城市基础设施地基基础和上部结构加固方案研究

徐晟奕

上海国际投资咨询有限公司，上海 200003

目前，20 世纪末建设的城市基础设施已经投入使用20余年，部分建筑出现墙体开裂、地砖起拱等损坏现象。同时，随着城市基础设施建设标准的重新修订，建筑、结构、抗震、消防等设计规范的不断更新，现有建筑在建设规模、功能布局、结构设计等方面已无法满足当下的使用规范要求。为了充分利用现有基础设施，避免重复建设造成的投资浪费现象，在进行改扩建工程时，可能会涉及对现有建筑的结构加固和补强工程。该研究通过对城市基础设施加固必要性、加固范围、加固方法、投资估算等方面进行分析，最终提出了合理的地基基础和上部结构加固方案。

1 研究原则及方法

（1）研究原则。①执行当前最新的建筑、结构等设计规范和标准。②以同类建筑共性需求作为研究内容，不考虑单个项目特殊需求。③在满足需求的情况下，坚持合理控制投资，提高投资效率。

（2）研究方法。①案例研究法：对具有代表性的实际案例进行深入剖析，分析共性和个性因素，作为分析研究的基础。②文献研究法：对相关文献进行收集、整理、归纳与比较，不断给研究工作提供有价值的信息。③专家调研法：走访结构设计、结构加固、基坑围护、概预算等方面专家，与其进行专题沟通。

2 研究内容

2.1 加固必要性

城市基础设施加固研究的第一步是需要明确是否有必要进行加固以及是否属于加固工程范畴。加固工程是指针对建筑物整体结构体系，按照现行的结构设计规范，经计算及论证，达不到设计要求或存在影响结构安全的问题而需要整改的工程。如果只是对建筑物中的装饰装修、电气等进行完善或更新，则属于修缮工程，不属于加固工程范畴[1]。研究认为，年久失修的“老年”建筑未必一定要进行结构加固。通常在发生如下情况时，需要进行安全鉴定，考虑加固工程的必要性：

（1）现有用房建筑面积无法满足实际使用需求，且对照新的建设标准存在建筑面积缺口，需要对现有用房进行加层扩建；（2）现有用房业务用途发生较大变化，已不符合新的建设标准功能布局要求，需要对现有用房进行布局调整，且涉及荷载明显变动或改变主体承重结构；（3）受到周边相邻地块深基坑开挖、地下工程施工影响，导致现有用房整体出现不均匀下沉或整体倾斜，房屋出现地坪开裂等现象[2]。

2.2 加固范围

研究认为，加固工程的建设范围具有局部性和针对性。涉及加层扩建时，一般会导致建筑上部梁、板等部分结构构件抗震能力不满足要求，需要进行局部加固；涉及功能布局调整时，一般会引起局部荷载变动，需要对部分构件进行加固；涉及房屋整体倾斜时，一般需要对地基基础进行加固；涉及裙房楼顶加层，且裙房基础形式和主楼基础形式不同，可将裙楼和主楼视作两个单体建筑，加固范围主要为裙房区域。

因此，研究建议加固工程建设范围应根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）、《现有建筑抗震鉴定与加固规程》（DGJ 08—81—2015）等现行标准，依据《房屋抗震鉴定报告》鉴定结果，经过工程计算软件对结构构件强度和变形进行验证计算，对局部结构有安全隐患的部位进行针对性加固。

2.3 加固方法

（1）地基基础加固。地基基础加固的方法包括加宽基础、加深基础、增设桩、地基处理等。当加层扩建地基承载力不足时，一般可采用加宽基础，即通过增设承重梁、筏板基础等方式加大建筑基底面积，进行基础加固；当地基中存在软弱膨胀土时，一般可挖去后重做混凝土墩，加深基础，进行基础加固；因加层扩建或受到周边工程深基坑开挖影响等情况，导致地基基础承载力严重不足时，一般可考虑增设桩（包括压入桩、锚杆静压桩、灌注桩等）来托换原有基础形式，进行基础加固；若深度为3mm 以上的地基出现开裂，并且强度或刚度不足时，一般可考虑采用化学灌浆法等进行基础加固。研究认为，针对房屋整体出现不均匀下沉或整体倾斜，在考虑控制房屋倾斜、不考虑对建筑纠偏的情况下，一般不会同时采用多种地基基础加固方案。在地基承载力未呈现严重不足，而且建筑荷载增加不大的情况下，研究建议采用压密注浆法；反之，若地基承载力呈现严重不足，在结合勘察报告确定桩基持力层和单桩承载力，以及同一建筑不存在不同持力层后，可考虑采用锚杆静压桩；在使用上述方法后，经计算论证仍存在基础尺寸不足、抗冲切不足等情况时，可进一步采用基础加固法。在进行具体地基基础加固时，为了确保施工的经济、安全和合理，若采用压密注浆法，研究建议控制好注浆范围、注浆速度和工艺手段；若采用锚杆静压桩，研究建议科学布置锚桩数量和位置，同时注意施工过程中产生的向上顶力，可能会造成局部混凝土构件产生裂缝等次生灾害。

（2）上部结构加固。上部结构加固的方法包括增大截面加固法、黏钢加固法、包钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法等。增大截面加固法一般是在构件受压区增加混凝土现浇层、受拉区增加配筋量，通过增加结构构件的截面积和配筋量，提高构件的正截面抗弯、斜截面抗剪能力、截面刚度等承载力；黏钢加固法一般是针对静力作用下承载力不足的混凝土受弯、受拉构件，通过采用环氧树脂配成的胶黏剂，将钢板粘贴在构件外部进行加固，提高构件的承载力和正常使用时的性能；包钢加固法一般是在被加固构件的四周采用环氧树脂配成的胶黏剂，将型钢包在外边黏结形成一个整体进行加固，提高构件正截面承载力、延性和截面刚度。上述三种加固方法比较常用，属于直接加固法。预应力加固法一般适用于受弯的混凝土构件，通过外加预应力钢拉杆产生的负弯矩，可以抵消部分荷载弯矩，减小原构件扰度，缩小原构件的裂缝宽度；增设支点加固法属于改变受力体系的加固方法，一般适用于大跨度结构，通过增设柱或托架，减少结构构件计算跨度，降低计算弯矩，提高结构构件的承载力。上述两种加固方法属于间接加固法。

其他加固方法还包括碳纤维加固法，一般适用于修复钢筋混凝土大偏心受压构件的加固，或因地震造成结构构件遭受损坏等情况；压力灌浆法，一般适用于因地震、沉降等原因引起的墙体修补，结构构件存在裂缝[3]。研究认为，对于上部结构不同构件存在的不同问题，应该采用具有针对性的加固方案。研究建议，在充分利用使用空间的情况下，对于不满足配筋要求的框架梁和屋面板底，考虑采用黏钢加固法；对于不满足配筋要求的方形柱，考虑采用包钢加固法；对于不满足配筋要求的圆形柱，考虑采用碳纤维加固法；对于结构混凝土梁柱开裂需要进行修复，考虑采用压力灌浆法；对于截面尺寸不符合规范要求，考虑采用增大截面加固法；在荷载布置方案无法较好调整的情况下，框架柱刚度不满足规范要求时，考虑采用增大截面加固法。在进行具体上部结构加固时，为了确保施工的经济、安全和合理，应进一步复核加固构件尺寸，满足规范要求，同时应注意了解构件周边情况；加固用混凝土强度等级应高于原结构等级一级；框架梁加固时，既要满足强度和变形要求，在梁、柱接合处又要注意采取措施，满足抗剪要求；黏钢加固法等方法对施工工艺要求较高，应注意环境温度、相对湿度、无化学腐蚀及相关工艺手段；使用粘贴方式加固的结构构件，应注意后续定期检查工作状态。

2.4 投资估算

由于加固工程的建设范围具有局部性和针对性，而且加固工程一般会涉及多种加固方法，因此整体投资通常难以用综合造价指标来估算，但针对加固工程中某一确定范围及确定加固方法的加固子工程，研究建议可通过造价指标对投资进行控制。从投资效益角度出发，研究建议加固工程整体造价指标不应高于新建工程造价指标。

3 研究成果

研究认为，对于年久失修的城市基础设施，当建筑结构达不到现行设计规范要求或存在影响安全问题时，需要进行结构加固。加固工程建设范围应依据《房屋抗震鉴定报告》和验证计算，对局部结构有安全隐患的部位进行针对性加固。研究建议地基基础加固一般采用压密注浆法，当地基承载力呈现严重不足时，考虑采用锚杆静压桩；对于上部结构中不满足配筋要求的框架梁和屋面板底，考虑采用黏钢加固法；对于不满足配筋要求的方形柱，考虑采用包钢加固法；对于不满足配筋要求的圆形柱，考虑采用碳纤维加固法；对于截面尺寸不符合规范要求的，考虑采用增大截面加固法。加固工程的整体投资通常难以用综合造价指标来估算，但针对其中各个确定范围及确定加固方法的加固子工程，研究建议可通过造价指标对投资进行控制。

4 结束语

该研究通过对城市基础设施加固必要性、加固范围、加固方法、投资估算等方面进行分析，最终提出合理的地基基础和上部结构加固方案，有利于缓解城市基础设施的安全隐患，有助于进一步加强和改善城市基础设施的硬件水平，保障改扩建工程的顺利实施，具有较好的社会效益和经济效益。