某砌體結構改造底部框架-抗震墻砌體結構房屋的探索與實踐

劉 鵬

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

隨著建筑業的發展，人們對建筑物的要求越來越高，尤其是磚混結構建筑的基礎，因地基承載力引起的地基的不均勻沉降，嚴重影響人們的日常生活，托換技術作為建筑加固的主要方法之一，更是占著十分重要的地位。

磚混結構因建筑物使用功能改變或使用年限將至進行加固改造，而大空間的需求導致磚混結構改底部框架結構成為常見改造形式之一。在大空間改造過程中，原結構處于受力穩定狀態，而拆墻改造將打破內力平衡，改變整體結構的應力和變形狀態。磚混結構改底部框架結構采用置換技術可以使結構體系順利轉換，二次達到穩定狀態，即在底層設置托換大梁，待墻體拆除后將上部荷載通過框架柱傳遞至基礎，因此對于托換梁的設計是磚混結構改底框結構的重要工作。

1 工程概況

該工程原建筑建造于20世紀70年代，為地上四層砌體結構。建筑總長54.8 m、寬13 m，一層層高3.3 m；二、三層層高3.15 m；四層層高3.5 m，室外高差0.7 m，結構總高13.85 m，外墻厚370 mm，內墻厚240 mm，磚砌放大腳基礎，基底土采用450 mm厚3∶7灰土換填處理。現根據建設單位使用要求，將原砌體結構改造為底部框架-抗震墻砌體房屋，底層為混凝土框架結構，抗震等級為二級。一層作為營業大廳，二至四層為砌體結構，二層內外墻面原抹灰層剔除抹高延性混凝土進行加固處理，三、四層局部墻面原抹灰層剔除抹高延混凝土加固處理，如圖1、圖2。

圖1 改造前

圖2 改造后

2 工程難點

在將原磚砌體結構改造成底層混凝土框架結構過程中存在以下施工難點：

（1）施工過程中原磚砌體結構拆除部位較多，臨時支護難度大，原結構穩定性削弱嚴重，風險較大。

在井樁施工時，需對相應位置的原磚砌體結構基地土（450 mm厚、3∶7灰土）及磚砌放大腳基礎進行拆除，拆除后受作業空間限制，臨時支護難度大且樁基礎同時開挖數量直接影響工程進度；在框架柱施工時，需要對框架柱核心區范圍內原縱橫磚墻及原有扶壁柱進行拆除，拆除寬度350 mm，拆除后對原縱橫墻削弱嚴重，需對門洞口、窗洞口過梁進行有效支護；在框架梁施工時，需在縱橫墻頂部間隔1 m開240 mm×梁高×墻厚的肩梁洞口，拆除后需對樓板進行臨時支撐。

（2）施工過程中受施工條件限制機械化程度低，大部分工作由人工完成。

在井樁施工過程中，受作業空間限制，無法采用旋挖鉆等大型機械設備，只能采取人工成孔的方式；在磚砌放大腳及磚墻拆除過程中，由于機械拆除對原磚墻體破損嚴重，完整性減弱程度較大，只能采取人工先切割后拆除的方式進行墻體拆除。

（3）施工工序相互交叉，施工作業面受限制，施工進度無法加快。

在底層混凝土框架結構施工過程中，必須嚴格按照井樁-承臺-框架柱-框架梁的施工工序進行，前一道工序未全部完成，后道工序無法進行施工，不能形成分段流水作業施工。井樁、承臺、框架柱施工過程中，都采用“跳打法”進行施工，且同時拆除點位不能同時超過6個，不能形成連續施工作業。

3 采用的新技術新工藝及其實際效果

3.1 高延性混凝土對墻體進行加固

本次加固以滿足抗震設防和建筑物的正常使用要求為主要目標。對部分墻體采用高延性混凝土面層加固。高延性混凝土作為一種新型加固材料，通過本項目的實際應用，其加固效果明顯。在砌體結構表面壓抹高延性混凝土面層，通過與砌體結構表面優良的粘結性能，使高延性混凝土面層與砌體成為整體，共同受力，并利用其高韌性、高強度（抗拉）、高抗裂性能和高耐損傷能力來提高砌體結構的承載力、延性和抗裂性能，有效改善砌體房屋的整體性。

3.2 磚砌體結構改為底層混凝土框架結構

本項目在一層采用新型混合框架托換加固方案，將原磚混結構改造為混凝土底框結構體系，即在原有縱橫墻體交接處澆筑高強混凝土，形成砌體外包混凝土框架組合柱，在柱頂原墻體兩側布置框架梁2根，用于托舉上部樓層墻體，亦稱為托墻梁，如圖3。在2根托墻梁間設置肩梁，肩梁將上部墻體通過板傳來的荷載傳遞于托梁上，且將2根托梁連接為整體。組合柱與托墻梁構成新型底框結構承擔上部砌體結構，可稱為新型混合框架底框砌體結構。

圖3 現場肩梁施工實景圖

該新型混合框架底框砌體結構在正常使用標準荷載作用下的結構安全性較穩定。當采用新型混合框架底框砌體結構承擔上部荷載時，較原來的磚混砌體結構，其傳力路徑明顯。底部框架梁由托墻梁和肩梁組成，其中托墻梁中部為原結構砌體，兩側為高強混凝土梁，共同承擔上部墻、板傳來的荷載，其傳力路徑明確，傳力路徑上結構構件抗力能力較原磚砌體結構強，如圖4。

圖4 現場框架柱、框架梁施工實景圖

4 發展現狀及趨勢

隨著社會的加速發展，原砌體結構空間小、抗震能力弱的缺點已無法滿足現代社會對建筑大空間使用功能的需求，同時受國家政策的限制，此類砌體結構拆除后重建的實現難度很大、環境污染、資源浪費嚴重。該結構的出現，恰到好處地解決了上述問題。

對于既有砌體結構建筑，如何改造成大空間、如何提升抗震性能的同時保證其施工過程中的安全是一個極其困難的問題。從法國加兒德輸水橋三層拱結構力學原理聯想到磚混結構改造底框結構的三次托換，底層大拱類似磚墻基礎開大孔挖樁基的一次托換，中間層拱類似磚墻開槽做框架柱的二次托換，頂層小拱類似磚墻開小孔做框架梁上肩梁的三次托換。

該結構由混凝土夾芯式框架柱及雙托梁組合肩梁組成框架結構。施工過程中，混凝土夾芯式框架柱組成過程為，先拆除混凝土夾芯式框架柱位置縱、橫砌體墻至圈梁底，砌體墻拆除尺寸為混凝土夾芯式框架柱邊至磚夾芯柱邊，拆除后安裝縱筋及箍筋、支模、澆筑混凝土；雙托梁組合肩梁的形成過程為，沿縱、橫墻間隔1米布置肩梁，拆除肩梁位置原砌體墻，拆除尺寸為托梁高×墻體厚×肩梁寬，安裝托梁鋼筋及肩梁鋼筋、支模、樓板開洞澆筑混凝土。由于底層框架砌體結構上部剛度很大，下部剛度較小，容易形成相對薄弱的底部，抗震不利，因此在底層設置鋼筋混凝土抗震墻，來增強底層剛度，在二層過渡層，采用高延性混凝土加固砌體墻，增強墻體的韌性、抗裂性能和耐損傷能力。

因此，該結構在加固方式上有了創新，不局限于傳統意義上只對結構進行補強的加固方式，在建筑使用功能及空間上都進行改造，更能滿足建設單位的改造意愿，具有更大的發展前景。

5 技術的成熟程度，適用范圍和安全性

5.1 安全性

采用該成果改造砌體結構房屋，由于采用逐層次托換新技術，無需大開洞、無需臨時性托換支撐，改造施工過程安全性高，施工方便。改造后形成的底部框架抗震墻砌體結構，上部砌體結構承重墻體、樓面荷載通過肩梁、托梁到框架柱、基礎的傳力途徑。其傳力路徑明確，結構安全可靠、滿足現行規范要求。

通過試驗已驗證該新型混合框架底框砌體結構的安全性，通過現場荷載試驗與有限元數值模擬的方式進行分析，確定了該新型結構在正常使用下的結構安全性。施工過程中的施工工藝、措施、安全性有保證。

5.2 創造性

①在既有建筑縱橫墻交接位置，拆除原砌體結構放大腳基礎，形成拱券改造框架柱、抗震墻基礎；②對框架柱核心區范圍內原縱橫磚墻進行拆除，形成砌體芯柱外包混凝土框架組合柱；③在縱橫墻頂部間隔1米布置肩梁，由肩梁將2根托墻梁連接為整體。

6 應用情況及存在的問題

6.1 應用情況

隨著城市建設的發展更新和業主對臨街房屋商業性使用要求的不斷提高，砌體結構房屋的改造更新需求越來越多。采用該成果改造后，這類建筑就功能而言，底部可提供靈活的布置空間，如百貨公司、商店、餐廳等，上部可設置住宅、辦公室、賓館。

通過新型混凝土夾芯式框架柱、雙托梁及肩梁復合梁體組成的底部框架結構體系，將原底層砌體承重墻改變為非承重填充墻，從而可按使用功能要求隨意拆除原承重墻體形成大空間。

該成果對砌體結構房屋的改造改變了傳統做法，采用從基礎、框架柱到框架梁的逐層次托換新技術，先形成底部框架結構體系，最后拆除原承重墻體，通過工程實踐證明該成果在技術上合理、可行、安全性高，對于類似工程的改造有推廣價值。能夠改變老舊建筑空間狹小、使用功能受限的缺點，使老舊建筑適應社會發展的需求。由于其具有良好的使用功能，造價相對較低的優點，避免此類建筑拆除重建，造成不必要的浪費。同時，從環保的角度來講，減少了建筑垃圾的產生，更符合國家環保政策的要求。

6.2 存在問題

（1）改造后，此類房屋結構仍屬于底部框架抗震墻砌體結構房屋，由于抗震性能仍相對較差，底層需要設置一定數量的抗震橫墻，在使用空間，層高及總層等方面有一定的限制。

（2）由于改造采用逐層次托換技術，對施工要求的專業化程度高、技術力量強，無專業經驗的施工隊伍難以完成。

（3）改造施工過程中受施工條件限制機械化程度低，間歇性大，勞動力較密集。