某砌体结构改造底部框架-抗震墙砌体结构房屋的探索与实践

刘 鹏

（甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020）

随着建筑业的发展，人们对建筑物的要求越来越高，尤其是砖混结构建筑的基础，因地基承载力引起的地基的不均匀沉降，严重影响人们的日常生活，托换技术作为建筑加固的主要方法之一，更是占着十分重要的地位。

砖混结构因建筑物使用功能改变或使用年限将至进行加固改造，而大空间的需求导致砖混结构改底部框架结构成为常见改造形式之一。在大空间改造过程中，原结构处于受力稳定状态，而拆墙改造将打破内力平衡，改变整体结构的应力和变形状态。砖混结构改底部框架结构采用置换技术可以使结构体系顺利转换，二次达到稳定状态，即在底层设置托换大梁，待墙体拆除后将上部荷载通过框架柱传递至基础，因此对于托换梁的设计是砖混结构改底框结构的重要工作。

1 工程概况

该工程原建筑建造于20世纪70年代，为地上四层砌体结构。建筑总长54.8 m、宽13 m，一层层高3.3 m；二、三层层高3.15 m；四层层高3.5 m，室外高差0.7 m，结构总高13.85 m，外墙厚370 mm，内墙厚240 mm，砖砌放大脚基础，基底土采用450 mm厚3∶7灰土换填处理。现根据建设单位使用要求，将原砌体结构改造为底部框架-抗震墙砌体房屋，底层为混凝土框架结构，抗震等级为二级。一层作为营业大厅，二至四层为砌体结构，二层内外墙面原抹灰层剔除抹高延性混凝土进行加固处理，三、四层局部墙面原抹灰层剔除抹高延混凝土加固处理，如图1、图2。

图1 改造前

图2 改造后

2 工程难点

在将原砖砌体结构改造成底层混凝土框架结构过程中存在以下施工难点：

（1）施工过程中原砖砌体结构拆除部位较多，临时支护难度大，原结构稳定性削弱严重，风险较大。

在井桩施工时，需对相应位置的原砖砌体结构基地土（450 mm厚、3∶7灰土）及砖砌放大脚基础进行拆除，拆除后受作业空间限制，临时支护难度大且桩基础同时开挖数量直接影响工程进度；在框架柱施工时，需要对框架柱核心区范围内原纵横砖墙及原有扶壁柱进行拆除，拆除宽度350 mm，拆除后对原纵横墙削弱严重，需对门洞口、窗洞口过梁进行有效支护；在框架梁施工时，需在纵横墙顶部间隔1 m开240 mm×梁高×墙厚的肩梁洞口，拆除后需对楼板进行临时支撑。

（2）施工过程中受施工条件限制机械化程度低，大部分工作由人工完成。

在井桩施工过程中，受作业空间限制，无法采用旋挖钻等大型机械设备，只能采取人工成孔的方式；在砖砌放大脚及砖墙拆除过程中，由于机械拆除对原砖墙体破损严重，完整性减弱程度较大，只能采取人工先切割后拆除的方式进行墙体拆除。

（3）施工工序相互交叉，施工作业面受限制，施工进度无法加快。

在底层混凝土框架结构施工过程中，必须严格按照井桩-承台-框架柱-框架梁的施工工序进行，前一道工序未全部完成，后道工序无法进行施工，不能形成分段流水作业施工。井桩、承台、框架柱施工过程中，都采用“跳打法”进行施工，且同时拆除点位不能同时超过6个，不能形成连续施工作业。

3 采用的新技术新工艺及其实际效果

3.1 高延性混凝土对墙体进行加固

本次加固以满足抗震设防和建筑物的正常使用要求为主要目标。对部分墙体采用高延性混凝土面层加固。高延性混凝土作为一种新型加固材料，通过本项目的实际应用，其加固效果明显。在砌体结构表面压抹高延性混凝土面层，通过与砌体结构表面优良的粘结性能，使高延性混凝土面层与砌体成为整体，共同受力，并利用其高韧性、高强度（抗拉）、高抗裂性能和高耐损伤能力来提高砌体结构的承载力、延性和抗裂性能，有效改善砌体房屋的整体性。

3.2 砖砌体结构改为底层混凝土框架结构

本项目在一层采用新型混合框架托换加固方案，将原砖混结构改造为混凝土底框结构体系，即在原有纵横墙体交接处浇筑高强混凝土，形成砌体外包混凝土框架组合柱，在柱顶原墙体两侧布置框架梁2根，用于托举上部楼层墙体，亦称为托墙梁，如图3。在2根托墙梁间设置肩梁，肩梁将上部墙体通过板传来的荷载传递于托梁上，且将2根托梁连接为整体。组合柱与托墙梁构成新型底框结构承担上部砌体结构，可称为新型混合框架底框砌体结构。

图3 现场肩梁施工实景图

该新型混合框架底框砌体结构在正常使用标准荷载作用下的结构安全性较稳定。当采用新型混合框架底框砌体结构承担上部荷载时，较原来的砖混砌体结构，其传力路径明显。底部框架梁由托墙梁和肩梁组成，其中托墙梁中部为原结构砌体，两侧为高强混凝土梁，共同承担上部墙、板传来的荷载，其传力路径明确，传力路径上结构构件抗力能力较原砖砌体结构强，如图4。

图4 现场框架柱、框架梁施工实景图

4 发展现状及趋势

随着社会的加速发展，原砌体结构空间小、抗震能力弱的缺点已无法满足现代社会对建筑大空间使用功能的需求，同时受国家政策的限制，此类砌体结构拆除后重建的实现难度很大、环境污染、资源浪费严重。该结构的出现，恰到好处地解决了上述问题。

对于既有砌体结构建筑，如何改造成大空间、如何提升抗震性能的同时保证其施工过程中的安全是一个极其困难的问题。从法国加儿德输水桥三层拱结构力学原理联想到砖混结构改造底框结构的三次托换，底层大拱类似砖墙基础开大孔挖桩基的一次托换，中间层拱类似砖墙开槽做框架柱的二次托换，顶层小拱类似砖墙开小孔做框架梁上肩梁的三次托换。

该结构由混凝土夹芯式框架柱及双托梁组合肩梁组成框架结构。施工过程中，混凝土夹芯式框架柱组成过程为，先拆除混凝土夹芯式框架柱位置纵、横砌体墙至圈梁底，砌体墙拆除尺寸为混凝土夹芯式框架柱边至砖夹芯柱边，拆除后安装纵筋及箍筋、支模、浇筑混凝土；双托梁组合肩梁的形成过程为，沿纵、横墙间隔1米布置肩梁，拆除肩梁位置原砌体墙，拆除尺寸为托梁高×墙体厚×肩梁宽，安装托梁钢筋及肩梁钢筋、支模、楼板开洞浇筑混凝土。由于底层框架砌体结构上部刚度很大，下部刚度较小，容易形成相对薄弱的底部，抗震不利，因此在底层设置钢筋混凝土抗震墙，来增强底层刚度，在二层过渡层，采用高延性混凝土加固砌体墙，增强墙体的韧性、抗裂性能和耐损伤能力。

因此，该结构在加固方式上有了创新，不局限于传统意义上只对结构进行补强的加固方式，在建筑使用功能及空间上都进行改造，更能满足建设单位的改造意愿，具有更大的发展前景。

5 技术的成熟程度，适用范围和安全性

5.1 安全性

采用该成果改造砌体结构房屋，由于采用逐层次托换新技术，无需大开洞、无需临时性托换支撑，改造施工过程安全性高，施工方便。改造后形成的底部框架抗震墙砌体结构，上部砌体结构承重墙体、楼面荷载通过肩梁、托梁到框架柱、基础的传力途径。其传力路径明确，结构安全可靠、满足现行规范要求。

通过试验已验证该新型混合框架底框砌体结构的安全性，通过现场荷载试验与有限元数值模拟的方式进行分析，确定了该新型结构在正常使用下的结构安全性。施工过程中的施工工艺、措施、安全性有保证。

5.2 创造性

①在既有建筑纵横墙交接位置，拆除原砌体结构放大脚基础，形成拱券改造框架柱、抗震墙基础；②对框架柱核心区范围内原纵横砖墙进行拆除，形成砌体芯柱外包混凝土框架组合柱；③在纵横墙顶部间隔1米布置肩梁，由肩梁将2根托墙梁连接为整体。

6 应用情况及存在的问题

6.1 应用情况

随着城市建设的发展更新和业主对临街房屋商业性使用要求的不断提高，砌体结构房屋的改造更新需求越来越多。采用该成果改造后，这类建筑就功能而言，底部可提供灵活的布置空间，如百货公司、商店、餐厅等，上部可设置住宅、办公室、宾馆。

通过新型混凝土夹芯式框架柱、双托梁及肩梁复合梁体组成的底部框架结构体系，将原底层砌体承重墙改变为非承重填充墙，从而可按使用功能要求随意拆除原承重墙体形成大空间。

该成果对砌体结构房屋的改造改变了传统做法，采用从基础、框架柱到框架梁的逐层次托换新技术，先形成底部框架结构体系，最后拆除原承重墙体，通过工程实践证明该成果在技术上合理、可行、安全性高，对于类似工程的改造有推广价值。能够改变老旧建筑空间狭小、使用功能受限的缺点，使老旧建筑适应社会发展的需求。由于其具有良好的使用功能，造价相对较低的优点，避免此类建筑拆除重建，造成不必要的浪费。同时，从环保的角度来讲，减少了建筑垃圾的产生，更符合国家环保政策的要求。

6.2 存在问题

（1）改造后，此类房屋结构仍属于底部框架抗震墙砌体结构房屋，由于抗震性能仍相对较差，底层需要设置一定数量的抗震横墙，在使用空间，层高及总层等方面有一定的限制。

（2）由于改造采用逐层次托换技术，对施工要求的专业化程度高、技术力量强，无专业经验的施工队伍难以完成。

（3）改造施工过程中受施工条件限制机械化程度低，间歇性大，劳动力较密集。