结构改造加固设计与施工案例分析

郑淑文，周广洋

(1.济宁市伟光汇通文化旅游发展有限公司,山东 济宁 272000; 2.邹城市祥宜房地产开发有限公司,山东 济宁 272000)

0 引言

建筑工程由于其建设成本较大、建设周期较长等特点,在建筑物出现老化、结构损伤或建筑改变用途和承载能力时,一般不会对其拆除重建。为了使建筑物能够继续使用或满足新的使用要求,现阶段常采用加固技术进行处理。加固工程一般需要对建筑物进行检测和鉴定,根据检测鉴定的结果进行相应结构的改造、加固处理,使结构的安全性达到使用要求。通过加固改造的方式处理既有建筑,在提升建筑安全性的同时,避免了整体性拆除、建造的时间长、成本高等问题。实现较低成本、较短时间达到建筑使用功能需要,在经济方面和时间方面均具有良好的效益[1-4]。

随着建筑业的发展,城市建设对建筑的要求不再仅仅满足强度和耐久性要求,对建筑的美观性、使用功能提出了更多的要求。另外,经历过几次重大地震灾害后,对建筑的抗震性、安全性、可靠度等方面的要求也越来越重视。伴随使用需求的改变以及安全性、适应性能力的要求提高,大量正在使用中的建筑需要得到改善。为了提高结构的安全性和适应性,并考虑减小经济压力等因素,加固技术的优势得到展现,并借助于结构分析软件的开发应用、新材料的研发等条件,大大推动了结构加固技术的发展,为既有建筑的使用提供了更多的可能性[5]。

改造加固技术处理工程问题可以归纳为以下几个方面:1)结构增强:当结构使用荷载改变,超出原设计限值时,对原结构进行加固处理,提升结构安全性;2)结构改造:原结构形式不满足使用需求,而改变结构形式,采用新的结构方案实现其使用需求;3)损伤修复:建筑使用年限过长、偶然因素破坏等引发的既有建筑损伤,通过对原结构的加固处理,恢复建筑安全性[6]。本文以某项目结构梁改造加固工程为例,讨论改造加固设计及施工中的相关技术问题。

1 工程概况

本项目建筑为地下1层、地上4层的框架结构,主体结构施工已经完成,因部分梁底净高不满足使用要求,结构设计师给出了将部分屋面梁上翻的处理方案。然而在进行屋面造型板施工时,发现上翻梁影响了屋面施工。屋面局部结构布置如图1所示。

因屋面结构梁WKL1,L1,L2为上翻梁,高出屋面部分影响了屋面造型板的施工,为满足屋面造型要求,需要对上翻梁进行处理。

2 改造加固方案设计

2.1 方案的确定

根据工程实际情况,改造方案需要满足两方面需求:屋面造型施工和机房层使用高度要求。这就需要破除屋面高出部分的梁,在板底加固措施又不能占用过大的高度。

1)根据设计规范[7]中给出的混凝土构件加固方法,粘贴钢板法和粘贴纤维复合材法可以满足使用要求。但在破除WKL1后,①轴-②轴交A轴-B轴区域将形成8.1 m×8.1 m的三面支撑板,结构受力不能满足要求,故此方向不可行。

2)通过现场屋面造型板施工放样发现:WKL1,L1,L2均只在梁的端部存在一块斜角区域影响造型板的施工,因此考虑对梁进行局部改造,使得屋面和机房层均满足相应尺寸要求,如图2所示。

此种方式处理后,受力构件由平梁变成了折梁,此时梁端部的受力状态发生了变化,在支座处产生了水平力作用,应验算支座处支撑结构的安全性[8]。为简化计算模型,首先将各跨的梁分别作为一个整体进行力学平衡计算,得到支座端水平受力情况,再根据原设计图纸建立局部结构模型并施加相应作用。通过验算,原结构尺寸、配筋在应对折梁形成的荷载时仍具有足够的安全度,可以满足折梁方案的改造需求,方案可行。

2.2 设计成果

经过现场测量,确定了各梁需要处理部分的具体尺寸(详见梁设计图),利用PKPM软件结合原结构计算模型,对相应区域的梁进行调整后分析计算,得到改造后的结构设计。各梁设计详见图3—图5。

按照此方案,梁的一端弯折改造后的截面尺寸与原平梁尺寸相同,WKL1:300×700;L1,L2:250×650。新浇筑混凝土按照比原设计提高一个强度等级设计,浇筑混凝土需具备无收缩性能。为了保证浇筑质量,结合市场中材料使用情况,推荐采用C40灌浆料进行浇筑。改造部分的梁布设新的钢筋,通过化学植筋、焊接的方式与原结构连接。为了确定工程实际状况下的植筋能够达到设计要求,在方案实施前在结构同环境条件下进行植筋并进行拉拔试验验证。验证试验在本建筑机房层选择了一处混凝土柱进行植筋和拉拔试验,经现场测试结果显示:相关力学性能指标满足设计要求。新增纵向受力钢筋范围内,新增加箍筋采用“U”形箍筋、规格及间距同原设计的梁箍筋(直径8 mm,间距200 mm)。新增的“U”形箍筋需要与原结构保留的箍筋进行焊接,焊接长度不得小于100 mm。

根据设计方案对屋面的结构上翻梁进行改造,对原结构的处理范围较少,进而减少了对原结构的扰动,从源头降低了对原有结构的扰动破坏风险。按照此种方法进行改造施工,不但满足了建筑的使用要求,对于工程的整体施工进度、工程造价均有相应保障。

3 屋面梁改造加固施工

改造施工前,屋面面层及部分屋面板钢骨架已施工完成,屋面的大部分荷载已经形成。根据现场情况及工期安排,按照如下施工流程:支撑系统安装→梁底新增部分施工→梁顶静力切割→梁顶修复施工→支撑系统拆除→完工监测。

3.1 支撑系统安装

支撑系统由压力及监测系统和承载系统两部分组成。压力及监测系统选用50 t千斤顶、φ159的Q235B钢管、压力传感器组合而成,用于反向预设荷载加载以及施工过程的安全监测;承载系统通过竖向钢管承担施工过程中产生的荷载作用。

1)承载系统安装:沿需改造梁方向在梁两侧对称设置支撑立杆,立杆间距800 mm,立杆顶部安装可调节螺杆,通过调节螺杆与板底进行可靠连接。为增加支撑系统的稳定性,相邻两根立杆之间通过水平系杆进行连接。

2)压力及监测系统安装:竖向钢管定位并安装固定,钢管顶部与板底预留适当空间,用于千斤顶及压力传感器安装。安装完成后预加压力,使千斤顶、压力传感器、底部托板与板底接触。

3)加压与卸荷:支撑系统全部完成后,采用分级加压的方式对改造区域施加反向荷载。每一级加压值为预设压力的1/5,每次加压后检查承载系统并锁紧,确保支撑系统可靠且压力示值稳定后进行下一级加压。加压过程中两台加压设备应同步施压,并在每一级加压后采用水准仪、全站仪监控相邻梁板是否有开裂、滑移等现象。最后加压至预设压力后,停止加压并持压一段时间,检查压力示值变化、承载系统可靠性、相邻梁板的情况。在确保各台千斤顶压力数值同步、稳定、支撑系统安全可靠、相邻梁板无开裂滑移后锁死千斤顶。

施工过程中,安排专人进行监测观察,如压力示值出现变动、支撑系统出现异样或相邻梁板出现裂缝、滑移等现象应立即停止施工并采取应急措施。

3.2 梁底新增部分施工

1)原梁底拆除:根据工程实际情况,避免施工扰动对结构造成二次破坏,采用小型电镐对原屋面梁混凝土拆除。拆除过程中做好对原屋面梁钢筋的保护,不得损伤梁底钢筋。新旧混凝土交界面将原混凝土表面凿成凹凸状,以增加新旧混凝土间的黏结力。

2)梁底植筋、钢筋绑扎及焊接:梁底新增主筋植筋时,根据之前剔凿出的原梁底主筋位置,在原梁主筋间空隙植筋。绑扎梁底钢筋,箍筋与原梁箍筋焊接。

3)压力冲洗:对凿毛后的混凝土表面用清洁的压力水清洗干净并充分湿润,保证新混凝土浇筑时界面处于湿润状态。

4)模板搭设:采用木模板将新增梁进行封闭,接缝处必须密实,防止灌浆料浇筑时发生漏浆。模板外侧采用方木、钢管组成围檩体系。模板顶部设置倒“八”字斗口,新浇混凝土由斗口灌入。支模过程中,必须确保模板的刚度、强度、稳定性,确保在浇筑过程中不会发生变形。

5)灌浆料浇筑:根据工程施工特点并为了保证施工质量,本次采用C40灌浆料进行浇筑。受现场施工条件限制,施工采用外部振捣的方式振捣密实。浇筑及振捣过程中,安排专人巡查模板拼缝情况,一旦发现跑浆、漏浆等现象时立即进行封堵。灌浆料浇筑时预留同批次试块。

6)养护:灌浆料浇筑完毕2 d后方可拆除侧面模板,并进行洒水养护,养护时间不少于7 d。强度达到设计要求后,拆除底模。

3.3 梁顶混凝土拆除及修复

梁顶混凝土的拆除及修复施工处于屋面露天区域,且施工区域临近建筑外边缘。为确保施工过程的安全和文明施工要求,在施工区域围设临时防护栏杆、增设吸尘器及小型洒水设备。

1)切割定位放线:根据设计图纸确定的切割范围,并确定水钻、刀具的安装位置。

2)静力切割:确定切割梁底部及相邻梁板安全支撑良好,对切割梁区域破除卸载。在预放线位置安装水钻,沿切割标注线逐渐切割梁。切割时应注意控制进尺速度、降温和防尘处理,因切割区域含有原梁顶钢筋,当水钻接触钢筋时,应调整进刀速度,避免刀头过热烧毁。

3)原梁顶混凝土凿除:采用小型电镐对原梁板混凝土拆除,严禁采用大型机械设备拆除,避免对周边结构造成二次破坏。拆除至缺陷混凝土边缘后,再向边缘外延伸清除一段不小于50 mm的长度。新旧混凝土交界面将原混凝土表面凿成凹凸状。

4)拆除过程中做好相邻柱、梁、板的监测,如相邻柱、梁、板出现裂缝、滑移等现象应立即停止施工并采取应急措施。

5)钢筋绑扎及焊接:新增钢筋按照设计要求同原梁保留钢筋焊接,需植入混凝土的部分应满足设计植筋要求。

6)压力冲洗:对凿毛后的混凝土表面用清洁的压力水清洗干净并充分湿润,保证新混凝土浇筑时界面处于湿润状态。

7)根据设计截面形式搭设模板,采用C40灌浆料对梁顶部分进行修复浇筑,浇筑完毕2 d后方可拆除模板,并进行洒水养护,养护时间不少于7 d。

3.4 支撑系统拆除

新浇筑混凝土强度达到设计要求的混凝土强度后,对支撑系统进行拆除。拆除后,采用水准仪、全站仪对相邻梁板是否有开裂、滑移等现象继续观测一段时间,确保结构替换达到设计要求。

3.5 施工注意事项

施工过程严格控制施工流程、严格把控各项工艺。需要重点关注的几个方面有:

1)支撑系统支设及拆除:支设时需要按照方案设计值控制回顶压力,避免卸荷不足或反向超载的情况。待结构施工全部完成,相应结构达到强度要求时拆除,拆除时应注意各部位结构状况,确保达到施工效果。

2)钢筋的植筋施工,要严格控制植筋长度,对于植筋孔的清理、植筋胶的填塞均应满足技术工艺要求,确保植筋与结构能够有效发挥作用。

3)在使用灌浆料时,进场需要对材料进行复检,保证强度、生产日期、性能符合要求。现场拌合时注意用水量及浇筑时间,并在浇筑过程中加强模板质量检查。

施工过程的每个环节都至关重要,都直接影响施工质量。优良的建筑材料、先进的设备设施、成熟的施工技术是工程质量、结构安全的重要保障基础。

4 结语

加固技术的发展为建筑发挥其功能提供了更多可选择方案,可以在合理范围内对既有建筑进行改造与提升。结构加固技术是一项系统性的工作,从方案设计到施工,每个方面都需要严格控制。设计阶段需要根据既有建筑结构的实际特点,分析选择可行的改造加固方案。在施工阶段,采用静力破除设备等减小对原结构的扰动,并加强各项工艺流程管理,严格控制质量。另外,需要重视过程监测,监测工作是加固工程的一项重要保障措施,能够反馈施工效果及风险预警。

通过局部梁的改造变形处理,不但使结构满足了建筑需求,而且减少了对既有结构的扰动范围,利用加固处理技术,严格控制施工质量,保证了建筑的安全性、实用性,并且展现出较好的工程经济性。通过本项目梁的改造加固实例分析,对设计过程的思考、施工流程及质量控制等方面进行了阐述,提出了在改造加固过程中需要注意的技术问题。在实践中,不同的建筑具有不一样的目的性,加固方案及施工方案也会有变化。因此,在具体实践中需要加固技术人员利用现有加固技术,结合工程的特点,进行适应性的思考,为建筑的加固、改造提供切实可行的方案。