程中确保原有混凝土梁的安全是关键。

根据新增基础尺寸及作业面要求，考虑到原有墙体为承重墙，开洞前需安装临时钢梁，再进行新增基础部位承重墙体拆除，工况如下：

第一步：先在轴线两侧各放出1.50 m边线及钢梁安装位置边线；

第二步：切割拆除钢梁安装位置部分墙体及安装钢梁；

第三步：切割拆除钢梁安装位置剩余部分墙体、安装钢梁、钢梁对接焊接成整体；

第四步：切割拆除墙体；

第五步：基础施工、回填、临时槽钢支撑安装、切割钢梁（确保钢柱安装位置）；

第六步：钢柱安装，拆除临时钢梁及钢支撑，恢复墙体。修补墙体时，新砌墙体应设置拉结筋，一端与原有墙体种植2φ8 mm@500 mm，另一端与钢柱焊接，砌筑完毕后两侧均粉刷厚20 mm 水泥砂浆及内墙涂料。

2.2 柱外包型钢施工技术

本工程E/10、E/11、E/12、E/14、E/15、E/19处共6根混凝土柱需进行柱外包钢。柱四角设置110 mm×10 mm角钢，3 mm×100 mm@300 mm及3 mm×100 mm@150 mm箍板与角钢焊接。

2.2.1 墙体拆除

10/F轴原有混凝土柱需包钢加固，柱加固部位承重墙体拆除，工况如下：

第一步：先在轴线两侧各放出1.50 m边线；

第二步：切割拆除墙体；

第三步：混凝土柱包钢加固；

第四步：恢复墙体。修补墙体时，新砌墙体设置拉结筋，一端与原有墙体种植2φ8 mm@500 mm，另一端与混凝土柱植筋连接，砌筑完毕后两侧均粉刷厚20 mm水泥砂浆及内墙涂料。

2.2.2 包钢施工

1）所有外包加固钢板材质均为Q235B，场外定型加工，现场拼装。安装时将结构面清理干净，混凝土表面打磨掉浮层，直至完全露出坚实新结构面，混凝土表层出现剥落、空鼓、腐蚀等劣化现象的部位予以剔除，用指定材料修补，裂缝部位需先进行封闭处理。

2）柱外包角钢时，在焊接箍形缀板前，用夹具夹紧角钢，然后分段焊接箍板，使角钢与混凝土柱的阳角间隙度成最小状态，确保角钢外包质量。

3）钢材均采用贴角焊缝（满焊），焊缝高度6 mm。

4）加固时必须严格控制箍板间距，柱底、柱顶、梁底、梁端应严格按设计图纸要求进行箍板加密。

2.3 化学锚栓施工技术

屋面梁加固槽钢采用M16对穿化学螺栓固定，一层新增钢柱顶部采用M24化学螺栓与混凝土梁连接。施工要求如下：

1） 机械钻孔，孔型垂直度符合设计要求；锚孔要避让构件的主钢筋；作废的锚孔，用化学锚栓黏合剂或高强度的环氧树脂砂浆填实。

2）清刷孔壁是关系到化学锚筋能否牢靠的关键工序，可采用吹风机从孔内向外吹出粉尘，然后再用清孔刷刷理干净，并用丙酮清洗。

3）将黏合剂注入孔内时，应掌握由孔底至孔口逐渐退行的顺序。插入锚栓后，应不停转动锚栓，边转边插，直至插到孔底并见黏合剂部分溢出为止。

4）静置固化时间按黏合剂终凝时间确定。当前夏季作业时黏合剂的初凝和终凝时间为5 min和15 min。在黏合剂终凝前，不得碰动锚栓，并在其周边采取防止被水冲灌的措施。

2.4 梁碳纤维加固施工技术

一层屋面次梁采用碳纤维布进行加固，梁底通长粘贴2层碳纤维布（同梁宽），碳纤维U形箍宽200 mm@300 mm单层设置， 通长压条采用宽150 mm的碳纤维布。加固施工流程如下：

1）在碳纤维加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维布粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。

2）基底处理：必须清理待加固构件表面的剥落、疏松、腐蚀等劣化混凝土，除去浮浆、油污等杂质，直至露出结构层新面，磨去面上凸出5 mm以上的毛刺。表面层打磨后清除干净并保持干燥，平整度要求不超过5 mm/m。并用脱脂棉蘸丙酮擦拭混凝土表面。裂缝部分如有必要应先进行封闭或灌浆处理。用混凝土角磨机、砂纸等工具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝上要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥10 mm）。用吹风机将混凝上表面清理干净并保持干燥。

3）涂底胶（按选用产品的要求进行底涂）：按主剂、固化剂比例要求将主剂与固化剂先后置于容器中，电动搅拌器均匀搅拌，根据环境温度决定用量并严格控制使用时间，一般情况下需在1 h内用完。用滚筒刷均匀涂抹于混凝上表面，等胶固化后（以指触干燥为准），再进行下一步施工。一般情况下固化时间为2～3 d。

4）用整平材料找平：混凝土表面凹陷部位要用FE胶填平，尽量减少高度差。转角的处理也应用FE胶将其修补为光滑的圆弧。

5）粘贴碳纤维布：按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度一般应在3 m之内。调配粘贴材料黏结胶，然后均匀涂抹于所要粘贴的部位，搭接混凝土拐角等部位要多涂抹一些。粘贴碳纤维布，在确定所贴部位无误后剥去离析纸，用特制的滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使FR胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，待纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹黏结胶。碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100 mm。碳纤维布端部用粘贴横向碳纤维布或粘钢固定。

6）保护：加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

2.5 钢结构（柱）安装施工技术

在11、12、14、15 轴处均增设2根钢柱，钢柱的规格为250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，合计10根，单根长度约5 m，单根质量约360 kg。钢柱上下端均采用螺栓连接，因安装空间限制，钢柱分段制作、安装，先安装下段，再安装上段（上段长度控制在500 mm左右）。钢结构安装要求：

1）钢构件进场以安装先后顺序进行摆放，复测其单件几何尺寸后应严格控制其长度、拱度、侧向弯曲等，吊装前应进行适当的加固，吊装位置需采取防护措施防止吊点变形和油漆脱落。

2）采用单点斜吊方法吊装。就位后必须按照设计要求固定后方可脱钩。

3）钢柱就位后，对锚板与混凝土面缝隙的部位采用环氧树脂填密处理。

4）钢结构安装好后，检查所有现场安装焊缝，现场安装焊缝不得有漏焊现象。

2.6 墙体加固施工技术

17 轴、18 轴墙体两侧采用φ6 mm@300 mm钢筋网外粉刷厚40 mm水泥砂浆进行加固，钢丝网与墙体采用φ6 mm@600 mm拉结筋固定。 施工方法如下：

1）原墙面凿除粉刷层并清洗，如原墙面碱蚀严重时，应清除疏松部分，并用1∶2水泥砂浆修补，修补部分表面与原墙面平齐并进行拉毛处理。

2）根据设计要求，锚杆拉结筋处钻孔，间距不大于600 mm，呈梅花状交错，锚杆拉结筋采用φ6 mm钢筋，待穿孔后两端成弯，以利于与钢筋网片绑扎连接。

3）安装钢筋网片时根据网片的规格及本身墙体面积错位施工，按照设计加固厚度，钢筋网片设置在20 mm保护层内为宜，并与锚杆拉结筋绑扎牢固。

4）根据墙面加固层的厚度，水泥砂浆分层施工，分层按水泥砂浆初凝时间为宜，如时间较长时，应喷水除尘，刷水泥浆，防止隔层，影响施工质量。

2.7 楼板叠合层施工技术

新增叠合层楼板厚度为60 mm，采用单层φ10 mm@150 mm双向钢筋，新增钢筋与原有混凝土楼板采用间隔500 mm×500 mm的φ10 mm钢筋头连接，钢筋头植入原楼板深50 mm处。楼梯间用现浇钢筋混凝土楼板封掉，板厚80 mm，板面配φ10 mm@150 mm双向钢筋，板底配φ10 mm@200 mm双向钢筋，结构完成面同叠合层完成面板面标高（钢筋植入原混凝土梁深15d）。主梁顶附加钢筋4φ20 mm（两端植入原柱深度15d)，次梁顶附加钢筋2φ20 mm，主梁附加箍筋φ10 mm@150 mm（植入原柱深度10d）。施工要点为：

1）施工前提条件：二层墙体、楼面装饰面层拆除。

2）因本工程工期紧张，墙体拆除、屋面梁加固、楼面施工需交叉作业。楼面施工分2次进行，具体划分为区域1及区域2，先施工区域1，再施工区域2（图7）。

图7 新增叠合层楼板加固平面示意

2.8 屋面梁外包型钢施工技术

10 至 20 轴共12根混凝土柱采用外包36c#槽钢进行加固，两侧槽钢采用对穿M16化学螺栓固定，槽钢底部采用厚8 mm钢板焊接连接，钢板与原有混凝土之间空隙浇筑C40灌浆料。

1）所有外包加固钢板材质均为Q235B，场外定型加工，现场拼装。安装时将结构面清理干净，混凝土表面打磨掉浮层，直至完全露出坚实新结构面，混凝土表层出现剥落、空鼓、腐蚀等劣化现象的部位应予以剔除，用指定材料修补，裂缝部位应先进行封闭处理。

2）钢材均采用贴角焊缝（满焊），焊缝高度6 mm。

3）安装槽钢前，在混凝土梁两端凿除部分混凝土（梁底上部100 mm左右），槽钢安装时在其相应位置开设灌浆孔，待灌浆完毕后修复焊接。

4）灌浆施工：从一侧灌入，直至另一侧溢出为止，使灌浆充实，不得从四侧同时进行灌浆；灌浆开始后，必须连续进行，不能间断，并应尽可能缩短灌浆时间；在灌浆过程中不宜振捣，必要时可用竹板条等进行拉动导流；每次灌浆层厚度不宜超过100 mm；灌浆过程中如发现表面有泌水现象，可布撒少量EGM干料，吸干水分；灌浆完毕后，要剔除的部分应在灌浆层终凝前进行处理；在灌浆施工过程中直至脱模前，应避免灌浆层受到振动和碰撞，以免损坏未结硬的灌浆层。

3 结语

本工程因使用功能改变对安全要求高，原建筑陈旧、结构受力差，业主要求加固成本低、质量高，加固设计须考虑各因素，通过受力分析和计算，对基础、柱、梁、楼板、承重墙等受力结构采取增加受力构件、外包型钢、碳纤维、叠合梁加固等综合措施，集成运用以达到安全可靠的加固目的。其中碳纤维加固虽然成本有所增加，但施工时对周边的环境影响小、对原结构的破坏低、加固强度高，值得优先选择。

本工程加固施工过程中，对总体部署、原材料、工艺流程、操作要点的控制和管理是确保工程质量、安全、进度的关键。现场加固过程中发现实际受力体系与设计时依据的排摸数据和资料有很大差异，通过及时反馈信息，重新进行设计计算，调整相应的加固方案，确保了整个承重体系的安全，体现了设计、施工密切配合一体化组合管理的有效性。