既有空斗墙砌体结构的整体加固与改造

2018-12-06徐晓明朱云龙

建筑施工 2018年8期

尹伟郑伟徐晓明朱云龙

苏州中固建筑科技股份有限公司江苏苏州 215001

我国在20世纪90年代以前建造有大量的砌体结构，很多采用空斗墙，且无圈梁、构造柱，历次地震灾后的调查表明[1]，这类房屋没有合适的抗震构造措施，地震中破坏程度较高，极易倒塌，故随着经济发展，新建项目砌体结构使用越来越少。但由于经济因素、城市规划、古城保护等原因，仍需要对这些老旧空斗墙砌体建筑加固后保留使用。特别是目前国家倡导节能减排，提出了“城市双修”概念，因此对既有砌体结构加固的研究也就具有了一定的社会意义。

1 工程概况

本工程位于苏州市古城区内，房屋为4层，建筑高度13.5 m，总建筑面积约5 000 m2。该酒店建造于20世纪90年代，结构形式为砌体结构，外墙角部、内部纵横墙及楼梯间、电梯间角部均未设置混凝土构造柱。1层为厚240 mm实心墙体，其余楼层为厚240 mm无眠砖全空斗墙，每层顶部和底部各设置3皮扁砌砖。楼板为预制空心楼板。房间开间3.5 m，进深分别为4.7、5.3、6.1 m。根据检测报告，墙体砌筑用砖抗压强度推定等级为MU10，墙体砂浆的推定强度为0.3 MPa。该建筑为L形，原结构以②轴为界，设置了抗震缝，将结构分成2个矩形平面（图1）。

图1 1层结构平面示意

酒店停业多年，现要重新装修使用，建筑使用功能基本保持不变，内外墙体布置亦基本保持不变，仅局部门洞位置调整，部分预制楼板置换为现浇楼板，结构整体使用荷载未增加。原基础为墙下条形基础，经检测，未发现因地基不均匀沉降引起的主体结构裂缝，主体结构无明显变形、倾斜，基础鉴定为Au级，基础不做加固。

2 结构整体计算及加固措施

2.1 加固前原结构整体计算

对抗震缝左侧结构，采用PKPM软件进行整体建模（图2）。对于空斗墙如何模拟是建模的难点，根据王世雄等[2]试验研究结果，空斗墙砌体的抗压强度为同条件下实心砌体抗压强度的50%，抗剪强度为同条件下实心砌体抗剪强度的65%，据此提出了采用一半厚度实心墙体模拟空斗墙，该做法是偏于安全的。计算模型1层墙体厚度取240 mm，2～4层墙体厚度取120 mm。砌体及砂浆强度按现场检测实际强度输入。抗震设防烈度按6度计算，1层为实心墙体，2层以上为空斗墙，因此2层为最薄弱楼层，以2层为例进行分析。

图2 结构三维模型

在2层受压承载力计算结果中（图3），红色字体表示数值小于1，承载力不足，大部分墙体受压承载力在0.15～0.30之间，个别墙体仅为0.06。在2层第二级鉴定计算结果中（图4），红色字体表示承载力不足，大部分墙体抗震承载能力在0.3～0.6之间。根据上述计算结果，原结构墙体竖向承载力及抗震承载力都远不能满足结构安全要求。

图3 2层加固前受压承载力计算结果

图4 2层加固前第二级鉴定计算结果

2.2 上部结构加固

2.2.1 总体加固思路

砌体结构加固方法有多种，其中增加钢筋网砂浆面层是比较常用的做法。

尚卿等[3]采用足尺模型模拟多组不同类型空斗墙，进行了钢筋网砂浆面层加固后承载力试验，试验结果表明，加固后墙体初始开裂荷载值和最终破坏荷载值均有较大幅度增加，提高了60%左右，且抗震性能、结构刚度、整体性、延性也有较大幅度提高。钱华君[4]对空斗墙的试验研究结果表明，采用钢筋网砂浆面层加固，空斗墙抗剪承载能力可以提高2倍左右。

根据周立朋[5]、汤伟民[6]、田世民[7]的研究，采用外加构造柱及圈梁加固可以有效地提高结构的抗震承载力，延迟破坏时间，同时提高墙体出现裂缝的极限荷载值。本工程外立面四周每层增设圈梁拉通布置，对结构整体形成5道围箍，与外立面新增壁柱形成“大框架”，内部房间四边增加圈梁，与内部增加壁柱连成整体，形成“小框架”，内外“框架”通过拉结筋连接，形成抗侧力体系，对墙体形成有效约束，限制墙体变形，地震作用时，可有效防止墙体开裂、倒塌。

2.2.2 加固施工做法

根据上述一些研究成果，本工程采用的结构加固措施为：

1）第一步，对整楼所有墙体采用双面钢筋网砂浆面层加固（图5）。做面层前，将墙体粉刷层铲除干净，保证加固面层与原墙体的可靠粘结，原墙体松动部分清理置换。已松动的勾缝砂浆剔除，用高强聚合物砂浆修补平整。为了减少对原墙体的破坏，拉结筋设置在砖缝内，拉结筋布置完成后用水泥基灌浆料将孔洞填实。竖向钢筋在楼板处采用φ12 mm等代钢筋穿过楼板，减少对楼板的破坏。粉刷层厚度35 mm，分2次粉刷。

图5 内部纵横墙交界处墙体加固节点平面

2）第二步，对纵横墙交界处，从底层到屋顶增加通长扶壁柱，底层与新增地圈梁连接，各楼层位置与后增加圈梁连接。为了减小扶壁柱对房间使用的影响，外墙加固时把扶壁柱及混凝土圈梁加到了外立面上，并采用拉结筋与内墙进行拉结（图6、图7）。内墙扶壁柱设置在门后，截面尺寸120 mm×200 mm，在墙体两侧同时设置，采用拉结筋拉结，对墙体形成约束（图8）。

2.3 加固后结构整体计算

对结构进行双面钢筋网砂浆面层加固，增加构造柱，采用PKPM软件建模（图9、图10）。图中蓝色字体表示数值大于1，承载力满足要求。根据PKPM分析结果，采用上述加固措施后，墙体的竖向承载能力和抗震计算均达到要求。

图6 外墙新增扶壁柱与内墙连接节点

图7 外立面增加扶壁柱与圈梁

图8 内墙扶壁柱做法节点

图9 2层加固后受压承载力计算结果

图10 2层加固后第二级鉴定计算结果

3 型钢代替混凝土圈梁

内部新增圈梁原设计方案为混凝土圈梁，施工时需要将楼板开槽浇筑混凝土，由于楼板为预制空心楼板，开槽对楼板破坏非常大，可能导致楼板端部剪切破坏，整体掉落。针对该问题，根据GB 50702—2011《砌体结构加固设计规范》第12.1.2条，考虑将混凝土圈梁改为角钢。角钢在墙两侧双面设置，截面采用∠75 mm×6 mm。墙体两侧角钢采用对拉螺栓拉结，角钢与楼板及墙面间缝隙用干硬性水泥砂浆填充密实，角钢与两端新增扶壁柱内预埋钢板焊接连接（图11）。角钢与扶壁柱形成“弱框架”，对砌体形成约束，大大提高了结构整体性。

图11 角钢与扶壁柱连接大样

4 空斗墙内部注浆

墙体加固设计采用双面钢筋网砂浆面层加固，需要将原墙体面层铲除后才能保证新增面层与原墙体的良好贴合。当铲去部分墙体面层后发现，原墙体质量非常差，砂浆强度几乎为零，手指轻轻抠一下，砂浆就整块掉落，砖块徒手就能轻松取下。2层以上墙体为空斗墙，且整片墙体没有眠砖，内部洞口从上至下贯通，墙体稳定性极差（图12）。墙体粉刷层是后期二次装修施工，距离现在年代较近，面层砂浆强度较高，对墙体强度稳定起一定作用，形成了外强内弱的结构，如果将整片墙体强度较高的面层铲除后，墙体可能会丧失承载能力，瞬间倒塌。铲除面层的过程中，稍微操作不当也会导致砖块掉落。

发现上述问题后，现场立即停止铲除面层，经过多方论证，并经过现场小范围试验，最终选择了在墙体内灌注灌浆料的方式处理该问题。在墙顶和墙体中部间隔1 m开设一个小洞口，采用压力注浆设备，沿墙壁灌注C40水泥基灌浆料，在墙底钻一个小洞口，当浆液从洞口流出后即停止注浆，以此控制灌浆量，避免灌浆量太大。

灌浆料强度较高，强度形成快，具有较好的流动性，能顺着墙壁流淌，渗入到墙体砖缝内，对墙体强度有一定提高作用。由于整片墙体无眠砖，便于灌浆料的灌注，并在墙体内部形成一个灌浆料整体面层，可对墙体整体稳定起很好作用。灌浆后再进行铲除面层施工，砌块无松动现象，采用此方案，墙体铲除面层工作顺利完工，施工安全隐患消除（图13、图14）。从现场施工情况看，该方法效果较好[8-10]。

5 预制空心楼板置换

5.1 情况介绍

由于房屋建造年代久远，且历经多次装修改造，部分楼板多次穿管线，形成较多孔洞，面层剥落严重，钢筋锈蚀，楼板外观质量、防水性能、承载能力都相当差，这些楼板不能适应建筑功能要求，因此需将这些楼板置换为现浇楼板。为了不破坏墙体，预制楼板拆除采用静力切割方式沿墙边切除，楼板搁置在墙体内部分仍然保留，新增现浇楼板与墙体的连接难以处理。

图12 注浆前局部铲完面层后墙体

图13 空斗墙内部压力注浆

图14 注浆后铲完面层墙体

根据现场情况，利用墙体内空心楼板的洞口（图15），在洞口内铺设钢筋，浇筑楼板时，先在洞口内浇筑混凝土，振捣密实后浇筑其余部分楼板，形成整体，洞口内混凝土相当于抗剪销键，搁置在墙体内，起到抗剪作用。

图15 预制楼板拆除后留下的洞口

5.2 抗剪与抗弯承载力计算

原空心楼板规格为宽500 mm五孔预制板，板厚120 mm，单孔直径60 mm。置换为现浇楼板，混凝土采用C30，楼板跨度3.5 m，板厚120 mm。根据相关计算，该楼板置换做法的抗剪与抗弯承载力满足要求。

5.3 楼板施工要点

楼板置换做法（图16）的施工难点在于孔洞较小，孔洞内混凝土浇筑困难，容易在内部形成气泡，楼板一次浇筑，无法保证孔洞内混凝土的密实度。施工时，将普通混凝土改为自密实混凝土，先浇筑洞口内混凝土，控制浇筑速度，使混凝土缓慢流入，增加振捣工艺，充分排出空气，专人负责逐孔检查密实度，符合要求后进行大面积楼板的浇筑，控制浇筑时间间隔，避免形成冷缝。