城镇老旧小区加固设计方法及施工关键技术研究

赵伟龙，王 静，李永辉

（中交二公局第七工程有限公司，广西 南宁 530201）

1 研究背景

由于木材易于取材的特性，我国逐渐发展并形成了木结构古建筑体系，并且在长时间演化下形成成熟的技术体系，经过大量应用和技术革新过程，构成了形势复杂的链接构造，北宋官方编订了用于指导建筑设计、施工的技术指南——《营造法式》。在地震作用下，由于节点之间摩擦耗散地震能量的作用，木结构较少出现倒塌性破坏，多因倾斜超过一定角度而导致不能够安全使用[1]。但很多木结构随着使用时间不断叠加，加之受到各种自然因素或人为因素影响，出现了承载力和使用寿命严重降低的现象[2-3]。这将严重影响安全和古建筑文化的传承。

对木结构构件的加固研究倾向于借助外部构建修复榫卯节点或进行加固，其中最常见的方式有：以扁钢、角钢或者弧形钢板支撑拔榫的位置；对于破损的榫卯节点使用碳纤维布进行修复或者固定；直接使用钢销、马口铁或者扒钉固定等[4]。

薛自波[5]、徐明刚等[6]和周乾等[7]通过对碳纤维布加固下的木结构榫卯节点进行低周反复荷载作用下的试验研究，计算构架以及榫卯节点骨架曲线以及滞回曲线，并深入分析修复及加固前后榫卯节点或者构架的刚度、承载力以及延性，结果显示经加固后的效果良好。王建省等[8]对不同竖向荷载作用下有无碳纤维布加固时梁的抗震性能进行了分析。试验结果表明：碳纤维布加固能够显著降低节点位移，推迟达到屈服位移的时间，同时提高节点承受极限荷载能力。Yang 等[9]对角钢、木斜撑和雀替等方法加固的一榀木结构框架进行低周往复试验，研究结果表明加固后较未加固的木结构框架表现出更好的抗震性能。Wu 等[10]对13 个榫头表面附近安装胶合钢棒的直榫节点进行单调加载试验，结果表明增加钢棒嵌入长度、直径、强度和减小钢棒到榫头表面的距离能提高节点的初始刚度和抗弯承载力。

本研究以呼北高速公路沿线木结构建筑为例，提出了城镇老旧小区加固设计方法及施工关键技术。在研究的过程中形成了不同型式钢构件加固木节点。面向施工过程，形成了两类关键施工技术，为类似工程的施工提供了借鉴。最终在有限元模型中分析了不同形式的节点的抗震性能。

2 项目概况

本研究的工程项目广西壮族自治区北海市铁山港区兴港镇呼北高速公路沿线两侧，距离向海大道3～16 km 内。兴港镇大树岭、小马头、彬池村范围内246 栋农房，南康镇夏塘村147 栋农房，在原有农房基础上进行坡屋顶和外墙立面改造。工程主要建设内容包括脚手架工程，农房外立面涂装工程，屋顶房钢结构、门窗、屋面及防水、保温隔热、天棚封闭等工程。该地区的木结构建筑存在变形、裂缝、虫蛀等病害破坏问题，见图1。此类病害破坏严重威胁了建筑的正常使用和承载力。

图1 木结构的病害破坏形式

3 加固设计方法及施工技术

为了提高建筑的使用寿命，本研究设计了多种梁柱节点的加固形式。并在实际加固过程中，形成了脚手架工程关键施工工艺。

3.1 加固节点设计

针对不同的节点损伤情况，本研究共设计了4 种不同的加固节点，分别为中空矩形钢板加固、T 型钢板加固、带三角加劲肋的卡槽式钢构件加固和钢板条加固。4 种不同钢构件加固节点形式的钢构件尺寸和加固示意图见图2。

图2 4 种不同钢构件加固节点形式的钢构件尺寸和加固示意图

3.2 关键施工技术

在项目的施工过程中，形成了脚手架工程施工[11]和屋顶钢结构改造房施工[12]两类关键施工技术和工艺流程。

3.2.1 脚手架工程施工

在加固施工的过程中，脚手架的施工过程最繁琐和危险的。本研究面向整体施工过程，总结形成了脚手架搭设顺序和连墙件设置方案，为工程施工提供安全保障，同时使相同类型工程具有一定参考。在施工过程中，形成了脚手架的布置与搭设顺序：立杆→横向水平杆→纵向水平杆→底部纵横水平杆→纵向搁栅→铺设竹笆→外侧栏→剪刀撑、横向斜撑→挡脚板→密目立网。

3.2.2 屋顶钢结构改造房施工

在施工过程中，形成了屋顶钢结构改造房的施工流程：钢结构放样、下料→钢立柱安装→钢横梁、钢纵梁安装→钢桁架安装→钢檩条安装→树脂瓦屋面安装→墙板、门、窗安装→封檐板安装→柱脚防水支墩浇筑→节点防锈漆。

在钢立柱安装过程中，主要存在以下2 项关键技术控制要点：一是将100 mm×100 mm×10 mm 的镀锌角钢工厂下料为100 mm 长的脚码，每个脚码上各钻4 个22 mm×30 mm 的长孔，根据现场位置将脚码铆焊在每根钢立柱上，例如靠近女儿墙侧处柱脚底面3 个、侧面2 个，楼板中间立柱底面4 个。二是民房楼面弹线放样柱脚位置，用干硬性砂浆对柱脚进行找平，划好柱脚螺栓位置，用电锤钻直径22 mm、深度70 mm 的锚栓孔，人工将钢立柱安放到对应位置，插入直径20 mm 的不锈钢螺杆，用螺母临时固定。

在钢桁架安装过程中，形成了4 项关键技术控制要点：一是钢桁架采用60 mm×40 mm×2.5 mm 的热镀锌方钢，搭设单层门式脚手架，人工安放纵向钢桁架中心立杆，焊接牢固后，安放两面坡或四面坡屋面斜杆，两端焊接牢固，确保每榀钢桁架处于同一平面。二是根据设计图示安装纵向桁架内各悬杆，要求悬杆端头角度与斜杆匹配，各节点满焊。三是设置横向桁架上下悬杆，两端焊接于纵向桁架中心立杆上，然后安装纵向桁架内各腹杆。四是若房顶坡面为四面坡或六面坡还需设置斜向钢桁架，做法与纵向钢桁架相同。

4 节点力学性能分析

针对木结构榫卯节点，进行低周往复荷载作用下的力学性能分析。

1） 未加固节点的力学性能。在加载过程中，柱枋之间发生相对转动，但其自身应力很小，基本保持完好状态，变形和破坏主要发生在榫卯节点处。随着往复位移幅值的增大，节点转角逐渐变大，榫头的上下表面的端部和颈部交替与卯口发生接触挤压，出现明显的挤压变形，且伴随着木梁整体相对于卯口拔出。未加固节点的木柱木梁力学性能有限元分析的应力云图见图3。

图3 未加固节点的木柱木梁力学性能有限元分析的应力云图

2） 加固节点的力学性能。以带三角加劲肋的卡槽式钢构件加固形式为例，分析了加固节点的力学性能。分析发现节点下方的钢板的两个三角加劲肋出现明显的屈曲现象。节点上下侧自攻螺丝孔洞附近的木梁应力达到较大，这是因为试验中孔洞周围受到破坏一致，两个三角加劲肋肋板上侧的钢板出现轻微变形，节点下侧钢板上的两个三角加劲肋均是向外变形发生屈曲，节点下侧的自攻螺丝均发生了不同程度的剪切变形。由以上分析可知，本文所提出的4 种加固节点形式可以有效提高结构的抗震性能。加固节点的木柱木梁力学性能有限元分析的应力云图见图4。

图4 加固节点的木柱木梁力学性能有限元分析的应力云图

5 结论

针对木结构建筑在温度、雨雪等环境因素作用下可靠度降低的现状，本研究提出了城镇老旧小区加固设计方法及施工关键技术。

1） 针对呼北高速公路沿线木结构建筑的病害破坏情况，获取了3 类常见的现象，即变形、裂缝、虫蛀。

2） 本研究设计了4 种加固节点形式，即中空矩形钢板加固、T 型钢板加固、带三角加劲肋的卡槽式钢构件加固和钢板条加固。在施工过程中，形成了脚手架工程施工和屋顶钢结构改造房施工的关键技术，为类似项目的施工提供了可靠的借鉴。

3） 针对加固节点形式，本研究分析了加固前后构件的力学性能。对比发现，本研究所提出的加固节点形式可以有效提高结构的抗震性能。