既有砌体住宅装配化外套加固技术与方法

苗启松

作为一种传统的结构形式，砌体结构在人类建筑工程的发展史上占有十分重要的地位。上至举世瞩目的万里长城、下至河北赵县安济桥，这些历史上里程碑式的建筑都采用了砌体结构形式。由于砌体结构具有构造简单、施工简单、取材便捷、耐火性及耐久性良好等特点，其已经成为我国房屋建设工程中应用最为广泛的一种结构形式。无论在抗震设防地区还是非抗震设防地区，都可以看到砌体结构的影子。

新中国成立后，受制于对工程抗震认知程度的不足，我国建造的大量砌体结构并没有进行合理的抗震设计，难以满足当前抗震设防的要求。历次地震震害结果也表明，未采用合理的抗震设计和构造措施的多层砌体结构在地震中破坏严重。1976年唐山大地震，一千多栋砌体结构建筑中，倒塌率为70%～90%；1991年新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震多层砌体结构破坏率达75%；2008年汶川地震，多层砌体结构破坏率也达到50%。此类建筑量大面广，与民众生命财产安全息息相关，短时间内又难以拆除重建，因此，对这类建筑进行必要的加固处理，提升建筑的抗震安全性已经迫在眉睫。

外套加固技术提出

北京地区于20世纪六七十年代建造了大量多层砌体住宅建筑，至今已使用了40余年，存在着结构材料老化、整体抗震性能差、居住舒适度低等一系列问题，亟须解决。这些砌体住宅多采用北京市建筑设计研究院有限公司编制的“64住2”“73住乙”“74住1”及“76住1”等系列住宅标准图建造，典型建筑单元平面布置图如图1所示。

依据房屋检测鉴定统计结果及走访调研情况，上述砌体住宅建筑主要特点如下：1）抗震构造和承载力一般都不满足要求。仅对建筑外侧墙体加固（如在砌体结构外墙进行单面钢筋网砂浆面层法加固等），不能完全解决抗震承载能力不足的问题；2）户型小、建筑内部使用面积紧张。以“74住1”甲单元为例，各户建筑面积约50m2左右，卫生间使用面积不足2.0m2；3）施工扰民问题敏感。加固施工过程中产生的噪声、粉尘污染等问题，会对住户的日常生活造成较大影响，居民普遍抵制。

由于结构抗震性能较差，如采用传统的砌体结构整体抗震加固方法，如“钢筋网砂浆面层加固法”“钢筋混凝土板墙加固法”等，需对建筑内部墙体同时进行加固，这就会造成建筑使用功能中断、原有内装修破坏、占用现有建筑内部使用空间等一系列问题，从工程可实施性角度而言，存在巨大困难。因此，北京市建筑设计研究院有限公司复杂结构研究院的工程师创造性地提出了一种基于装配式技术的综合加固体系，如图2所示，即在既有砌体结构两侧增设装配式“外套”结构，在砌体结构的横向和纵向分别外套和外贴预制钢筋混凝土墙，并在外套结构基础平台下设置旋转钻进钢桩，调整外套结构与既有结构之间沉降差。

该技术具有以下优点：1）安全可靠，抗震能力高；2）现场湿作业少，施工周期快，对周围居民干扰小，环境影响小；3）对住户干扰小，入户工作量少，居民不必搬出；4）保温节能及外立面装饰改造一体化解决；5）综合造价低，经济性好。这种体系化的整体式外套加固方案，改变了传统技术“头疼医头、脚疼医脚”的加固理念，通过附加延性及耗能更好的新结构，改善了老结构地震作用下的变形模式，从根本上改变了原结构抗震不利的动力特征。

图1 “74住1”甲单元建筑平面布置图

图2 既有砌体结构装配化外套加固方法示意

装配化外套加固试验研究

（一）足尺模型抗震性能试验研究

为验证装配化外套加固后结构的抗震性能，选取“73住乙”住宅标准图中的两个典型开间作为试验单元，在中国地震局工程力学研究所恢先地震工程实验室建造了五层、1:1足尺砌体结构模型进行结构拟静力及拟动力试验，验证新老结构变形协调机理，为设计方法提供科学技术支撑，如图3～图5所示。

拟静力试验及数值模拟结果表明，加固后的结构无论是横墙方向还是纵墙方向，结构的承载能力、抗侧刚度、耗能能力及延性均有显著提高（具体试验结果详见硕士学位论文《采用预制RC构件加固的砌体结构抗震性能研究》）。

足尺模型的制作加工过程验证了外套加固法施工的可行性，主体结构加固构件均采用预制钢筋混凝土构件，整个加固过程历时仅1个月，现场湿作业量极少，能够实现不入户施工。外套加固极大地提升了原有砌体结构的抗震性能，改变了砌体结构地震作用下脆性破坏的特征，加固后的结构表现出良好的延性特征。

（二）新型旋转钻进钢桩研发

老旧小区施工场地狭窄、障碍物多，为与装配化外套加固法配合，减小现场湿作业，我单位研发了新型旋转钻进（复合）钢桩，如图6所示。该桩型由钢桩与注浆体组成，钢桩为焊有叶片的钢预制桩，采用专用机械旋转钻进方式成桩（图7），之后进行桩端、桩侧后注浆，从而形成一种钢桩与注浆体组成的复合型桩基。

通过对旋转钻进复合钢桩的受力机理分析，结合试验及工程桩试桩成果，得出以下结论：1）该桩型承载力相对较高，施工机械化程度高，施工方便快捷、工期短、绿色环保；2）注浆前钢桩承载力相对较低，注浆后钢桩承载力增加很大，为最大限度发挥桩身强度、提高桩基承载力，需要配以注浆施工工艺。

装配化外套加固实践

经政府部门协调，选定北京市朝阳区某栋砌体结构住宅楼作为外套加固方案实施的试点工程，如图8所示。该建筑建成于1965年，地上5层，建筑面积3587.60m2，预制楼板，横墙承重，未设置圈梁构造柱。经现场检测，首、二层砌体强度MU10，砂浆强度M2.5，三至五层砌体强度MU7.5，砂浆强度M1.0。经安全及抗震鉴定，该建筑抗震性能不满足要求，竖向安全性满足要求。

图3 足尺试验模型平面图

图4 加固前模型正视图

图5 加固后模型正视图

图6 旋转钻进钢桩示意图

图7 旋转钻进钢桩施工

图8 试点工程加固前立面照片

图9 加固后建筑平面布置图

采用外套（预制构件）加固法进行抗震加固，从户型改善均好性角度考虑，建筑一侧挑出1.5m，另一侧挑出1.35m。左、中、右户套内净面积增加9.97m2、10.21m2、9.48m2，标准层每层建筑面积增加187.40m2，全楼共计增加937.00m2，加固后建筑平面布置图见图9。

加固改造时，原结构外纵墙上的窗下墙拆除，使新增外套结构部分与户内联通。本工程中，在原结构横墙位置外侧新增200mm厚钢筋混凝土剪力墙、在外纵墙外侧外贴140mm厚钢筋混凝土纵墙，新增外扩部分楼板厚度100mm。加固改造后单元结构平面布置图如图10所示。

图10 加固后单元结构平面布置图

图11 加固项立面示意图

图12 原有悬挑阳台拆除

图13 旋转钻进钢桩施工

图14 基础底板施工

图15 预制构件加固施工

图16 加固后建筑外立面效果图

主要加固项立面示意图及现场施工照片详见图11～图16，加固施工流程如下所述：1）原有建筑悬挑阳台拆除；2）旋转钻进钢管桩施工；3）压浆锚杆施工，埋入原结构横墙基础放脚内；4）现浇钢筋混凝土承台梁施工；5）采用预制钢筋混凝土墙板对原有外纵墙进行加固，两者之间采用CSA无缝自流平灌浆材料相互粘结；6）原有横墙两侧新增预制钢筋混凝土剪力墙；7）屋顶位置新增钢筋混凝土拉梁；8）钢结构坡屋顶施工。

实践证明，外套（预制）加固方法加固多层砌体结构具有方法可靠、可实施性强、施工速度快、施工绿色文明、抗震节能一体化解决、综合造价相对较低等优点，同时也能做到避免入户施工，改善居民居住条件。

结语

装配化外套加固技术实现了既有砌体住宅抗震加固新突破，减少了对住户的干扰，提高了住宅品质，具体表现为：

1）新型旋转钻进复合钢桩，成桩角度多样化、施工机械小型化、施工方便快捷；

2）外套钢筋混凝土墙由工厂预制生产，产品质量高，规格精度高，构件现场安装，劳动强度小，湿作业少，施工周期快，环境影响小；

3）结构整体加固施工对住户干扰小，入户工作量很少，居民不必搬出，解决居民搬迁周转问题，节省了大量安置费用；

4）工程保温节能及外立面装饰改造一体化解决，不仅能显著改善建筑的热工性能，增加房屋舒适度，又对外立面进行了更新，改善了住宅使用性能和建筑物外观视觉效果；

5）适当增加的建筑使用面积，改善居民居住品质，深受居民欢迎，提升了政策亲和度，更容易推广。

该技术可提高房屋抗震能力，增加建筑使用面积，延长建筑使用年限，对缓解城市建设用地紧张、改善人民居住条件都具有现实意义。同时，将老旧建筑加固改造与工业化有机结合，也为我国现存的抗震危房提供一种切实可行且具有推广意义的解危方案。自2011年以来，装配化外套加固方法在北京市老旧小区抗震节能综合改造工程中得到广泛应用，应用面积近百万平方米，为提升北京城市抗震韧性水平，为建设国际一流的和谐宜居之都提供了直接、有效的安全保障。