房屋建筑中提高结构抗震性能的加固技术研究

郑 峰（中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西 西安 710016）

1 工程概况

本工程为延安大学咸阳医院教学楼建设项目，建设地点位于陕西省咸阳市新兴北路东侧，延大医院以南。该栋教学楼由地下1层、地上20层主楼和地上3层裙楼组成，建筑高度为76.5m，总建筑面积为24132.38m2，其中主楼采用现浇钢筋混凝土框架+短支剪力墙结构，裙楼采用现浇钢筋混凝土框架结构，地基与基础采用桩筏基础和复合地基。设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，耐火等级为一级。由于该工程2层以下主体完成时间与3层主体施工开始时间间隔长达5年之久，期间加之新旧设计、验收规范更新，使得原施工图纸已不能满足现阶段的抗震性能及施工质量验收标准，需对原施工图纸重新进行设计、验证。从而导致2层以下已完的主体结构需进行加固处理，以此来满足本工程的抗震及安全性能。

2 加固方式的选取及作用原理

经原设计单位对本工程结构可靠性论证后，需对2层以下结构体系进行加固，以此来提高房屋结构整体的稳定性和抗震性能[1]。而常用的加固技术有粘钢加固技术、碳纤维加固技术、增大截面加固技术、外粘型钢加固技术、钢筋网砂浆加固技术和植筋加固技术等几种方式。通过对以上加固技术特点、工程结构形式、施工工艺、加固部位和加固费用等各种因素进行综合考虑，最终选用增大截面与植筋相结合的加固技术对本工程2层以下山墙、楼梯间、电梯井等部位的剪力墙和主楼框架柱进行加固施工。

增大截面加固法的工作原理：通过采用与原构件同种的材料来增大原结构构件或构筑物截面尺寸，并增配计算所需的钢筋与原结构共同受力。该技术不仅能提高被加固构件的承载能力，而且还可以提高构件的强度和截面刚度，改变其自振频率，修复部分受到损伤的结构，使房屋建筑结构在正常使用阶段的安全性能和稳定性得以提高[2]。

3 增大截面加固施工工艺及流程

3.1 增大截面加固施工流程

增大截面加固施工工艺流程如图1所示。

图1 增大截面加固施工工艺流程图

3.2 增大截面加固施工工艺

3.2.1 基层放线

由于本工程主要是对剪力墙和框架柱进行加固，剪力墙为新增或一侧加固，框架柱为四周加固。加固前，先根据加固图纸对每层加固部位的剪力墙和框架柱进行增大截面尺寸位置线、模板控制检查线放样。

3.2.2 混凝土基层凿毛、清理

根据设计图纸及施工规范要求，对原混凝土构件的新旧结合处进行剔凿，使其露出骨料新面后，再用电锤、砂轮机或高压水射流进行打毛，必要时，也可凿成沟槽。

当采用电锤在结合面上凿毛时，应凿成点深约3mm点数为600点/m2～800点/m2的毛面；也可錾成点深4mm～5mm间距约30mm的梅花形状。当采用砂轮机或高压水射流打毛时，应在混凝土结合面上打出垂直于构件轴线、纹深为3mm～4mm、间距约50mm的横向纹路。当采用人工凿沟槽时，应在混凝土结合面上凿出垂直于构件轴线、槽深约6mm、间距为100mm～150mm的横向沟槽。

当采用三面或四面新浇混凝土层外包框架柱时，应在打毛的同时，凿除截面的棱角。

在完成以上处理后，应采用钢刷和空压机清除原构件混凝土表面松动的骨料、砂砾、浮碴和粉尘，并用清水冲洗干净，最后再涂刷混凝土界面剂一道。

3.2.3 钢筋下料

按照设计图纸要求对加固部位的钢筋进行下料，下料时要结合现场实际情况，对安装时可能相互影响的部位应根据实际进行调整，以保证制作和绑扎的一致性。

钢筋下料长度应配合植筋的要求，纵筋连接点所在区域应符合设计及搭接长度的要求。所采用钢筋表面应洁净、无损伤，对有油渍、漆污和铁锈的钢筋等应在使用前清除干净，对带有颗粒或老锈的钢筋禁止使用[3]。

3.2.4 钻孔、清理及植筋

（1）钻孔

先按设计图纸计算结构主筋的准确位置，并在原结构上标出钻孔位置，经复核无误后，方可钻孔。钻孔的孔径以钢筋能够插入为准，尽量减小钻孔孔径，同时减少钻孔时的震动和噪音。钻孔深度不小于20d，钻孔时若遇到原结构钢筋，应停止钻孔，避免损伤原结构钢筋。

（2）清理

钻孔后应采用高压空气对孔内粉尘和细小颗粒物进行清理，也可以采用带棉丝的清扫杆对孔内的残留物、孔壁粉尘、泥浆等异物进行彻底清理。

在植筋前应进行最后一次清孔，清孔时采用棉丝浸泡丙酮液对孔底、孔壁擦洗，清除残留污渍二遍，最后再用棉丝封堵洞口，防止造成二次污染，从而提高工程效率。

（3）植筋

植筋胶必须采用专门配制的改性环氧树脂或改性乙烯基酯类胶粘剂；严禁掺加挥发性有害溶剂和非反应稀释剂，其安全性检验指标必须符合《混凝土结构加固技术规范》的相应规定。

钢筋植入前，先用钢丝刷清除表面的浮锈、污物，再用棉丝浸泡丙酮液清除钢筋表面油污、粉尘等异物。经处理的钢筋，应放置3min～5min后使用。

将植筋胶按规定量的药剂注入孔内（约2/3孔深），再插入钢筋至孔底，顺时针旋转钢筋，使胶混合均匀，调整钢筋位置，并加以固定，确保钢筋在固化时间内不受扰动。

3.2.5 钢筋安装、绑扎

根据加固设计图纸要求，本工程的钢筋可分为框架柱加固钢筋和剪力墙加固钢筋两种类型，具体布置及安装形式如下。

（1）框架柱加固钢筋

框架柱四周均按增大截面尺寸进行加固，每侧增加100mm，同时每侧新配置C18mm、C20mm主筋和C10mm的箍筋进行加强，钢筋安装形式见图2。框架柱中新增受力钢筋保护层厚度为20mm，受力钢筋在加固楼层范围内应通长设置，中间不得断开。上下楼层受力钢筋连接时，应将结构板上下贯通后进行绑扎连接或单面焊，在梁柱节点区箍筋采用C16@200的等代钢筋穿纵横梁互焊，非节点区箍筋与植入框架柱内C10mm的L形钢筋进行连接。

图2 框架柱加固钢筋安装图

（2）剪力墙加固钢筋

剪力墙为一侧增大截面尺寸进行加固，该侧增加厚度分为两种：一种是当原墙厚度为250mm时，增加75mm，另一种是当原墙厚度为200mm时，增加100mm，并配置C12@200的水平筋和竖向筋，拉筋为植筋安装，植入深度为20d，采用C6@600×600梅花形布置，钢筋安装形式见图3。

图3 剪力墙加固钢筋安装图

剪力墙中新增受力钢筋保护层厚度为15mm，受力钢筋在加固楼层范围内应通长设置，中间不得断开。上下楼层受力钢筋连接时，采用C16@200的等代钢筋穿板后进行绑扎连接，搭接长度不小于600mm，等代钢筋安装形式见图4。

图4 等代钢筋安装图

3.2.6 模板制作、安装

根据结构形式、特点及现场施工条件，模板选用15mm厚多层板；竖向龙骨采用40mm×70mm木方，间距不大于300mm；横向龙骨采用Ф48×3.0mm的双钢管，间距不大于600mm。视现场情况可适当增加斜撑或对拉杆进行加强，确保模板安装牢固，防止浇筑混凝土时冒浆、漏浆。

3.2.7 灌浆料拌制、浇筑

（1）灌浆料拌制

本工程加固构件扩大截面墙柱采用C50灌浆料浇筑。灌浆料拌制时应严格按照厂家提供的配合比用水量进行加水，少加水则流动性不好，多加水会引起材料沉降、泌水及强度下降。

拌合时可采用机械搅拌或人工搅拌，一般推荐采用机械搅拌方式，搅拌时间一般为3min～4min。采用人工搅拌时，应先加入2/3的用水量拌合2min，随后加入剩余水量搅拌至均匀。拌制完的灌浆料应在30min内用完，超过30min可能会导致流动性变差。对于失去流动性的材料，只能废弃，不能加水重新搅拌再使用，否则会导致材料强度达不到设计要求[4]。

（2）灌浆料浇筑

墙柱扩大截面浇筑灌浆料时，须在墙柱与楼板周围凿出与扩大截面尺寸相同的缺口，以方便钢筋绑扎和灌浆料浇筑。墙柱扩大截面加固时，由于模板与原混凝土之间空隙较小，从结构板顶面浇筑时很难保证浇筑密实。因此应在墙柱模板中间位置处开一个浇筑口，同时进行体外振捣，振捣完毕后，用模板封堵浇筑口，然后继续进行以上部位的浇筑，从而保证了所浇筑C50灌浆料的密实度。

3.2.8 灌浆料养护

灌浆料在浇捣完毕后12h以内就开始养护，经常洒水使其保持湿润，洒水次数以能保证结构表面湿润状态为佳。

潮湿养护时间不少于7d，并且养护时间越长，材料的强度发展越好，体积稳定性越高，可以避免后期干缩裂缝的出现。

3.2.9 验收

加固构件养护完成后，组织各方主体人员对加固结构的外观质量进行检查、验收，同时对实体质量进行回弹检测，确保各项指标满足设计要求后，方可进行下道工序施工。

3.3 增大截面加固施工注意事项

3.3.1 加固前的卸载

一般新加固部分应力都存在滞后问题，为达到新旧结构尽可能共同受力的目的，加固前应尽量卸去原结构所承受荷载。完全和精确的卸荷可采用千斤顶反向加载，简单的卸荷仅移除活荷载，并控制施工荷载。

3.3.2 连接面处理

为了确保新增加部分混凝土与原有部分混凝土的整体工作，结合面的处理就显得尤为重要，因为结合面能够有效传递剪应力和法向应力，所以在施工时，应清理原有混凝土的缺陷至密实部位，凿除所有风化酥松层、碳化锈层及油污层，并将表面凿毛或打成沟槽。浇注灌浆料前，应保持原混凝土结构表面干净、湿润、无滞留水，并刷涂界面剂进行处理。新设受力钢筋应逐根分区分段分层进行焊接，尽量减小焊接热量对钢筋的影响。

3.3.3 增大截面的施工

新增层施工期间的模板制作安装、钢筋绑扎以及新增混凝土的浇注和养护，均应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》的相关条款验收。

4 实体检测

4.1 检测方法

本工程采用ZC3-D型回弹仪对高强无收缩灌浆料的强度进行检测，设计强度不小于C50；采用一体式钢筋检测仪对钢筋数量、间距进行检测；采用钢卷尺、激光测距仪对截面尺寸进行检查。

4.2 检测数据汇总

根据本工程结构类型及现场实际情况，依据《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344-2019）及《回弹法检测水泥基灌浆材料抗压强度技术规程》（T/CECS801-2021），该加固工程所检区域有新增墙体19个，加大截面柱45个，现场抽取5个墙，13个柱进行检测。现场在具备检测条件的区域对构件进行随机抽样，采用回弹法进行水泥基灌浆材料抗压强度检测，具体检测数据见表1。

表1 水泥基灌浆料材料抗压强度检测数据

对混凝土构件内钢筋数量、间距，加固后构件截面尺寸、平整度及垂直度进行检测均在允许偏差范围内。

4.3 检测结论

经对以上检测数据分析，所检构件水泥基灌浆材料抗压强度推定值均满足设计要求；检测的构件钢筋数量、间距，截面尺寸、平整度及垂直度满足设计及规范要求；对构件外观质量检查，也未发现混凝土表面存在蜂窝、孔洞、夹杂、疏松、麻面、露筋等质量缺陷。

5 加固承载力分析

本工程在采用增大截面法加固混凝土轴心受压构件的加固过程时，对其正截面加固承载力进行如下分析[5]。

5.1 原混凝土柱正截面受压承载力

5.2 增大截面后混凝土柱正截面受压承载力

5.3 承载力对比分析

对增大截面后混凝土承载力与原混凝土承载力进行对比，承载力提高了23492/16839=1.39，使其以前轴压比不满足的混凝土墙柱均达到设计要求，同时也提高了抗震性能。

6 结语

综上所述，增大截面加固法具有施工原理简单、使用经验丰富、受力可靠、加固费用低等优点，较容易为人们所接受；但也存在一些缺点，如湿作业工作量大，养护周期较长、增加结构自重、占用建筑空间较多等，使其应用期间受到限制，但这是传统的加固方法，也是最为可靠的方法。该方法不但能够有效提高房屋建筑的抗震效果，同时也能为用户提供安全的居住、办公环境[6]。