某水电站砖混结构承重墙托换的抗震加固技术及应用

廖明进，袁从华(.中科院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 6004；.武汉科技大学理学院，武汉 430065)

0 引 言

在我国发展过程中，建设年代较早的老旧建筑物多为砖混结构。随着社会经济和文化的发展，人们对这类建筑使用空间、功能等方面提出新的要求，因此如何维修、加固、改造这些建筑是一个普遍问题。在这类结构改造加固过程中几乎都涉及承重墙体的拆除，即原墙体承受的荷载将由托换梁承担，进而传递到竖向承重构件和基础。以某水电站办公楼工程改造为例介绍承重墙托换技术及砌体抗震加固方法，并依据砖混结构托换的受力和构造特点分别研讨夹板梁、夹墙柱以及基础的加固改造方法和施工关键技术。砖混结构承重墙的拆除改造技术在工程实践中虽不鲜见，但此结构因局部构件的二次加固处理给设计带来一定难度，为保障结构安全，满足加固使用要求，设计方案因地制宜地提出格构式外包钢方法较好地处理了这一技术难题。

1 建筑物工程概况

湖北省某水电站办公大楼，始建于20世纪70年代末。建筑面积约为2 400 m2，6层砖混结构，预制空心楼板，单面悬挑走道，条形基础；纵、横向承重墙均为240 mm厚黏土砖，层高3.60 m；无地质勘察报告及施工资料。根据《建筑抗震规范》(GB50011-2010)[1]，所在地区的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅱ类。原建筑平面布置参见图1。原建筑结构平面布置规整，拟拆除第1层轴线⑨上A-B间、B轴上9-10间2段墙体，以及第5层轴线③、⑤、⑦、⑨上A至D段墙体，具体部位如图1所示。

2 结构整体鉴定分析[2]

该砖混结构超过40 a，其间局部结构经过多次改造，结构受力体系有所改变。经现场勘察，发现存在以下质量问题和安全隐患。

(1)建筑材料老化严重，墙砖回弹指标均低于MU10，砌筑砂浆老化剥离，强度过低，达不到规范M10的最低要求。

(2)结构未设置圈梁，楼梯间的四角未按现行抗震规范要求设置钢筋混凝土构造柱。

(3)在纵、横砖墙相交处，由于沉降不均，剪切作用造成竖向贯穿裂缝，内外墙连接性能差。

(4)部分门窗角上墙体出现斜裂缝，预制板间、板在支座处均出现大量裂缝，部分承重墙体出现剪切裂缝，局部有贯通，裂缝宽度普遍为0.2～0.3 mm。

3 改造、加固方案[3-5]

根据业主对内部结构局部拆除重建的要求，综合考虑结构空间需求和建造成本，决定对拟拆除承重墙进行钢框架式托换，对其他结构墙体作保护性修缮，并针对结构薄弱部位加强结构抗震措施。具体改造方案包括以下4方面。

(1)托换梁设计按刚架模型计算，计算简图见图2。需指出的是，原结构5层⑨轴所在位置有过加固历史，当时加固处理设置了一根截面较大的反梁，此次同样部位面临二次改造，新旧结构的结合是托换梁设计的关键。

图1 建筑平面布置Fig.1 Building plan

(2)承重墙拆除后，原承重墙线荷载变为托换后的集中荷载由柱传向基础，考虑到砖混结构对沉降变形的敏感性，拆墙时在轴线相交处预留砖垛，并设计为包钢形式的组合柱兼做构造柱。结构构造柱布置见图1黑色方框所示。另外，组合柱截面刚度较大，可尽量减小由于拆墙而引起的楼层侧移刚度的降低，避免由于上下楼层刚度相差过大而使改造层成为薄弱层，并可解决仅加固圈梁带来的梁下部墙体的局压以及墙体稳定性等问题。

(3)由于建造年代较早，原设计没有进行抗震设防，构造柱和圈梁均无设置，结构整体刚度较差。抗震加固方案采用钢筋网水泥砂浆法加固底层墙体，并在各楼层增设构造柱、圈梁。

(4)考虑到改造后建筑物使用功能改变，楼面活载标准值由2 kN/m2增加到3.5 kN/m2，但承重墙拆除后楼面线荷载减小，总的荷载并未增大，可利用原墙下条基，增设或加强基础梁，将其改为柱下条基形式。

4 改造、加固方案设计与施工关键技术

此结构加固改造的关键是承重墙托换方案，托换设计相当于使用一个门式内框架来取代原承重墙，这一托换体系包括托换梁的设计、竖向承重构件的加固设计以及基础的加固处理等。因原结构大梁局部进行过加固改造，因此针对新的改造要求需将此大梁进行二次加固处理。结合空间布置和大梁承载性能要求，提出了采用格构式外包钢方法的二次加固方案，具体如下。

4.1 托换结构的设计

(1)力学模型[6]。待拆除墙体均为承重墙，托换体系应承担上部荷载并严格控制结构刚度，尽可能减小原结构因托换而发生的二次变形。依据结构力学原理，针对图1结构平面布置轴线③、⑤、⑦、⑨所在部位，建立平面的6层刚架力学模型，分析刚架荷载及内力，从而明确托换结构中托换梁、托换柱的设计参数，再根据钢结构梁、柱设计原理，分别考虑托换梁、柱强度和刚度计算。其中，不考虑因托换梁、柱内砖墙对提高抗弯、抗剪强度的有利因素，设计偏于安全。轴线①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩刚架的计算模型见图2。图2中Qi为各层墙体自重及楼面荷载的最不利组合。

图2 平面刚架力学模型Fig.2 Mechanics model of plane frames

(2)托换梁设计[7]。托换梁参照钢结构受弯构件进行计算，梁上墙体按砌体结构墙梁设计。具体计算可按照《钢结构设计规范》(GB2003)和《砌体结构设计规范》(GB2001)的要求进行。内容包括托梁的正截面承载力计算、托梁的斜截面承载力计算、托梁上部墙体的受剪承载力和抗弯强度验算、托换梁的端部局部受压承载力计算等，另外还需进行挠度值的验算。

原结构平面图1轴线⑨上第5层部位因先前加固设计了一根混凝土反梁，在对此梁进行二次加固设计时，除了满足托换梁强度、刚度要求外，新旧梁体能否牢固结合连为一体是关键。原反梁为变截面梁，将钢板黏贴于原梁底面后，采用格构式钢梁按梁高补齐托换梁右侧部位，最后依据梁强度和刚度要求布置托换梁侧面和底面钢板。这一加固方案设计新颖、施工简便，解决了变截面梁加固的难题。具体加固设计见图3、图4。

图3 反梁二次加固侧面图Fig.3 The profile of the second-reinforced anti-beam

图4 反梁二次加固剖面图Fig.4 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

(3)竖向承重构件的加固设计[8]。托换梁承受的荷载要通过竖向承重构件传递给基础，因此必须对原结构拟拆除承重墙端部进行加固改造，处理方法一般采用包钢方式加固保留砖垛。此外，原则上应尽量保留原砖混结构构造柱、砖柱等竖向承重构件，进行增大截面或包钢的加固处理，尽量减小对原结构的损伤。

采用包钢设计的砖混结构组合柱，其承载力可参照受压、受弯构件的基本原则计算，一般可将新旧部分作为一个整体对待，但是考虑到应变滞后、共同工作等方面的因素，需对新增钢框架结构和原结构材料强度进行折减[9]。以轴线①、③与A轴交点处墙体改造为例，夹墙柱设计见图5。

图5 轴线①、③与A轴汇交处夹墙柱大样Fig.5 The cross-section of the second-reinforced anti-beam

4.2 抗震加固措施

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第7章7.1.8 、7.1.9条底部框架-抗震墙砌体房屋的结构布置，应符合下列要求。

(1)上部的砌体墙体与底部的框架梁或抗震墙，除楼梯间附近的个别墙段外均应对齐。

(2)房屋的底部应沿纵横2方向设置一定数量的抗震墙，并应均匀对称布置。6度且总层数不超过4层的底层框架-抗震墙砌体房屋，应允许采用嵌砌于框架之间的约束普通砖砌体或小砌块砌体的砌体抗震墙，但应计入砌体墙对框架的附加轴力和附加剪力并进行底层的抗震验算，且同一方向不应同时采用钢筋混凝土抗震墙和约束砌体抗震墙；其余情况，8度时应采用钢筋混凝土抗震墙，6、7度时应采用钢筋混凝土抗震墙或配筋小砌块砌体抗震墙。

(3)底层框架-抗震墙砌体房屋的纵横2个方向，第2层计入构造柱影响的侧向刚度与底层侧向刚度的比值，6、7度时不应大于2.5，8度时不应大于2.0，且均不应小于1.0。

(4)底部2层框架，抗震墙砌体房屋纵横2个方向，底层与底部第2层侧向刚度应接近，第3层计入构造柱影响的侧向刚度与底部第2层侧向刚度的比值，6、7度时不应大于2.0，8度时不应大于1.5，且均不应小于1.0。

(5)底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震墙应设置条形基础、筏形基础等整体性好的基础。

(6)底部框裂抗震墙砌体房屋的钢筋混凝土结构部分，除应符合本章规定外，尚应符合本规范第6章的有关要求；此时，底部混凝土框架的抗震等级，6、7、8度应分别按3、2、1级采用，混凝土墙体的抗震等级，6、7、8度应分别按3、3、2级采用。

为满足抗震设计要求，结合本工程实例，加固设计方案中采取了新增构造柱、圈梁、墙体加固以及改造基础的技术措施，具体如下。

4.2.1新增钢筋混凝土构造柱、圈梁补强结构[4]

砖混结构的有效抗震加固措施主要采用增设钢筋混凝土构造柱，与原钢筋混凝土圈梁、新增钢筋混凝土圈梁或新增拉杆形成空间抗倒塌体系。构造柱、圈梁除作为约束构件外，既提高了砌体的延性，又加强了结构的整体性，也可视为第2道抗震防线。抗震规范对于砖混结构强调加强结构的抗震措施，其中第7.3.1条和第7.3.3条作为强制性条文，对构造柱和圈梁的设置，有非常详细的规定。

具体而言，新增钢筋混凝土构造柱加固法[5]是指按照抗震倒塌设计原则，在砌体墙交接处(如房屋四角、楼梯间和不规则平面的转角处)增设竖向钢筋混凝土柱，其截面可为正方形、长方形或L 形，其设计原则如下。

(1)应与原构造柱、圈梁体系统一考虑，形成封闭整体，应特别注意尽量使构造柱、圈梁(或拉杆) 和基础联合布置, 保持抗震受力的完整性。

(2)对原构造柱、圈梁未损坏的房屋，可按照高烈度和局部损坏情况适当增设，对局部损坏的宜考虑补设。

(3)外加柱与原有柱在平面内宜对称布置，外加构造柱设置的位置, 应在房屋四角、楼梯间和不规则平面的转角等应力集中的部位，应由底层设起，并沿房屋高度贯通，不得错位。

(4)当砌体结构设置外加构造柱时, 宜在楼层1/ 3 和2/ 3 层高处同时设置拉结钢筋和销键(俗称马牙搓), 加强与原墙体的连接, 销键的主要作用是传递剪力，销键与外加柱必须同时浇灌。试验表明按要求配置混凝土销键是保证外加构造柱与原砌体共同作用的有效措施, 加固设计时不可忽视。

原结构是纵横墙混合承重体系，加固改造后成为外纵墙结合部分内横框横向承载的砖混结构。依据上述原则，对于外墙，在纵横轴线相交处，相应于拟拆除承重横墙两端增设钢筋混凝土构造柱，结构构造柱平面布置见图1中轴线A、B、C、D与①、②、③、⑤、⑦、⑨、⑩交点的黑色方框所示。同时在每层楼面及屋面标高处设钢筋混凝土圈梁；对于内墙及内框柱，采用型钢夹墙办法做成钢圈梁或连梁进行加强或连接。

4.2.2墙体加固与修缮

文献[10]试验结果表明，采用钢筋网水泥砂浆抹面加固墙体，可提高抗剪能力约1 倍，采用钢筋网水泥砂浆面层加固墙体可提高抗剪能力2 倍以上。由于原结构砖砌体材料老化严重，局部墙体裂缝开展明显，决定采用钢筋网水泥砂浆法对其进行抗震加固。

具体加固方案针对轴线A、D、③、⑤、⑦、⑨墙体进行加固改造，包括墙体整合性加固和墙体裂缝加固。墙体整合性加固采用高强钢丝绳网片的规格为Φ4.5 mm×25 mm×50 mm，高强钢丝绳网片主筋搭接长度不应小于600 mm。高强钢丝网片遇内隔墙时应采用无振动的墙锯在墙体上进行开洞切割，保证高强钢丝绳网片连续。墙体裂缝加固采用裂缝内灌浆，在墙面加设高强钢丝网片的规格为Φ4.5 mm×200 mm×50 mm。新加钢丝绳网片凹入墙表面，槽深60 mm，抹压30 mm厚高强聚合物砂浆，留30 mm面层饰面。

4.3 基础部分改造

原结构为纵横混合承重体系，改造后横向框架承重，原墙下条基需加固处理[11]。基础加固拟采用在原基础梁或墙基两侧夹梁的办法将原基础改为柱下条基，加固处理后柱下条基见图6。

图6 基础加固示意图Fig.6 The sketch of the foundation reinforcement

4.4 施工关键技术

为保障结构加固再造的施工安全，设计方案中特针对此次加固施工工艺提出建议如下。

(1)墙柱自下而上逐层进行施工，并在施工前清除上层楼面上所存放的物品，对柱穿楼板处的楼板采取支护措施，确保结构及施工安全。

(2)墙体拆除顺序见图7，跟踪观测托换系统变形异常情况(尤其墙体阴角部位)，谨慎施工。

图7 拆墙顺序Fig.7 The order of the dismantles wall

(3)所有新增构件之间均应有可靠连接，各结点的构造及焊接点的强度均须确保满足其抗震及承载力的要求；所有孔洞均应灌填密实；所有新增构件与原结构均应有可靠拉结，以确保所有构件同步工作。

5 主要结论及建议

该砖混结构加固改造后投入使用近3 a，结构托换体系(托换梁、夹墙柱)无明显变形，墙体无明显裂缝开展，结构加固改造方案达到设计和使用要求。针对该砖混结构加固设计特点，总结如下。

(1)依据结构力学原理将原砖混结构利用夹墙梁(柱)技术加固改造成具备抗震措施的新结构，方案合理，技术可靠，加固效果达到预期要求。

(2)承重墙拆除的托换体系，即新增构件(梁、柱)与原有砖混结构能否形成一个整体共同工作，是改造成败的关键。针对二次加固的反梁，采用组合截面钢梁处理新旧梁体连接的方法取得成功，这一方案在同类型结构加固技术上值得借鉴。

(3)加固改造设计在满足建筑物功能的前提下，应尽量利用原有的结构构件，如加固处理原构造柱、砖柱、基础等，形成组合结构，以减少对原结构的损伤和加固工程量，方便施工。

(4)砖混结构形式因取材方便，施工简易取得广泛应用。这类结构在加固、改造过程中普遍涉及承重墙墙体拆除，实例可为同类工程提供设计和施工参考，具有良好的应用前景。

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[1] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]．

[2] GB50023-2009，建筑抗震鉴定标准[S]．

[3] 张富春，林志伸.建筑物的鉴定加固与改造[M].北京：中国建筑工业出版社，1992.

[4] JGJ116-2009，建筑抗震加固技术规程[S].

[5] 中华人民共和国建设部.JGJ116-98：建筑抗震加固技术规程[Z].北京：中国建筑科学研究院，1998.

[6] 龙驭球, 包世华. 结构力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.

[7] GB50017-2003, 钢结构设计规范[S].

[8] 中华人民共和国建设部. 国家建筑标准设计图集03SG611：砖混结构加固与修复[Z].北京：中国建筑标准设计研究院，2003。

[9] GB50702-2011，砌体结构加固设计规范[S]

[10] 黄忠邦.水泥砂浆及钢筋网水泥砂浆面层加固砖砌体试验[J].天津大学学报，1994，27(6)：764-770.

[11] JGJ123-2000，既有建筑地基基础加固技术规范[S].