不停航條件下對機場既有建筑的改造加固設計與施工技術

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

0 引言

上海虹橋國際機場T1航站樓建設項目采用“A+B”不停航設計施工策劃方案，即確保在A樓拆除重建期間國際、國內航班均在B樓臨時運行，因此對B樓部分建筑進行改擴建設計和施工。原食堂為2層混凝土-砌體混合結構，建造年代久遠，根據(jù)業(yè)主要求，將該房屋2層改造成辦票和安檢大廳，作為虹橋機場整體改建時期過渡性用房。因使用功能發(fā)生變化，樓面活荷載增大，根據(jù)該房屋的鑒定報告，須對此房屋結構進行加固處理。

1 加固設計

1.1 工程地理位置及總體概況

本工程位于上海虹橋機場迎賓一路850號，東側為P2停車場，西側為軌交10號線通道及社會車輛停車場，南側為軌交10號線轉彎通道，北側為候機樓高架。

該樓一共為2層，建筑南北長122 m，東西寬16 m，占地面積1 952 m2，建筑面積3 904 m2。

1.2 結構概況及結構檢測

該樓為2層混凝土-砌體混合結構。一層層高5.40 m，二層層高為4.00 m，女兒墻高度為1.00 m，房屋總高度為10.40 m。基礎形式為柱下獨立基礎。混凝土框架柱尺寸為350 mm×350 mm和300 mm×300 mm不等。框架梁尺寸為200 mm×640 mm和200 mm×380 mm不等。二層承重墻體由加氣混凝土砌塊砌筑，厚度約為240 mm。

經現(xiàn)場檢測，被鑒定房屋左邊大部分區(qū)域存在因地基基礎不均勻沉降引起的墻體開裂和變形等損壞，未發(fā)現(xiàn)地基基礎有明顯損壞。房屋左邊部分房間墻體粉刷層存在嚴重起皮、風化現(xiàn)象。多處門洞和窗洞角部均發(fā)現(xiàn)斜裂縫，局部寬度達到8 mm。房屋左邊部分山墻立柱與原墻體脫開，脫開寬度約為10 mm。部分混凝土板存在露筋、鋼筋銹蝕現(xiàn)象。對受檢房屋結構構件承載力驗算結果如下[1-3]：

1）房屋一層框架柱的配筋、軸壓比不滿足要求；

2）房屋部分梁的梁底、梁頂縱筋不足；

3）房屋柱下獨立基礎承載力不足；

4）房屋樓板部分區(qū)域板底和板頂配筋不足。

1.3 加固設計主要內容

1） 基礎的加固處理。原結構基礎形式為柱下獨立基礎，基礎底面尺寸約為1 400 mm×1400 mm，埋深約為1.0 m。本次改建因使用荷載的大幅增加，需對中柱基礎進行加固。由于原基礎為獨立基礎，長寬均較小，現(xiàn)檢測發(fā)現(xiàn)原結構已經有不均勻沉降，故決定采用增大截面的方法加固原基礎。基礎加寬的大小根據(jù)增加的荷載并根據(jù)提高的地基承載力進行計算（圖1）。

2） 新增鋼柱基礎。考慮到新增立柱不影響對業(yè)主底樓空間利用的情況下，在梁底新增鋼立柱，并新增鋼柱基礎。

3） 原混凝土柱加固處理。 通過計算發(fā)現(xiàn)部分中柱的軸壓比已達到1.39，對原中柱軸壓比不足處采用包鋼法加固。包鋼法加固是通過四周增加型鋼（如角鋼等）和箍板焊接整體，再通過環(huán)氧樹脂灌膠，使柱的承載力得到較大幅度的提高 。

圖1 柱基加大節(jié)點示意

4） 新增鋼柱。考慮到新增立柱不影響對業(yè)主底樓空間利用的情況下，在梁底新增鋼立柱（圖2、圖3）。

圖2 新增鋼柱柱腳示意

圖3 新增鋼柱與梁連接示意

5） 樓板的加固處理。根據(jù)檢測報告，原二層樓板配筋為φ6 mm@200 mm，大部分均為單向板。考慮到本工程為臨時使用，為節(jié)約投資，二層采用增加樓板疊合層的方法加固樓板。通過計算，增加鋼柱并增加樓板疊合層加固，可以使樓板承載力滿足設備運行的要求，滿足機場候機廳（活荷載標準值為3.50 kN/m2）的要求。

6） 梁的加固處理。二層樓面梁因使用活荷載的增加，配筋不足處采用粘貼碳纖維布進行加固（圖4）。

圖4 二層梁碳纖維布加固示意

7） 屋面梁的加固處理 。二層墻體拆除后，屋面梁截面較小（大部分截面為200 mm×380 mm），剛度不足，需增大截面，采用增加型鋼的方法進行加固（加固計算時已考慮一般性吊頂管道及吊掛荷載，見圖5） 。

8） 底層承重墻的加固處理。底層局部墻體因荷載增加，對墻體采用雙面鋼絲網砂漿的方法進行加固，提高墻體承載力（圖6）。

2 加固施工

根據(jù)加固設計方案，需加固施工的內容有[4-7]：底層柱外包鋼、底層局部墻體鋼筋網砂漿加固、底層新增鋼柱及基礎、二層次梁碳纖維加固、二層樓板疊合層加固、屋面層梁外包鋼加固。

圖5 屋面梁型鋼加固節(jié)點示意

圖6 墻體加固示節(jié)點意

2.1 新增基礎施工技術

根據(jù)一層原有結構布置情況，11、12、14、15、19 軸需增加基礎，對原有承重墻體需開洞，部分拆除過程中確保原有混凝土梁的安全是關鍵。

根據(jù)新增基礎尺寸及作業(yè)面要求，考慮到原有墻體為承重墻，開洞前需安裝臨時鋼梁，再進行新增基礎部位承重墻體拆除，工況如下：

第一步：先在軸線兩側各放出1.50 m邊線及鋼梁安裝位置邊線；

第二步：切割拆除鋼梁安裝位置部分墻體及安裝鋼梁；

第三步：切割拆除鋼梁安裝位置剩余部分墻體、安裝鋼梁、鋼梁對接焊接成整體；

第四步：切割拆除墻體；

第五步：基礎施工、回填、臨時槽鋼支撐安裝、切割鋼梁（確保鋼柱安裝位置）；

第六步：鋼柱安裝，拆除臨時鋼梁及鋼支撐，恢復墻體。修補墻體時，新砌墻體應設置拉結筋，一端與原有墻體種植2φ8 mm@500 mm，另一端與鋼柱焊接，砌筑完畢后兩側均粉刷厚20 mm 水泥砂漿及內墻涂料。

2.2 柱外包型鋼施工技術

本工程E/10、E/11、E/12、E/14、E/15、E/19處共6根混凝土柱需進行柱外包鋼。柱四角設置110 mm×10 mm角鋼，3 mm×100 mm@300 mm及3 mm×100 mm@150 mm箍板與角鋼焊接。

2.2.1 墻體拆除

10/F軸原有混凝土柱需包鋼加固，柱加固部位承重墻體拆除，工況如下：

第一步：先在軸線兩側各放出1.50 m邊線；

第二步：切割拆除墻體；

第三步：混凝土柱包鋼加固；

第四步：恢復墻體。修補墻體時，新砌墻體設置拉結筋，一端與原有墻體種植2φ8 mm@500 mm，另一端與混凝土柱植筋連接，砌筑完畢后兩側均粉刷厚20 mm水泥砂漿及內墻涂料。

2.2.2 包鋼施工

1）所有外包加固鋼板材質均為Q235B，場外定型加工，現(xiàn)場拼裝。安裝時將結構面清理干凈，混凝土表面打磨掉浮層，直至完全露出堅實新結構面，混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位予以剔除，用指定材料修補，裂縫部位需先進行封閉處理。

2）柱外包角鋼時，在焊接箍形綴板前，用夾具夾緊角鋼，然后分段焊接箍板，使角鋼與混凝土柱的陽角間隙度成最小狀態(tài)，確保角鋼外包質量。

3）鋼材均采用貼角焊縫（滿焊），焊縫高度6 mm。

4）加固時必須嚴格控制箍板間距，柱底、柱頂、梁底、梁端應嚴格按設計圖紙要求進行箍板加密。

2.3 化學錨栓施工技術

屋面梁加固槽鋼采用M16對穿化學螺栓固定，一層新增鋼柱頂部采用M24化學螺栓與混凝土梁連接。施工要求如下：

1） 機械鉆孔，孔型垂直度符合設計要求；錨孔要避讓構件的主鋼筋；作廢的錨孔，用化學錨栓黏合劑或高強度的環(huán)氧樹脂砂漿填實。

2）清刷孔壁是關系到化學錨筋能否牢靠的關鍵工序，可采用吹風機從孔內向外吹出粉塵，然后再用清孔刷刷理干凈，并用丙酮清洗。

3）將黏合劑注入孔內時，應掌握由孔底至孔口逐漸退行的順序。插入錨栓后，應不停轉動錨栓，邊轉邊插，直至插到孔底并見黏合劑部分溢出為止。

4）靜置固化時間按黏合劑終凝時間確定。當前夏季作業(yè)時黏合劑的初凝和終凝時間為5 min和15 min。在黏合劑終凝前，不得碰動錨栓，并在其周邊采取防止被水沖灌的措施。

2.4 梁碳纖維加固施工技術

一層屋面次梁采用碳纖維布進行加固，梁底通長粘貼2層碳纖維布（同梁寬），碳纖維U形箍寬200 mm@300 mm單層設置， 通長壓條采用寬150 mm的碳纖維布。加固施工流程如下：

1）在碳纖維加固施工前，應盡可能地卸去部分荷載，使碳纖維布粘貼施工時結構或構件承受的荷載作用減小到最小程度。

2）基底處理：必須清理待加固構件表面的剝落、疏松、腐蝕等劣化混凝土，除去浮漿、油污等雜質，直至露出結構層新面，磨去面上凸出5 mm以上的毛刺。表面層打磨后清除干凈并保持干燥，平整度要求不超過5 mm/m。并用脫脂棉蘸丙酮擦拭混凝土表面。裂縫部分如有必要應先進行封閉或灌漿處理。用混凝土角磨機、砂紙等工具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝上要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥10 mm）。用吹風機將混凝上表面清理干凈并保持干燥。

3）涂底膠（按選用產品的要求進行底涂）：按主劑、固化劑比例要求將主劑與固化劑先后置于容器中，電動攪拌器均勻攪拌，根據(jù)環(huán)境溫度決定用量并嚴格控制使用時間，一般情況下需在1 h內用完。用滾筒刷均勻涂抹于混凝上表面，等膠固化后（以指觸干燥為準），再進行下一步施工。一般情況下固化時間為2～3 d。

4）用整平材料找平：混凝土表面凹陷部位要用FE膠填平，盡量減少高度差。轉角的處理也應用FE膠將其修補為光滑的圓弧。

5）粘貼碳纖維布：按設計要求的尺寸及層數(shù)裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度一般應在3 m之內。調配粘貼材料黏結膠，然后均勻涂抹于所要粘貼的部位，搭接混凝土拐角等部位要多涂抹一些。粘貼碳纖維布，在確定所貼部位無誤后剝去離析紙，用特制的滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應重復上述步驟，待纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹黏結膠。碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100 mm。碳纖維布端部用粘貼橫向碳纖維布或粘鋼固定。

6）保護：加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

2.5 鋼結構（柱）安裝施工技術

在11、12、14、15 軸處均增設2根鋼柱，鋼柱的規(guī)格為250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，合計10根，單根長度約5 m，單根質量約360 kg。鋼柱上下端均采用螺栓連接，因安裝空間限制，鋼柱分段制作、安裝，先安裝下段，再安裝上段（上段長度控制在500 mm左右）。鋼結構安裝要求：

1）鋼構件進場以安裝先后順序進行擺放，復測其單件幾何尺寸后應嚴格控制其長度、拱度、側向彎曲等，吊裝前應進行適當?shù)募庸蹋跹b位置需采取防護措施防止吊點變形和油漆脫落。

2）采用單點斜吊方法吊裝。就位后必須按照設計要求固定后方可脫鉤。

3）鋼柱就位后，對錨板與混凝土面縫隙的部位采用環(huán)氧樹脂填密處理。

4）鋼結構安裝好后，檢查所有現(xiàn)場安裝焊縫，現(xiàn)場安裝焊縫不得有漏焊現(xiàn)象。

2.6 墻體加固施工技術

17 軸、18 軸墻體兩側采用φ6 mm@300 mm鋼筋網外粉刷厚40 mm水泥砂漿進行加固，鋼絲網與墻體采用φ6 mm@600 mm拉結筋固定。 施工方法如下：

1）原墻面鑿除粉刷層并清洗，如原墻面堿蝕嚴重時，應清除疏松部分，并用1∶2水泥砂漿修補，修補部分表面與原墻面平齊并進行拉毛處理。

2）根據(jù)設計要求，錨桿拉結筋處鉆孔，間距不大于600 mm，呈梅花狀交錯，錨桿拉結筋采用φ6 mm鋼筋，待穿孔后兩端成彎，以利于與鋼筋網片綁扎連接。

3）安裝鋼筋網片時根據(jù)網片的規(guī)格及本身墻體面積錯位施工，按照設計加固厚度，鋼筋網片設置在20 mm保護層內為宜，并與錨桿拉結筋綁扎牢固。

4）根據(jù)墻面加固層的厚度，水泥砂漿分層施工，分層按水泥砂漿初凝時間為宜，如時間較長時，應噴水除塵，刷水泥漿，防止隔層，影響施工質量。

2.7 樓板疊合層施工技術

新增疊合層樓板厚度為60 mm，采用單層φ10 mm@150 mm雙向鋼筋，新增鋼筋與原有混凝土樓板采用間隔500 mm×500 mm的φ10 mm鋼筋頭連接，鋼筋頭植入原樓板深50 mm處。樓梯間用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板封掉，板厚80 mm，板面配φ10 mm@150 mm雙向鋼筋，板底配φ10 mm@200 mm雙向鋼筋，結構完成面同疊合層完成面板面標高（鋼筋植入原混凝土梁深15d）。主梁頂附加鋼筋4φ20 mm（兩端植入原柱深度15d)，次梁頂附加鋼筋2φ20 mm，主梁附加箍筋φ10 mm@150 mm（植入原柱深度10d）。施工要點為：

1）施工前提條件：二層墻體、樓面裝飾面層拆除。

2）因本工程工期緊張，墻體拆除、屋面梁加固、樓面施工需交叉作業(yè)。樓面施工分2次進行，具體劃分為區(qū)域1及區(qū)域2，先施工區(qū)域1，再施工區(qū)域2（圖7）。

圖7 新增疊合層樓板加固平面示意

2.8 屋面梁外包型鋼施工技術

10 至 20 軸共12根混凝土柱采用外包36c#槽鋼進行加固，兩側槽鋼采用對穿M16化學螺栓固定，槽鋼底部采用厚8 mm鋼板焊接連接，鋼板與原有混凝土之間空隙澆筑C40灌漿料。

1）所有外包加固鋼板材質均為Q235B，場外定型加工，現(xiàn)場拼裝。安裝時將結構面清理干凈，混凝土表面打磨掉浮層，直至完全露出堅實新結構面，混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應予以剔除，用指定材料修補，裂縫部位應先進行封閉處理。

2）鋼材均采用貼角焊縫（滿焊），焊縫高度6 mm。

3）安裝槽鋼前，在混凝土梁兩端鑿除部分混凝土（梁底上部100 mm左右），槽鋼安裝時在其相應位置開設灌漿孔，待灌漿完畢后修復焊接。

4）灌漿施工：從一側灌入，直至另一側溢出為止，使灌漿充實，不得從四側同時進行灌漿；灌漿開始后，必須連續(xù)進行，不能間斷，并應盡可能縮短灌漿時間；在灌漿過程中不宜振搗，必要時可用竹板條等進行拉動導流；每次灌漿層厚度不宜超過100 mm；灌漿過程中如發(fā)現(xiàn)表面有泌水現(xiàn)象，可布撒少量EGM干料，吸干水分；灌漿完畢后，要剔除的部分應在灌漿層終凝前進行處理；在灌漿施工過程中直至脫模前，應避免灌漿層受到振動和碰撞，以免損壞未結硬的灌漿層。

3 結語

本工程因使用功能改變對安全要求高，原建筑陳舊、結構受力差，業(yè)主要求加固成本低、質量高，加固設計須考慮各因素，通過受力分析和計算，對基礎、柱、梁、樓板、承重墻等受力結構采取增加受力構件、外包型鋼、碳纖維、疊合梁加固等綜合措施，集成運用以達到安全可靠的加固目的。其中碳纖維加固雖然成本有所增加，但施工時對周邊的環(huán)境影響小、對原結構的破壞低、加固強度高，值得優(yōu)先選擇。

本工程加固施工過程中，對總體部署、原材料、工藝流程、操作要點的控制和管理是確保工程質量、安全、進度的關鍵。現(xiàn)場加固過程中發(fā)現(xiàn)實際受力體系與設計時依據(jù)的排摸數(shù)據(jù)和資料有很大差異，通過及時反饋信息，重新進行設計計算，調整相應的加固方案，確保了整個承重體系的安全，體現(xiàn)了設計、施工密切配合一體化組合管理的有效性。