軟土地區(qū)幼兒園加固改造的技術(shù)研究

殷 偉 周丹丹 陳 赟

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

既有幼兒園常采用磚混結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)規(guī)范要求的提高，需對現(xiàn)存幼兒園進行改造加固。現(xiàn)有加固方式常采用構(gòu)件加固法，從整體及抗震角度考慮，仍存在不足。常規(guī)地基基礎加固方式在軟土地區(qū)應用時仍受到一定的限制，磚混結(jié)構(gòu)的整體性以及抗震性加固方式仍值得進一步研究[1-3]。

1 工程概況

工程位于蘇州市吳江區(qū)流虹路，建造于20世紀80年代，擬改造建筑為3層磚混結(jié)構(gòu)，建筑總高度為11.40 m，木屋架。主要加固改造施工內(nèi)容為：基礎加固，加固原結(jié)構(gòu)承載力不足部分；結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)；空斗墻延性混凝土加固；預制板底碳纖維布加固；鋼木組合屋架。

2 改造體系的設計思路

對于既有磚混結(jié)構(gòu)的改造，首先應當確定結(jié)構(gòu)體系的改造方案，然后再對承重構(gòu)件以及連接節(jié)點進行加強，根據(jù)現(xiàn)場條件，給出合理的加固措施。改造之后的結(jié)構(gòu)，滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，同時兼顧施工的經(jīng)濟性和合理性。

該建筑的砂漿強度測定值偏低，只有2.3～4.4 MPa，且抗震性能不符合強制標準要求，提出部分不拆除既有結(jié)構(gòu)，對地基置換加固、基礎新增筏板和連系梁；建筑內(nèi)部新塑框架柱梁，最外跨預制樓板置換為鋼筋桁架現(xiàn)澆樓板；屋面采用粘鋼梁組合原木架屋面的整體改造思路。利用新增混凝土框架來支撐既有預制板，承受豎向荷載，新增內(nèi)框架平面布置圖，如圖1所示。新增框架結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。將磚混結(jié)構(gòu)改造為框架結(jié)構(gòu)，極大地提高了結(jié)構(gòu)延性，原砌體墻只承受自重荷載當圍護結(jié)構(gòu)考慮。

圖1 預制板最外跨桁架板置換平面示意

圖2 新增框架結(jié)構(gòu)模型

3 地基基礎加固

3.1 地基加固

軟土地區(qū)利用天然地基的多層磚混結(jié)構(gòu)，基礎沉降量較大且不均勻，為有效控制建筑物沉降，通常需對地基進行加固處理。該建筑物基礎形式為磚砌擴展基礎，為確保新增框架的變形對既有砌體圍護墻工作無影響，需增設整體性較強的基礎。對基礎采取的加固措施直接影響到建筑物后續(xù)的使用，需驗算滿足承載力、不均勻沉降裂縫等。場地內(nèi)地勘情況見表1，地基加固方式綜合比較見表2。

表1 地基承載力特征值fak、壓縮模量Es,0.1～0.2

表2 地基加固方式綜合比較

本項目地基考慮以第②層粉質(zhì)黏土層作為基礎持力層，因第②層粉質(zhì)黏土軟塑局部呈流塑狀態(tài)，下臥層第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài)，均為軟弱土層。考慮在基底回填一定厚度的砂石墊層以增加承載能力及調(diào)整不均勻沉降。置換后采用現(xiàn)場靜態(tài)堆載模擬試驗確定置換效果。模擬試驗如圖3～圖4所示。

圖3 現(xiàn)場堆載模擬試驗

圖4 試驗讀數(shù)

3.2 基礎加固

本項目基礎加固采用新增筏板基礎和墻下獨立基礎加連系梁的這2種方式，基礎加固平面布置如圖5所示。

圖5 基礎加固平面布置示意

基于上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞和既有外墻條形基礎抗剪需求，保證基礎整體受力和變形協(xié)同性，提出如下施工方法：原墻體每隔600 mm分段切割200 mm的方洞，內(nèi)置10#型鋼銷鍵，型鋼銷鍵水平穿過條形磚基與豎向地梁鋼筋籠焊接。新增筏板基礎原抗剪短筋采用型鋼替換，相較于傳統(tǒng)鋼筋銷鍵做法，本方法承擔上部墻體強度更高，傳力效果更好，且保證了施工過程中墻體的穩(wěn)定性和安全性。基礎加固節(jié)點如圖6所示，型鋼銷鍵加固如圖7所示。

圖6 基礎加固節(jié)點

圖7 型鋼銷鍵加固

通過擴大基底面積減少地基沉降值，同時增加獨立地基高度，用以保證基礎的抗彎、抗剪和抗沖切承載力滿足受力要求，實施做法如圖8所示。在基礎加固施工的過程中，應當注意：新增獨立地基底部應當夯實并且鋪設墊層，保證基底受力均勻；澆筑混凝土采用P6等級防水混凝土。

圖8 墻下獨立地基加固

4 新增內(nèi)框架與既有結(jié)構(gòu)的連接

對于磚混結(jié)構(gòu)房屋，通過新增框架豎向結(jié)構(gòu)，將原來框架、砌體共同承重的結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)榛炷量蚣艹兄伢w系。這樣，原有的砌體墻變更為建筑圍護墻體，自承重受力，如圖9所示。

圖9 新增內(nèi)框架施工

為確保砌體圍護墻的穩(wěn)定，需要采取措施減小墻體高厚比，針對連接節(jié)點荷載傳遞有效性，在新增樓層梁處設置拉結(jié)封閉箍筋與原砌體墻連接，減小砌體墻的計算高度，如圖10所示。

圖10 墻端封閉箍筋加固

既有樓板為預制樓板，為增加預制樓板抵抗變形的能力，在支撐預制樓板的梁上新增角鋼支托，如圖11所示。

圖11 預制樓板角托加固

5 既有空斗墻的延性加固

改變原有結(jié)構(gòu)體系后，原有砌體墻置換為填充墻，不參與豎向荷載的傳遞，但是砌體空斗墻屬于松散結(jié)構(gòu)，具有耗能能力弱和延展性差等缺陷，在遭遇塑性變形作用時極易發(fā)生脆性破壞，造成人員和財產(chǎn)損失，據(jù)此提出采用高延性混凝土對既有墻體進行加固處理。

與普通混凝土相比，高延性混凝土拉伸性能可達普通混凝土的200倍，同時高延性混凝土面層能夠?qū)ζ鲶w墻產(chǎn)生較強的約束力，提高砌體墻的抗側(cè)剛度及承載能力，抑制墻面出現(xiàn)裂縫。

高延性混凝土攪拌應采用拌筒固定式機械，攪拌速率應根據(jù)攪拌量現(xiàn)場試驗確認，現(xiàn)場由計量員按配合比稱量原料后投入攪拌機械內(nèi)。投料順序：攪拌用水→細骨料、水泥及拌和料等→纖維材料，拌和過程中應充分攪拌，確保物料均勻成糊狀且無凝團小塊等，當纖維體積率超過1.5%時，可提高攪拌轉(zhuǎn)速或延長攪拌時間。

針對空斗墻砌體，需要剔除原磚墻灰縫10～15 mm。再采用高延性混凝土涂抹嵌縫（圖12），必要時可增設抗剪鍵進行雙面加固，提高加固層與原墻體之間的協(xié)同工作機制。

圖12 高延性混凝土人工涂抹

高延性混凝土面可采用人工壓抹或機械噴涂作業(yè)，首先對構(gòu)件表面進行鏟刷，裂縫補強和灰縫嵌補等；浸潤后人工分層壓抹或機械噴涂至設計厚度，分層厚度不應大于15 mm；面層半硬后收光作業(yè)；待高延性加固面層終凝后即進行7 d養(yǎng)護作業(yè)，同時需建立養(yǎng)護臺賬和留置試塊進行檢測。高延性混凝土性能指標見表3。

表3 高延性混凝土性能指標（60 d）

6 結(jié)語

1）對磚混結(jié)構(gòu)進行合理改造，可以實現(xiàn)其功能性、安全性的提升，創(chuàng)造出巨大的社會及經(jīng)濟效益。

2）既有建筑物抗震加固對地基承載力提出了新的要求，通過軟弱地基置換和新增筏板基礎中抗剪鍵的升級，可以完美解決荷載增加后對既有建筑物的不利影響。

3）既有磚混結(jié)構(gòu)抗震性能差，傳力途徑不夠直接。所以，建議采用新增內(nèi)框架的改造方式進行加固處理。原有結(jié)構(gòu)的砌體墻作為自承重圍護墻體，不參與豎向荷載的傳遞，有利于建筑功能的重新布局設計。

4）內(nèi)框架結(jié)合外圍護墻的結(jié)構(gòu)形式，應當采取措施提高既有圍護墻體的延性，比如采用高延性混凝土對既有空斗墻進行加固處理。