结构加固技术在曜影医疗医院项目中应用

宋宏疆

上海龙元建设工程有限公司 上海 200072

1 结构加固技术的优势

1.1 竖向构件加固技术应用（屈曲约束支撑、黏滞阻尼器墙）

屈曲约束支撑具有明确的增强屈服承载力，支撑受拉与受压承载力差异小，大大减小与支撑相邻构件的内力，减小构件截面尺寸[1]。大厦一层层高4950mm，裙房区6处布置屈曲约束支撑【B轴（3-4轴）、J轴（3-4轴）、3轴（F-H轴、C-E轴）5轴（F-H轴、C-E轴）】，4处布置黏滞阻尼墙，设置形成回字形跨轴线梁、柱主体结构补强，加上6轴局部梁截面加大及（B-C轴、2-3轴）1-6层新增消防楼梯间梁、柱混凝土结构等组合应用对工程抗震承载力增效显著。

黏滞阻尼墙可在平面和竖向上下层错开布置，也可在梁中跨和边跨布置等特点。采用黏滞阻尼墙主体结构加固法错位布置加固支撑点（F轴点位1层、2层位于7轴西3550处、3层、4层位于7轴西750处，5层、6层位于5轴西2700mm处，7轴点位2层位于E轴北3150mm处，3层-5层位于E轴北6100mm处、6层位于E轴北1700mm，）错开布置起道减震效果均满足结构加固需要。黏滞阻尼墙外形采用扁平墙体方式，安装位置可与墙体一致，安装完后不造成室内房间布局功能受限。

1.2 粘贴碳纤维布的优势

碳纤维布复合材料已广泛应用于建筑、市政等行业混凝土结构的补强和加固，优点是强度高（约为普通钢材的10倍），自重轻（约200g/m2），基本不增加结构自重及截面尺寸，柔性好，易裁剪，施工简便易操作，经济性好，工期短[2]。粘碳纤维布和柱、梁锚粘钢板组合法对本工程结构加固极为有效，更适用于验算钢筋量差值较小的变截面悬挑梁的加固。

1.3 结构安全性增幅及对附近施工影响

申华金融大厦根据房屋质量检测报告并结合部分建筑功能调整机电更新，进行对应的结构加固技术及耐久性修复。结构加固使主楼2～5层、裙房1～6层及地下一层局部，结构稳固升级达到医院建筑抗震设防类别乙类要求，建筑抗震设防烈度为7度，建筑结构安全等级及抗震等级均升为二级。防火等级为一级，主楼后续使用年限为延续原设计使用年限，裙房后续使用年限为40年。结构加固期间对大厦主楼7-28层200余家企业办公影响降低最低（楼东侧改出入口），一层裙房局部、主楼门厅结构加固，各类强、弱电管线改造、门厅装饰等工序施工共计90个工日，恢复滇池路大门和电梯厅正常办公使用。施工中采取扬尘、降噪措施，浇砼施工采用低噪音扬泵接地管泵送方式，建筑垃圾外运采用全封闭室内装铲外运，建筑设备工料到场立即运输上楼层，不占用市政道路，施工期对本大厦办公等周边环境影响较小。

1.4 经济性

传统医院工程结构加固采用钢筋混凝土（以下简称砼）、型钢等方式，缺点是工期较长，钢筋、混凝土工程量大，梁、柱、承重墙、窗等结构类增加较多，对医院各楼层房间布局有较大影响，需避让加固结构布置。应用本文的结构加固技术，在能够满足结构设计需要承载上部的荷载值的同时缩短工期3-4个月，节约物料成本费用约300多万元（结构加固成本大概750万元，传统钢砼、型钢结构加固成本约为1100万）。

2 项目背景

曜影医疗医院工程位于在上海市黄浦区宁波路1号，申华金融大厦结构加固区域是裙房地下一层、1-5层、601单元。申华金融大厦于1995年由华东建筑设计研究院设计，主楼地上28层，总高95.00m，结构形式为框架核心筒结构。裙房地上6层，高度为22.50m，结构形式为框架结构，地上部分主要为商业、办公等功能。工程以建筑结构加固修缮及装修为主，工程具有加固施工面广、综合性强等多项特点，涉及到不同加固技术，涉及交叉作业施工，为了确保结构加固能够到达预期强度，必须要从实际情况出发，加强对结构加固技术应用的探讨[3]。

3 医院项目结构加固技术应用

3.1 竖向构件加固技术应用

3.1.1 屈曲约束支撑加固技术

屈曲约束支撑【又称防屈曲支撑或BRB(Buckling restrained brace)】1973年的日本研发了墙板式防屈曲耗能支撑，1994年美国也开始对防屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点[4]。

B R B 全部在裙房区设置，芯板钢材屈服强度为235MPa，节点板、接头板、预埋板钢材质为Q355B级，板厚20mm，化学锚栓采用M20、M30螺栓。BRB（节点板、接头板、预埋板）组成的消能部件，主要设于框架柱之间竖向构件加固，在不增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力的要求。BRB作为消能器，抽检试验件须在具有第三方机构（CMA检测资质）进行检测，应能表现出稳定的、可重复的滞回性能。依次在1/300、1/200、1/150、1/100 支撑长度的拉伸和压缩往复各3次变形，实现轴向累计非弹性变形至少为屈服变形的200 倍（组件试验不做此要求）[5]。

BRB的布置分“人字形、V 字形、单斜杆”三种形式，总体安装顺序宜采用钢结构竖向构件加固安装支撑装置举升安装法（以下简称安装装置，该装置作者设计并获得专利），平面上应从中部向四周开展，竖向应从下向上逐渐进行。安装前首先确定构件位置，复核轴线标高，清理表面凿毛接触截面。BRB的柱、梁端部预埋件采用化学螺栓固定，钢板采用焊接对接接头连接。接头板：梁顶部端部预埋板和接头板安装采用安装装置举升角接接头焊接安装法，节点接头板顶升台液压升高至柱梁底，用激光红外线校对安装角度及节点，预埋板和接头板尾部梁宽定位、接头板前端与楼面预埋板定位、角度检查验收后，采用全熔透角焊缝工序坡口焊接连接。节点板：阻尼器节点板和接头板安装采用安装装置举升对角安装法，节点板梁吊用钢丝绳吊绑在顶升杆底，先顶升试吊节点板，用激光红外线角度复效，经两次检查后进行节点板对接连接。

3.1.2 黏滞阻尼墙加固技术

黏滞阻尼墙（简称VFW）属于速度相关型阻尼器，由两块外钢板、一块内钢板组成，在外钢板构成的密闭空间内注入高粘度的粘滞体，内钢板固定在上层楼梁底，两块外钢板固定在下层楼面，当结构受到风或地震作用时，上下楼面的运动速度不同，导致内钢板和外钢板产生相对速度。内外钢板之间的速度梯度使黏滞材料产生阻尼，从而使结构的阻尼增大，降低结构的动力反应[6]。（如表1）

表1 黏滞阻尼墙参数

VFW本体、上连接加劲肋副梁（简称上副梁）、下连接加劲肋副梁（简称下副梁）外包钢等材质为Q235B级，板厚20mm，化学锚栓采用M12、M20螺栓。VFW制造厂家在下料前，须结合加固现场楼层层高不同部位、轴线和跨距实测出图号料，核对深化设计保证号料准确性，确保梁外包钢、上下副梁、VFW本体产品等尺寸、锚栓孔定位等均须满足设计及规范要求。出厂前由制造厂家质检部门做预拼装质量检验，经检查合格后附合格证明书、施工说明书，VFW本体装入竖向插放架，垂直运输运至工地施工安装。

安装流程：

测量定位→包钢板安装→上副梁与框架梁包钢板固定→下副梁埋板固定→黏滞阻尼墙安装→检测验收→后期砌体墙（轻钢龙骨石膏板隔墙）及建筑面层施工。

VFW总体安装顺序宜采用钢结构竖向构件加固安装支撑装置举升安装法。副梁安装：采用红外线激光仪校正安装点位、梁底标高及梁水平、阻尼墙体垂直定位、下包钢地面埋板定位。上副梁放置在安装装置顶升台上，顶升台液压升高至梁安装点位，校准副梁底包钢水平及垂直安装角度，检查梁与包钢板位置准确无误，保证上副梁底板水平达到要求。包钢预留锚栓孔放样电锤钻孔，梁底采用M12化学锚栓螺栓植筋固定，包钢用角接接头角焊缝工序连接。下副梁两侧吊耳用钢丝绳两点吊在安装装置顶升杆下至楼面安装点位，校准下副梁水平、垂直角度。复核VFW本体净尺寸，用标尺在上下钢板间水平滑动，确保符合安装要求，安装VFW本体和副梁采用搭接接头开槽焊工序连接。下副梁化学锚栓植筋固定，预埋板不超梁外侧，避免影响建筑隔墙布置（如图1-图2）。

图1 安装现场图

图2 黏滞阻尼墙节点示意

3.1.3 屈曲约束支撑、黏滞阻尼器墙钢结构焊接技术要求

BRB的预埋板、接头板、节点板需在现场焊接连接，焊接质量等级为现场二级。VFW的上下副梁、梁包钢板预埋件需在现场焊接连接，连接钢板采用外角单（钝边）的单边V型坡口角缝焊焊接工序，焊接质量等级为现场三级。采用对接接头连接对焊缝工序，全熔透焊接焊缝形式采用V型坡口，对接接头坡口角度65°-90°为宜。采用搭接接头开槽焊工序阻尼墙本体和副梁两块钢板相叠，在相叠端的边缘采用开槽焊的接头连接。采用角接接头连接，采用全熔透角焊缝工序，焊缝形式采用单（钝边）的单边V型坡口，角焊缝成凹形焊缝金属与钢板间应平过渡，凹形在表面不留切痕。角焊缝转角处不停接着绕角焊接，焊成凹形的角焊缝，焊缝金属与母材间应平过渡，不得在其表面留下切痕。保持焊接面的平整度，防止因长时间焊接产生钢板变形，连续多层施焊，焊道及时检查，清除缺陷后再焊。焊接后用角磨机打磨至光滑，24小时后进行力学性能检测和疲劳性能检测，结果应符合相关规范规定，检测后做防锈处理，确保安装质量符合规范《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）验收标准。

3.2 梁截面加大加固技术应用

工程采用梁截面加大U型三侧包套的加固技术，用砼增大构件的截面面积和配筋，用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性，以达到提高结构承载能力的目的。

界面处理：凿毛旧砼界面采用机具磨毛处理砼表面，用风镐凿除砼毛面深度10mm，用钢丝刷和清水把凿毛界面清洗。采用冲击电钻钻孔，孔位避开原结构内部钢筋，孔深≥18d符合要求。清孔时先刷孔壁，在用吹风机吹出孔内粉尘。从孔底注入植筋胶以满为标准，U型箍筋旋转插孔内深度符合要求，植筋后5小时后方可开展钢筋绑扎。

钢筋工程：进场钢筋分批分次报验送检，钢筋验收合格才可切割、弯箍制作。加大截面梁底箍筋低于两侧原结构梁底，用U型箍植入原结构梁底或柱侧吊筋连接，箍筋间距加密为100mm。焊接采用单面焊焊接连接长≥10d，焊接接头相互错开，焊缝饱满、无渣。钢筋绑扎保证不偏位扎，双向受力的钢筋满扎牢固，箍筋弯钩叠合处应沿受力钢筋方向错开设置。

模板工程：模板按图纸放样尺寸配拼装柱、梁模板，模板表面涂刷脱模剂，侧模直角搭于底膜至旧结构板底，保证U型三侧模板接缝严密，达到整体模板不漏浆，用40mmX80mm木枋斜撑压紧木枋固定梁、板。支模架采用间距900mm门型钢管扣件，梁底纵横方向用钢管配扣件方式紧固锁定，设扫地杆巩固架体。

灌浆工程：采用横式高压注浆机压力灌浆施工，灌浆料采用HGM-1型高强无收缩灌浆料（豆石加固型高强无收缩灌浆料，简称灌浆料）与原砼粘结强度＞2.5MPa。灌浆前24小时淋水养护界面，灌浆前1小时清理积水。灌浆前按模板距离1500mm-2000mm，钻50mm锥形灌浆孔，且每道梁孔数≥3处。灌浆从一侧点灌浆，至第二点溢出,按此顺序施灌排出空气，不得同时多点灌浆。机械搅拌时不掺外加剂，加灌浆料同时加入清水（清水按配合比9-10%用量，用刻度的桶添加），通过1-2分钟搅拌形成糊状物，倒入高压注浆机开始压力灌浆。采用直流平无振捣灌浆，合理调整灌浆时间，中途全程搅拌、灌浆等工序连续施工。出现少量漏浆时及时停止，采用发泡剂、胶带等封堵处理后继续施灌。遇到突发事件需暂停时，将灌浆管插入灌浆机入料口循环回浆。暂停时间超出搅拌30分钟的，超时无法继续的将浆料报废处置。

控制要点：按《关于进一步完善本市建设工程材料备案管理的通知》（沪建建材[2017]1089 ）号文中规定，材料自验并备案，灌浆料、细石骨料、高压注浆机各类参数均须符合要求，报业主、监理单位审核通过。实行灌浆令制度，报监理旁站监督，全程拍摄灌浆视频，视频文件按层数、轴线梁、柱位编号分类归档保存。同条件养护抗压强度试件，标准养护28d试件，抗压强度未达到35N/mm2，延长对梁、柱后续施工。

3.3 粘贴碳纤维布施工

碳纤维加固技术是20世纪80年代末、90年代初在美、日等发达国家兴起的一项结构加固技术，该方法通过将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维），用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强材料与原砼共同受力，增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性[7]。

工程粘贴碳纤维布加固位置主楼区、裙房区总粘贴面积约10000m2左右，加固详细用于抗剪和抗弯不足的砼梁、楼板，也用于板底和新开洞口结构梁板等部位。碳纤维布单向织布高强Ⅰ型，采用300g/㎡，厚度0.167mm，抗拉轻度≥3000MPa。碳纤维布和A级改性环氧树脂胶粘剂均符合《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》（DG/TJ08-012-2017)的规定，配置专用胶性能指标详见下表。

凿除混凝土表层存在的腐蚀、蜂窝等各种不良区域，对于大面积劣质层，凿除之后，要采用聚合物水泥砂浆修复[8]。粘贴碳纤维和混凝土的胶粘剂，配套采用底涂、修补/找平胶料、粘胶等三种胶粘剂组成，胶料配合比为主剂和固化剂2:1的配制混合搅拌，组织对胶料检查验收并上报，完成粘贴材料调配与搅拌之后，底涂胶用滚筒刷将胶均匀涂抹于混凝土表面，在涂抹时要控制好速度底胶厚度不超过0.4mm，涂抹要保持均匀。

碳纤维片材与砼之间的总有效粘结面积≥95%，非锚固区≥85%，严格依据规范要求裁剪碳纤维布，粘贴时应平整无褶皱，沿受力方向搭接≥200mm，贴后用特别光滑磙子在碳纤维布表面沿同一方向多次滚压至胶料渗出碳纤维布外表面。用目测和敲击检查粘贴部位，标记空鼓范围，空鼓＜10000mm2，针管注胶进行补救，空鼓＞10000mm2时，将空鼓处的碳纤维片材切除，搭接＞l00mm贴碳纤维片补贴。待表面指触全部干燥完全固化后，梁板顶区表面采用5mm抗裂砂浆+1.5h耐火极限的防火涂料防护，楼面采用覆盖措施后续找砂浆平层进行防护（如图3）。

图3 安全检查

3.4 锚粘钢板加固技术应用

工程采用锚粘钢板是用胶粘剂粘贴于旧混凝土柱、梁等构件基础上在增加锚固铆钉加固钢板，利用钢板的高抗拉强度增强原构件的刚度，共同受力，提高建筑承载力[9]。

工程锚粘钢板材料采用Q355B级，厚度5mm，化学锚栓采用M20螺栓及JGN建筑结构胶。柱、梁根部选用L型垂直外包钢板，柱、梁下衬位钢板采用全包型包钢，锚栓孔距采用100mm-200mm。柱、梁根部锚粘钢板采用粘钢板条锚固，现场复核放样下料切割钢材，钻锚栓孔，钢板先预贴于混凝土面上，临时固定钢板与砼接触面，无缝隙、翘角全面敷贴到位，在用笔做好孔点标记并钻孔，锚栓螺栓孔深18d，吹净孔内灰尘，再次复校孔深和孔位均符合要求，植筋化学锚栓。

粘钢前用打磨旧砼表面，并用丙酮擦净，钢板粘结面采用角磨机除锈打磨出金属面，并用丙酮仔细擦拭干净。JGN建筑结构胶按使用说明书称重调制配合比，分开搅拌甲、乙两组胶，在将两组混合一起搅拌调制胶。涂抹在处理好的钢板和旧砼面，竖向涂胶上厚下薄，水平涂胶中间厚边缘薄，然后将两者粘贴到一起。安装紧固锚固螺栓、梁根部用铸铁配重块加压钢板底面和侧面，柱、梁下衬位粘钢板采用钢支撑螺栓加压，至钢板周边胶液挤出为标准。待固化后24小时后卸去配重，进行密实度检查，确定有效粘贴面达到要求并在72小时后待结构胶完全固化后，除去残胶、锈蚀，刷两道防锈漆，楼面后续浇砼防护。

4 结语

结构加固技术应用在曜影医院项目结构加固改造中，在安全性、经济性都体现出了不错价值。工程结构加固包括静力砼切割、旧管道拆除、植筋、化学螺栓加固等施工技术应用就不一一列举。本文重点竖向构件加固（屈曲约束支撑、黏滞阻尼器墙）梁截面加大、粘贴碳纤维、锚粘钢板、等技术施工在进行全面分析基础上，结合工程具体情况，采取合理技术，对项目进行适当改造，提高医院结构的稳定性，确保其在后期应用过程中，不会出现裂纹、倾斜、倒塌等各种事故。