新增抗震设防地区已建砌体房屋钢混加固技术研究

干唯健,谢祥雄,唐文宣

(湖南科技学院 土木与环境工程学院,湖南 永州 425199)

1 研究背景

砌体结构极易在地震中被破坏,1976年的唐山大地震中有90%的砌体结构房屋倒塌[1]；2008年汶川地震中超过70%的砌体结构房屋倒塌[2-3]；2010年玉树地震导致玉树县90%以上砌体结构平房损毁倒塌[4]。为了保证砌体房屋的使用安全,避免地震可能造成的损害,我国在2015年发布的第五代《中国地震动参数区划图》中取消了无抗震设防地区。

新增抗震设防地区一方面要考虑新建建筑进行抗震设计,另一方面,对已投入使用但未进行抗震设防的已建建筑,尤其是易被地震破坏的砌体结构房屋也要进行加固。由于加固对象为正在使用中的已建成砌体结构房屋,基数大分布范围广,全部加固则面临造价高,施工周期长,施工作业不方便的问题[5-6],所以有必要根据砌体房屋特点,研究施工快捷且成本低,简单易行的加固方法。

2 基于托换理念的钢混支撑加固设计

托换技术通过改造承重结构改变受力体系,使建筑的传力途径发生变化,提升结构的安全可靠度[7]。梁柱托换技术可以将砖墙承重的砌体结构改造成梁柱承重的框架结构,从而实现提高已有砌体结构房屋抗震能力的目标。考虑到托换技术的特性及对支撑、加固的要求,可以用钢材为主要材料,将模板与承重构件相结合,通过钢板骨架,在施工时充当承载构件,顶替部分脚手架作用,在混凝土达到设计强度前充当临时承重构件。当混凝土浇筑完毕后,钢骨架与混凝土一起承重,由钢板承受弯矩、扭矩,混凝土承受压力,完成结构承重体系的转变,提升结构抗震能力,保证结构安全。

3 技术方案

图1 钢混支撑托换结构示意图

使用一种用于托换承重墙的钢骨架体系,并将混凝土填充于模板构成的骨架中,将建筑由墙体承重托换为由钢混框架柱和梁联接组成的框架承重结构,构件组成如图1所示,其中构件包括：①框架梁；②框架顶梁；③角底柱；④角中柱；⑤边底柱；⑥边中柱；⑦底柱；⑧中柱；⑨垫板以及灌浆孔盖板,内部连接柱子的连接板和底连接板,M24高强螺栓,填充骨架的混凝土。

框架梁用于充当除顶层以外粱的框架。框架顶梁作为钢框架混凝土粱承载屋顶板重量。角底柱用于连接底层转角处的粱,并与基础相连。角中柱用于连接除底层外其他楼层转角处的粱。边底柱如于连接底层三根梁相交处的粱,并与基础相连。边中柱用于连接除底层外三根梁相交处的位置。底柱用于连接底层四根梁相交处的粱,并与基础相连。中柱用于连接除底层外四根梁相交处的位置。

柱构件通过垫板和螺栓与基础相连,梁与柱通过螺栓相连,梁钢板上端顶紧楼面下方；梁、柱钢板部分同时作为浇筑模具,包括用于浇筑梁的容纳空间,容纳空间的宽和高分别与梁的宽和高相等,混凝土浇筑孔设置于钢板中间并将所述梁浇筑模具的容纳空间的上方与外界联通。然后浇筑混凝土,形成钢混支撑框架结构,一层浇筑完毕后,盖上盖板,再进行第二层搭接,上层柱与下层梁柱交接处通过连接板相连。

4 工程应用

湖南省永州市冷水滩区某砌体办公楼,建于2000年,建筑长142.5m,宽7.2m,层数为2层,高7.35m,总建筑面积为3500m2,设计时未考虑抗震设防。由于建筑原设计布局与使用功能安排无法满足现有业务需求,故需要进行大规模改造,同时进行抗震加固。拆除原建筑所有楼梯间,一楼增设了外部走廊、装饰柱、3个楼梯间、2个卫生间,并拆除了两个办公室,将其空间合并入大厅；拆除二楼3个办公室合并入大会议室扩大,拆除4个办公室改造为2个小会议室。

施工时先破开地面,挖出墙下粱周围土体,绑扎基础钢筋笼,将⑨垫板焊接于钢筋笼顶部,浇筑基础混凝土至垫板底部标高处；然后在一楼安放梁、柱位置周边搭设脚手架,拆除柱子所在位置的墙体与楼板,将底层柱钢板放在被拆除墙体位置,通过螺栓将底层柱与垫板连接,再将基础浇筑完毕。拆除粱所在位置的楼板,将框架梁通过螺栓与柱相连,随后通过柱上方开口浇筑混凝土至连接板下方标高处,在上层柱所在位置附近搭设脚手架,拆除上层柱所在位置的墙体与楼板,将连接板下端放在下层柱上方内侧,连接板上端放在上层柱下方内侧,通过螺栓将连接板与上下层柱相连。通过上层柱开口与下层粱上灌浆孔浇筑混凝土,当混凝土充满框架梁后,在混凝土初凝前,将灌浆孔盖板盖住灌浆孔。一层浇筑完毕后再进行第二层搭接,先安装脚手架,待二层梁柱钢板安装好后,拆除一层承重墙和一层脚手架,然后继续向上层施工,直至整栋建筑完成梁柱托换。为了避免混凝土振捣不到位的问题,使用流动性好的干混自密实混凝土,不需要泵送就可以让混凝土饱满地填充钢板骨架,现场施工难度小,速度快。

5 结论

在新增抗震设防地区使用钢混骨架进行砌体结构房屋加固,梁柱钢板将施工支撑与结构承重相结合,施工时充当模板和脚手架的作用,施工结束时和混凝土共同承担荷载。施工方便,造价低,工期短,具有市场竞争力,值得在新增抗震设防地区已建砌体房屋加固市场推广,有很大的发展潜力。

[1]李国强,李杰,陈素文,等.建筑结构抗震设计[M],北京：中国建筑工业出版社,2014．

[2]李英民,韩军,刘立平,等.“5.12”汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2009,41(5)：606-611．

[3]王威,周颖,梁兴文,等.砌体结构在2008汶川大地震中的震害经验[J].地震工程与工程振动,2010,30(1)：60-68．

[4]邵楠.青海玉树地震建筑震害浅析[J].工程抗震与加固改造,2011,33(4)：136-140．

[5]张权.隔震技术在砌体结构抗震加固中的运用[J].江西建材,2017(17)：45-46．

[6]贾茹,文华,樊敏全.新农村建设中砌体结构房屋抗震加固措施研究现状分析[J].江西建材,2016(04)：125,130．

[7]张爱彬.托换技术砌体结构加固改造设计与应用[J].工程建设与设计,2015(01)：44-46.