既有建筑中分隔墙的现场检测及承载力复核

陈显文，端家龙，黄海涛

(1.南京工大建设工程技术有限公司,江苏 南京 210009; 2.兴化市住建局,江苏 兴化 225700)

0 引言

近30年中国建筑业迅猛发展,混凝土森林大量拔地而起。其中很多建筑层高高、空间大、形象好、使用方便。

时过境迁,这些高大建筑内,个别内部存在分隔墙倒塌、开裂的案例:如2021年某海边厂房内隔墙被风吹倒,2022年某市围墙倒塌。

为查明隐患,检测及鉴定行业应运进场,本文对既有建筑内分隔墙(砌体结构)的安全性检测及承载力复核带来新关注点。

1 工程实例简介

江苏地区某厂房:整体为一层,平面柱网为:108 m×72 m,檐口高度为11.20 m,屋脊高约为13.00 m;平面分为3跨,南北每跨为24 m,东西每开间为9.0 m;其内部设有多道分隔墙体[1-3]。厂房平面示意图见图1。

根据现场检测,分隔墙均为240 mm厚实心砖砌筑,其中一分隔墙立面示意图见图2。

该高大分隔墙现状:

1)该墙体已建成约10 a。

2)墙面外观产生多条斜向裂缝(通缝)。

3)整面墙体有局部倾斜现象。

2 墙体的结构分类

根据结构受力型式,砌体结构中的墙体可分为自承重墙和承重墙。

自承重墙体:承担自身的重力和砌筑时的墙体垂直度偏差、风荷载、地震及其他偶然荷载带来的水平力。

承重墙:承受以上荷载的同时,还承担上部结构传来的其他荷载。

该墙体为内部分隔空间用、后砌筑墙体、顶部与主体结构无连接,故不承担上部结构的其他荷载,属于自承重墙体[4]。

3 砌体的现场检测

砌体现场检测参数一般需求如下。

3.1 上部墙体及基础的几何尺寸检测

1)上部墙厚:240 mm(h);墙高:11.20 m(H1:地面上)。

2)基础地下埋深:-0.80 m,基础示意图见图3。

3.2 墙体的构造及边界条件检测

1)设置有构造柱,截面尺寸为240 mm×240 mm,左右间距为4 m,构造配筋。

2)设置有圈梁,截面及配筋同构造柱,上下间距为4 m。

3)墙体顶部与屋面刚架无拉结。

3.3 墙体材料的力学性能检测

1)砖的强度检测:现场采用回弹法检测砖强度。经检测,该墙体砖强度等级约为Mu10。

2)砂浆的强度检测:常规检测方法有两种,贯入法及筒压法。

首次采用贯入法检测,砂浆检测强度等级约为M2.9;二次复检采用筒压法,其砂浆强度等级约为M5.6。差异较大,如何取舍。

贯入法是采用钢钉,在额定推力的作用下,根据其多次多处刺入砂浆层中的深度,来判定砂浆强度的一种快捷方法。现场检测示意图见图4。

筒压法是现场采集一定量的砂浆,回到实验室,干燥后,分级加压,再按破坏形态的级配,综合计算而得出砂浆强度的一种方法。

根据大量检测项目比较,贯入法检测出的砂浆强度普遍较低,究其原因为砌体砌筑时砂浆饱满程度不同而变化。现场检测时,虽去除了砖缝中表面的后期粉刷层,但部分粉刷层依旧镶嵌在砖缝中(原砌筑时砂浆饱满程度不足),贯入仪的钢针先接触到粉刷层(强度一般较低),后接触到砖缝中的原状砌筑砂浆。故砌筑时砂浆饱满程度越低,后期采用贯入法的砂浆检测值与实际误差越大[5]。

本墙体砂浆强度的检测值经分析后取为M5。

4 自承重墙上部的承载力复核

4.1 计算荷载及相应基本条件

该自承重墙体因处于室内,亦可认为无水平荷载作用,故常规设计满足《砌规》中以下两条即可(本文引用条文及计算公式均为《砌规》,下同)。

1)墙体应满足高厚比验算-构造的稳定性要求(6.1.1条)。

2)墙体应满足受压构件的承载力要求(5.1.1条)。

根据本墙体的砌体类型(砖砌体,砖强度等级Mu10)及砂浆强度等级(M5),查表6.1.1得该墙体的允许高厚比[β]为24。

因本墙为内隔墙,且室内地坪为刚性地坪(面层为200 mm厚C20混凝土),墙体嵌固点可取为地面下500 mm(5.1.3-1条),故本墙体高度:H=H1+0.50。

4.2 计算状态分类

针对不同的边界条件,自承重墙体大致分为以下四种计算状态。

1)状态1(无构造柱及圈梁;墙顶与屋架无连接)。

该墙计算高度H0按整面墙(下端为固接,上端为自由端):取H0=2H(5.1.3表注2)。

a.高厚比(β)的计算:

β=H0/h≤μ1μ2[β]

(6.1.1条)

U1=1.2×(1+30%)=1.56(U1为自承重墙允许高厚比的修正系数;该墙为自承重墙,6.1.3-1条及注1)。

U2=1.0(U2为有门窗洞口墙允许高厚比的修正系数;该墙无门窗,6.1.4条)。

综上该墙允许高厚比[β1]为:

[β1]=μ1μ2[β]=1.56×1.0×24=37.44。

该墙高厚比:

β1=H0/h=2×(H1+0.50)/0.24=97.50。

β1=97.50>[β1]=37.44。

即该墙体高厚比不满足规范要求。

b.承载力计算(按每米单元):

N≤φfA

(5.1.1条)

φ的取值(附录D):

β=H0/h=37.42>3,按D.0.1-2计算。

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)

故该墙允许承载力为:[N1]=φfA=0.32×1.50×103×0.240×1.0=115.21 kN。

本墙为自承重墙,墙顶无外部压力,故墙底自重(恒载分项系数不利时取1.2):

N1=γρgh=1.2×22×0.24×(H1+0.50)×1=

74.13 kN。

N1=74.13 kN<[N1]=115.21 kN。

即该墙底承载力满足规范要求。

综上所述,状态1:墙体高厚比不满足规范要求,墙底抗压承载力满足规范要求。

2)状态2(无构造柱及圈梁;墙顶与屋架有连接)。

砌体材性参数同状态1。

该墙计算高度H0按整面墙(下端为固接,上端为简支点):取H0=0.7×H(5.1.3条的注5)。

a.高厚比计算:

β2=H0/h=0.7×(H1+0.50)/0.24=34.13。

β2=34.13<[β1]=37.44。

即该墙体高厚比满足规范要求。

b.承载力计算(按每米单元):

同状态1,该墙底承载力计算满足要求。

综上所述,状态2:墙体高厚比及墙底抗压承载力均满足规范要求。

3)状态3(有构造柱及圈梁;墙顶与屋架无连接)。

构造柱及圈梁:上下左右间距不大于4 m;截面为240 mm×240 mm,C20混凝土,配筋:4Ф12,Ф6@200 mm。

砌体材性其他参数同状态1。

a.高厚比计算:

带构造柱的墙体,其允许高厚比[β]可乘以修正系数μc。

μc=1+γ(bc/l)=1.09

(6.1.2-2条)

[β3]=[β]×μc=24×1.09=26.16。

即带构造柱墙体的最终允许高厚比加大为:

[β31]=μ1μ2[β3]=1.56×1.0×26.16=40.81。

但公式β=H0/h中的H0如何取值,圈梁又如何体现其作用。

《砌规》6.1.2-3条:设有钢筋混凝土圈梁的带壁柱墙或带构造柱墙,当b/s≥1/30时,圈梁可视作壁柱间墙或构造柱间墙的不动铰支点(b为圈梁宽度)。该条又如何理解。

理解1:

该墙计算高度H0按整面墙(下端为固接,上端为自由端):取H0=2H=2×(H1+0.50)(5.1.3表注2)。

该墙高厚比:

β31=H0/h=2×(H1+0.50)/0.24=97.50。

β31=97.50>[β31]=40.81。

即该墙体高厚比不满足规范要求。

理解2:

该墙计算高度按圈梁间墙(墙上下端为简支点;圈梁上下间距为4 m)。

取H0=1.0×H=4 m(5.1.3表注5)。

该墙高厚比:β32=H0/h=4/0.24=16.67。

β32=16.67<[β31]=40.81。

即该圈梁间墙体高厚比满足规范要求。

经分析,理解2的复核过程不充分:高厚比的验算,实际原理是墙体的侧向抗弯的验算,应该是整面墙体侧向抗弯的验算。整面墙体的侧向抗弯传力途径为:

整面墙体共同受力,砌体侧向抗弯;

墙体被圈梁分隔成多层墙体,通过圈梁传力至构造柱,由构造柱来侧向抗弯(类似框架结构中框架梁传递水平力,最终由框架柱来抵抗整体的侧向力)。

理解2中需进一步复核:构造柱能否满足整面墙体侧向稳定的需求。

b.承载力计算(按每米单元):

(8.2.7-1条)

经查表8.2.3:Φcom=0.46,η=0.52。

N3=N1=74.13 kN≤[N3]=196.43 kN。

即该墙底承载力满足规范要求。

综上所述,状态3:理解2中圈梁间的墙体高厚比验算,只能说明圈梁间墙体的稳定性,无法保证该整面墙体的稳定性,应按理解1验算。墙底抗压承载力满足规范要求,且因有构造柱的分担,该墙体的允许承载力大于无筋砌体。而圈梁在高厚比及承载力的验算中,均未见其帮助作用。

4)状态4(有构造柱及圈梁;墙顶与屋架有连接):

砌体材性参数同状态3:

该墙计算高度H0按整面墙(下端为固接,上端为铰接):取H0=0.7H=0.7×(H1+0.50)(5.1.3表注2)。

a.高厚比计算:

该墙允许高厚比为[β41]=[β31]=40.81。

该墙计算高厚比:

β41=H0/h=0.7×(H1+0.50)/0.24=34.13。

β41=34.13<[β41]=40.81。

即该墙体高厚比满足规范要求。

b.承载力计算(按每米单元):

同状态3,即该墙底承载力满足规范要求。

4.3 计算状态分类结果

计算状态分类结果汇总见表1。

表1 计算状态分类结果汇总

5 上部墙体现场检测要素汇总

1)砌体砂浆强度宜选择筒压法检测的数据作为计算依据。

如两种方法检测出的数据误差大,即说明原砌筑时砂浆不饱满,其砖缝中砂浆投影面积小于砖底面积,计算时宜折中选择或在PKPM程序中采取降低施工质量等级来修正。

2)砌体墙顶的连接:对墙体高厚比的计算起关键作用。

3)砌体中构造柱的设置:对墙体高厚比及墙底抗压承载力的计算都有帮助。

4)圈梁的存在:在墙体高厚比及承载力计算中未起作用(圈梁间墙体的稳定性验算更无法保证整面墙体的稳定性)。

本检测案例中内隔墙(1-9XB-D轴墙体),应取状态3(理解1)来复核,其结论为:该墙底抗压承载力满足规范要求,整面墙体的高厚比不满足规范要求,存在安全隐患。

6 自承重墙基础的承载力复核

内部高大分隔墙,无水平力,其基础如何复核抗倾覆能力。

1)该墙体的竖向荷载:顶部未与主体有拉结,故只有墙体自重恒载,无其他竖向活载。

2)该墙体的水平荷载如何考虑。

a.水平风荷载:本墙体为内部隔墙,无。

b.地震水平荷载:本次鉴定的依据标准主要为GB 50292—2015民用建筑可靠性鉴定标准(以下简称《民标》),则该墙体无需考虑地震力作用(或该墙体为非抗震构件,或处于非地震区,也无需考虑地震力的作用)。

那该墙体基础是否无需考虑水平力的作用,即基础无侧向抗倾覆能力。

以上推测显然不符合实际:任何现状墙体均不会一吹即倒;规范中对上部墙体的高厚比限制,实则是前人总结、对于常规墙体侧向稳定性的快捷计算,已允许一定数值的水平活载。

3)根据力学原理(高厚比限值下的墙体应力应等效于额定水平荷载下墙体内部的抗弯应力),可推算上部结构在高厚比限值下其对应的允许水平活载限值。

a.状态1及状态2下,自承重墙体可达最大高度见表2。

表2 自承重墙体最大高度

b.根据砌体边界条件,在单元水平活载(q1)下,其墙体弯矩示意图见图5。

根据《砌规》中公式:M≤ftmW(5.4.1条)。

其中,M为墙体最大侧向弯矩(状态1及状态2均为墙根处);Ftm为墙体可承受的拉应力;W为墙体的截面抵抗矩;墙体有自重(N),其侧向抗弯公式可演变为墙体内部应力计算公式:ftm=σ=N/A±M/W。

根据砌体种类及砂浆强度等级,可按表3.2.2查得:该墙体弯曲抗拉强度允许设计值为-0.11 MPa。

c.分别计算墙体抗拉最大处应力(恒载分项系数有利时取1.0;活载分项系数取1.4),从而推导结果见表3。

表3 推导结果

d.综上所述,规范中高厚比隐含的水平荷载(q1)标准值约为:0.20 kN/m2(小于多数地区10年一遇的风荷载标准值)。

如该墙为常规高度(高度降低50%;顶部无约束的墙体高度为2 m,类似围墙;顶部有约束的高度为6 m,类似室内挑高建筑),则高厚比满足的状况下,其允许的水平活载值(0.50 kN/m2)约等效于多数地区50年一遇的风荷载标准值。

4)根据以上推导,自承重墙体宜组合当地的水平风荷载,来复核其基础的抗倾覆能力。

按GB 50007—2011建筑地基基础设计规范中5.2.2-2条(偏心荷载作用下的公式)复核,该墙体基础底截面尺寸不满足规范中抗倾覆要求,存在安全隐患。

7 结语

离开电算程序,设计师们对于建筑内部的高大分隔墙体(自承重墙),重视程度不足:建筑施工图上有分隔墙体的布置,而结构计算多数缺了高大自承重墙上、下部的验算。

既有建筑中砌体砂浆强度的检测存在多种方法,但根据统计,贯入法检测数值多低于筒压法,需综合考虑及适当修正。

圈梁的存在,对于墙体的承载力及高厚比的复核未起贡献。

规范中高厚比的规定,实则是常规高度墙体在风荷载下稳定性的快捷验算;高大墙体即使高厚比验算满足规范要求,在安全性鉴定中上部墙体及基础均宜组合当地水平风荷载二次复核。