加固维修工程施工质量检测及整体性能评估*

马灵会,魏常宝,钱 铭,安 炳,何志锋

(甘肃土木工程科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730020)

0 引言

对于既有建筑的加固和维修,如何对加固后的建筑进行鉴定与性能评估目前没有统一的规定和程序要求[1-2]。一般情况下,建设单位仅委托监理单位监督工程实施过程中的材料见证取样复试,而施工质量的监督和全过程检测与性能评估并没有多少有效的措施,更少有建设单位对加固后的建筑结构整体进行性能评估(安全性鉴定与抗震性能鉴定)[3]。

基于以上问题,对加固维修工程施工所用材料的检测、加固维修工程施工过程的检测、加固维修后建筑整体性能(安全性和抗震性能)的鉴定与评估进行探索。将既有建筑结构加固维修工程施工质量检测及性能评价分为3个步骤进行,总结为“三步走”程序:①加固维修所用材料的检测与试验;②加固维修分部分项工程施工过程中形成的成品及半成品的检测与试验;③加固维修后建筑整体的安全性鉴定评估与抗震鉴定评估。

1 管理程序概述

加固维修工程实施过程中,随着各类、各批次材料进场,按材料类型、进场批次对各种进场材料进行见证取样并复试,以保证进场材料的质量与安全性[4]。随着加固维修施工进程的不断深入,逐渐出现阶段性成品和半成品,也需要对各施工过程进行试验检验,确保施工过程的质量合格且满足性能要求。加固维修工程完工后需在全过程检测、试验基础上进行建筑整体安全性和抗震性能鉴定与评估,保证加固维修后建筑整体的各项性能满足规范要求和设计目标[5]。

各种进场材料见证取样并复试、阶段性成品和半成品(施工过程)试验检验、加固维修后安全性鉴定与抗震鉴定均需委托与项目各责任主体无利害关系的第三方负责实施,保证检测、试验及评估公平、真实、可靠。

对加固维修工程采用“三步走”程序进行施工质量检测及加固维修后性能评估与管理,试验检验单位需在项目实施过程中全过程介入,对施工不同阶段所用材料进行检测,对施工过程中形成的成品与半成品进行试验检验,这2个层次的检测与试验贯穿施工全过程。加固维修工程完工后,根据施工阶段全过程检测与试验数据,对已完工的建筑整体进行性能评价,完成既有建筑加固维修工程的施工质量检测与整体性能评价。此“三步走”做法与程序可为同类型加固维修工程提供借鉴与参考[6-7]。

本文以兰州地区某湿陷性黄土场地既有建筑加固维修工程为例,按上述“三步走”程序进行加固维修工程施工质量检测与整体性能评估。

2 工程概况

2.1 结构概况

某既有建筑地处兰州地区湿陷性黄土场地,因地基浸水使得建筑地基出现不均匀沉降,导致建筑上部结构出现不均匀沉降、裂缝、倾斜等危及建筑安全的隐患。针对此类安全隐患,首先对建筑地基基础进行加固,避免地基湿陷对建筑继续产生危害,防止建筑现阶段的不均匀沉降,再对建筑进行纠偏处理[8],并对上部结构采用加固维修等措施,使建筑恢复到原有状态,消除安全隐患,达到正常安全使用的要求。

该小区1号楼为8层钢筋混凝土框架结构住宅楼,建筑基础为独立基础,地基采用素土挤密桩复合地基,处理深度12m。挤密桩身土压实系数不小于0.97,桩间土挤密系数不小于0.88。挤密桩顶设置500mm厚三七灰土褥垫层,其压实系数不小于0.95。建筑由伸缩缝分隔为A段和B段2个结构单元,总建筑面积8 719m2,建筑高度22.8m。

2.2 检测结论

该建筑所在场地土层主要为杂填土、粉土和卵石层,卵石层埋深37.8～42m。该建筑地基处理深度范围素土挤密桩体土压实系数和桩间土挤密系数均达不到设计要求,部分地基土仍有湿陷性。基底灰土褥垫层压实系数部分达不到设计要求。该建筑B段地基基础存在轻微浸水影响。建筑相邻柱基沉降差为3～98mm,大部分不满足规范要求。该建筑部分框架柱和框架梁表面出现U形裂缝,裂缝宽度为0.1～2.28mm。该建筑A段顶点水平位移为41～482mm,B段顶点水平位移为30～172mm,建筑顶点水平位移不满足GB 50292—2015《民用建筑可靠性标准》(以下简称《可靠性标准》)要求。

2.3 鉴定结论

经安全性鉴定,该建筑结构安全性综合评定为Csu级,显著影响整体承载。

经抗震鉴定,该建筑上部结构抗震构造措施及承载力满足GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》(以下简称《抗震鉴定标准》)的要求,结构整体抗震性能满足《抗震鉴定标准》要求。

2.4 检测鉴定建议

建议对该建筑地基基础进行加固处理,并对建筑整体进行纠偏,对上部损坏结构构件进行维修补强处理。建议对该建筑进行变形监测,如有异常应立即采取措施。

3 加固方案

3.1 加固设计

根据原建筑现状的检测鉴定结果,地基基础采用坑式静压钢管桩进行加固,并在静压钢管桩加固后进行整体顶升纠偏。设计静压钢管桩384根,桩长39m。存在裂缝的框架梁和框架柱首先采用结构胶进行裂缝修复与封闭,再粘贴碳纤维进行加固补强处理。

3.2 施工与检测

本工程实际施工静压钢管桩384根,总长度15 336.07m,平均单桩长39.94m。该建筑于2020年9月中旬开始挖导坑,10月初开始静压钢管桩施工,2020年11月底完成静压钢管桩施工,2020年12月中旬全部钢管桩内混凝土完成浇筑。根据进场材料批次与批量对加固材料进行见证取样复试,该建筑加固所用材料均满足设计要求与相应规范要求。静压钢管桩加固完成后于2020年12月下旬对预留的3根试验桩进行承载力试验(非破坏试验)检测,钢管桩承载力均大于设计值,钢管桩施工质量合格,具备整体顶升纠偏条件。2021年1月中旬完成整体顶升纠偏工作。2021年4月完成上部结构的全部维修与加固补强工作,并进行工程预验收与竣工验收。

4 试验检测

4.1 工程材料质量检测

4.1.1钢材质量检测

本工程所用钢材主要为无缝钢管、钢板、钢筋。每批次进场钢材由监理工程师见证取样后送试验检测机构进行复试检测。所见证取样复试均满足设计材质要求和规范要求,部分复试结果如表1所示。

表1 钢材见证取样复试数据Table 1 Steel witness sample retest data

4.1.2混凝土质量检测

本工程在静压钢管桩钢管内灌填C30细石混凝土,混凝土抗压强度检测采用预留的标准养护试块和同条件养护试块一起进行抗压强度试验,标准养护试块用来检测混凝土本身的强度等级,判断商品混凝土是否达到设计强度等级。同条件养护试块用来检测施工用混凝土的强度等级,判断混凝土的施工质量。经试验检测,标准养护和同条件养护混凝土强度等级均满足设计强度等级要求,如表2所示。

表2 混凝土试块检测数据Table 2 Test data of concrete test blocks

4.1.3建筑消石灰质量检测

本工程在灰土回填导坑时采用消石灰与素土(黄土状粉土)拌和而成的三七灰土。对进场的消石灰进行见证取样检测。经检测,各批消石灰质量合格,检测数据如表3所示。

表3 消石灰检测数据Table 3 Slaked lime test data

4.1.4其他材料质量检测

本工程所用其他材料主要有碳纤维布、碳纤维粘贴结构胶。施工过程中对进场的其他材料见证取样进行复试,以此检验进场材料的质量。

本工程所用碳纤维布抗拉强度标准值为3 528MPa(≥3 400MPa),伸长率为1.8%(≥1.6%),单位面积质量为299.1g/m2(≥300±9g/m2)。以上试验检测数据均达到高强I级碳纤维布的技术指标要求,满足设计要求。

本工程所用碳纤维粘贴结构胶抗拉强度为43.6MPa(≥38MPa),伸长率为1.58%(≥1.5%),抗弯强度为75.9MPa,未呈碎裂状破坏(≥50MPa,且不得呈碎裂状破坏),抗压强度为101.9MPa(≥70MPa)。以上试验检测数据均达到I类A级胶的要求,满足设计要求。

4.2 施工过程性能与质量检测

4.2.1静压桩承载力检测

在钢管桩内混凝土浇筑完成后按照阶段成品加固施工质量检测单位的要求预留不少于3根(本工程预留3根)静压钢管桩进行承载力检测。经检测,该批静压钢管桩施工质量合格,承载力满足设计要求,检测数据如表4所示。

表4 静压桩承载力检测结果Table 4 Testing results of static pile bearing capacity

4.2.2导坑灰土回填质量检测

本工程导坑底部回填采用三七灰土分层夯实回填,设计压实系数为0.88。导坑回填做法如图1所示。

图1 静压桩及导坑回填剖面Fig.1 Backfill profile of static pile and guide pit

施工阶段,经现场环刀取样检测,该工程导坑灰土回填压实系数均满足设计要求,施工质量合格,部分压实系数检测数据汇总如表5所示。

4.2.3导坑混凝土回填质量检测

在导坑底部灰土回填后的上部导坑采用C30微膨胀混凝土进行回填(桩头封包,将桩头与上部导坑范围用微膨胀混凝土浇筑为一个整体),如图1所示。混凝土抗压强度检测采用预留标准养护试块和同条件养护试块共同进行抗压试验。经试验检测,标准养护和同条件养护混凝土强度均满足设计强度要求,导坑混凝土回填施工质量合格,检测数据如表6所示。

表6 导坑回填混凝土试块检测数据Table 6 Test data of backfill concrete test block in guide pit

4.2.4上部结构维修施工质量检测

上部结构维修施工质量检测主要对粘贴碳纤维布的空鼓率与正拉黏结强度进行检查,以检验碳纤维布粘贴施工质量,检测数据如表7所示。

表7 碳纤维布粘贴施工检测数据Table 7 Carbon fiber cloth paste construction test data

4.2.5顶升纠偏结果

纠偏后,对建筑四角进行整体顶点位移测量,该建筑整体顶点侧向位移最大值为60mm(对应建筑高度为22.8m,包含原有结构施工误差及外墙保温施工误差。根据《可靠性标准》规定,该楼最大结构侧向位移限值为91.2mm(按框架结构高层建筑不适于承载的侧向位移等级的顶点位移=22 800/250=91.2)。因此,该建筑结构侧向位移满足《可靠性标准》要求。观测结果如图2所示。

图2 建筑整体顶点位移观测结果Fig.2 Observation result of overall building vertex displacement

5 加固后整体性能评估

5.1 安全性评估

该建筑加固后结构安全性评定根据《可靠性标准》要求从结构构件(构件集)、鉴定子单元,鉴定单元3个层次进行。经加固后安全性鉴定,该建筑地基基础安全性等级评定为Au级,上部承重结构安全性评定为Au级,围护系统承重部分安全性评定为Au级,整楼安全性综合评定为Asu级。该建筑加固后结构安全性符合《可靠性鉴定标准》Asu级的要求,不影响整体承载。

5.2 抗震性能评估

该建筑加固后设计使用年限为40年,按B类建筑进行抗震鉴定。建筑整体抗震鉴定按《抗震鉴定标准》要求,从抗震措施和抗震承载力验算两方面进行鉴定与评价。该建筑地基基础加固与纠偏未改变原结构抗震构造与抗震承载功能,未对原结构造成新的损伤,对原建筑部分上部结构受损构件进行了加固与补强,使其达到原设计标准要求。经抗震鉴定,该建筑加固后的抗震构造措施和抗震承载力均达到《抗震鉴定标准》要求。

5.3 加固与纠偏效果

对该楼在地基基础加固施工阶段和施工后顶点水平位移进行了观测,观测结果如表8所示。经观测,加固前该建筑顶点位移超过规范要求前文所述该楼结构最大结构顶点位移限值为91.2mm。本工程顶升纠偏后,各点的顶点水平位移均能达到规范限值要求,达到了加固与纠偏目标。

表8 顶点水平位移观测数据Table 8 Observed data of vertex horizontal displacement

本文选取该建筑A段和B段结构单元各1个观测点进行沉降变形监测,监测结果如表9所示。

表9 沉降与顶升竖向位移观测数据Table 9 Observed data of settlement and jacking vertical displacement

根据以上观测数据,2021年6月27日—2021年10月15日,共计110d,A/25(A段)观测点累计沉降3.23mm,A/1(B段)观测点累计沉降0.9mm,A/25(A段)观测点平均沉降速率为0.029mm/d,A/1(B段)观测点平均沉降速率为0.008mm/d。最后100d最大沉降速率均小于0.01～0.04mm/d,加固后沉降变形达到稳定状态。

6 结语

本文结合工程实践,总结了既有建筑加固维修工程施工质量检测与整体性能评估的“三步走”程序,分为3个层次:①第1层次 通过对进场材料试验检测,保证材料能够满足设计与规范要求。②第2层次 通过对加固维修施工过程(各工序成品和半成品)的质量试验检测,保证了加固维修施工质量符合设计要求与规范要求。③第3层次 通过对加固维修后的建筑结构整体进行安全性和抗震性能鉴定与评估,保证加固维修后的既有建筑整体达到不低于原设计安全性与抗震性能标准的要求[9]。

这对我国城镇化建设进入存量时代,城市更新中实施绿色、低碳行动中既有建筑加固维修与改造工程施工质量检测、加固维修改造后安全性和抗震鉴定评估具有一定的参考和借鉴意义[10-11]。