結構改造加固設計與施工案例分析

鄭淑文，周廣洋

(1.濟寧市偉光匯通文化旅游發展有限公司,山東 濟寧 272000; 2.鄒城市祥宜房地產開發有限公司,山東 濟寧 272000)

0 引言

建筑工程由于其建設成本較大、建設周期較長等特點,在建筑物出現老化、結構損傷或建筑改變用途和承載能力時,一般不會對其拆除重建。為了使建筑物能夠繼續使用或滿足新的使用要求,現階段常采用加固技術進行處理。加固工程一般需要對建筑物進行檢測和鑒定,根據檢測鑒定的結果進行相應結構的改造、加固處理,使結構的安全性達到使用要求。通過加固改造的方式處理既有建筑,在提升建筑安全性的同時,避免了整體性拆除、建造的時間長、成本高等問題。實現較低成本、較短時間達到建筑使用功能需要,在經濟方面和時間方面均具有良好的效益[1-4]。

隨著建筑業的發展,城市建設對建筑的要求不再僅僅滿足強度和耐久性要求,對建筑的美觀性、使用功能提出了更多的要求。另外,經歷過幾次重大地震災害后,對建筑的抗震性、安全性、可靠度等方面的要求也越來越重視。伴隨使用需求的改變以及安全性、適應性能力的要求提高,大量正在使用中的建筑需要得到改善。為了提高結構的安全性和適應性,并考慮減小經濟壓力等因素,加固技術的優勢得到展現,并借助于結構分析軟件的開發應用、新材料的研發等條件,大大推動了結構加固技術的發展,為既有建筑的使用提供了更多的可能性[5]。

改造加固技術處理工程問題可以歸納為以下幾個方面:1)結構增強:當結構使用荷載改變,超出原設計限值時,對原結構進行加固處理,提升結構安全性;2)結構改造:原結構形式不滿足使用需求,而改變結構形式,采用新的結構方案實現其使用需求;3)損傷修復:建筑使用年限過長、偶然因素破壞等引發的既有建筑損傷,通過對原結構的加固處理,恢復建筑安全性[6]。本文以某項目結構梁改造加固工程為例,討論改造加固設計及施工中的相關技術問題。

1 工程概況

本項目建筑為地下1層、地上4層的框架結構,主體結構施工已經完成,因部分梁底凈高不滿足使用要求,結構設計師給出了將部分屋面梁上翻的處理方案。然而在進行屋面造型板施工時,發現上翻梁影響了屋面施工。屋面局部結構布置如圖1所示。

因屋面結構梁WKL1,L1,L2為上翻梁,高出屋面部分影響了屋面造型板的施工,為滿足屋面造型要求,需要對上翻梁進行處理。

2 改造加固方案設計

2.1 方案的確定

根據工程實際情況,改造方案需要滿足兩方面需求:屋面造型施工和機房層使用高度要求。這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過大的高度。

1)根據設計規范[7]中給出的混凝土構件加固方法,粘貼鋼板法和粘貼纖維復合材法可以滿足使用要求。但在破除WKL1后,①軸-②軸交A軸-B軸區域將形成8.1 m×8.1 m的三面支撐板,結構受力不能滿足要求,故此方向不可行。

2)通過現場屋面造型板施工放樣發現:WKL1,L1,L2均只在梁的端部存在一塊斜角區域影響造型板的施工,因此考慮對梁進行局部改造,使得屋面和機房層均滿足相應尺寸要求,如圖2所示。

此種方式處理后,受力構件由平梁變成了折梁,此時梁端部的受力狀態發生了變化,在支座處產生了水平力作用,應驗算支座處支撐結構的安全性[8]。為簡化計算模型,首先將各跨的梁分別作為一個整體進行力學平衡計算,得到支座端水平受力情況,再根據原設計圖紙建立局部結構模型并施加相應作用。通過驗算,原結構尺寸、配筋在應對折梁形成的荷載時仍具有足夠的安全度,可以滿足折梁方案的改造需求,方案可行。

2.2 設計成果

經過現場測量,確定了各梁需要處理部分的具體尺寸(詳見梁設計圖),利用PKPM軟件結合原結構計算模型,對相應區域的梁進行調整后分析計算,得到改造后的結構設計。各梁設計詳見圖3—圖5。

按照此方案,梁的一端彎折改造后的截面尺寸與原平梁尺寸相同,WKL1:300×700;L1,L2:250×650。新澆筑混凝土按照比原設計提高一個強度等級設計,澆筑混凝土需具備無收縮性能。為了保證澆筑質量,結合市場中材料使用情況,推薦采用C40灌漿料進行澆筑。改造部分的梁布設新的鋼筋,通過化學植筋、焊接的方式與原結構連接。為了確定工程實際狀況下的植筋能夠達到設計要求,在方案實施前在結構同環境條件下進行植筋并進行拉拔試驗驗證。驗證試驗在本建筑機房層選擇了一處混凝土柱進行植筋和拉拔試驗,經現場測試結果顯示:相關力學性能指標滿足設計要求。新增縱向受力鋼筋范圍內,新增加箍筋采用“U”形箍筋、規格及間距同原設計的梁箍筋(直徑8 mm,間距200 mm)。新增的“U”形箍筋需要與原結構保留的箍筋進行焊接,焊接長度不得小于100 mm。

根據設計方案對屋面的結構上翻梁進行改造,對原結構的處理范圍較少,進而減少了對原結構的擾動,從源頭降低了對原有結構的擾動破壞風險。按照此種方法進行改造施工,不但滿足了建筑的使用要求,對于工程的整體施工進度、工程造價均有相應保障。

3 屋面梁改造加固施工

改造施工前,屋面面層及部分屋面板鋼骨架已施工完成,屋面的大部分荷載已經形成。根據現場情況及工期安排,按照如下施工流程:支撐系統安裝→梁底新增部分施工→梁頂靜力切割→梁頂修復施工→支撐系統拆除→完工監測。

3.1 支撐系統安裝

支撐系統由壓力及監測系統和承載系統兩部分組成。壓力及監測系統選用50 t千斤頂、φ159的Q235B鋼管、壓力傳感器組合而成,用于反向預設荷載加載以及施工過程的安全監測;承載系統通過豎向鋼管承擔施工過程中產生的荷載作用。

1)承載系統安裝:沿需改造梁方向在梁兩側對稱設置支撐立桿,立桿間距800 mm,立桿頂部安裝可調節螺桿,通過調節螺桿與板底進行可靠連接。為增加支撐系統的穩定性,相鄰兩根立桿之間通過水平系桿進行連接。

2)壓力及監測系統安裝:豎向鋼管定位并安裝固定,鋼管頂部與板底預留適當空間,用于千斤頂及壓力傳感器安裝。安裝完成后預加壓力,使千斤頂、壓力傳感器、底部托板與板底接觸。

3)加壓與卸荷:支撐系統全部完成后,采用分級加壓的方式對改造區域施加反向荷載。每一級加壓值為預設壓力的1/5,每次加壓后檢查承載系統并鎖緊,確保支撐系統可靠且壓力示值穩定后進行下一級加壓。加壓過程中兩臺加壓設備應同步施壓,并在每一級加壓后采用水準儀、全站儀監控相鄰梁板是否有開裂、滑移等現象。最后加壓至預設壓力后,停止加壓并持壓一段時間,檢查壓力示值變化、承載系統可靠性、相鄰梁板的情況。在確保各臺千斤頂壓力數值同步、穩定、支撐系統安全可靠、相鄰梁板無開裂滑移后鎖死千斤頂。

施工過程中,安排專人進行監測觀察,如壓力示值出現變動、支撐系統出現異樣或相鄰梁板出現裂縫、滑移等現象應立即停止施工并采取應急措施。

3.2 梁底新增部分施工

1)原梁底拆除:根據工程實際情況,避免施工擾動對結構造成二次破壞,采用小型電鎬對原屋面梁混凝土拆除。拆除過程中做好對原屋面梁鋼筋的保護,不得損傷梁底鋼筋。新舊混凝土交界面將原混凝土表面鑿成凹凸狀,以增加新舊混凝土間的黏結力。

2)梁底植筋、鋼筋綁扎及焊接:梁底新增主筋植筋時,根據之前剔鑿出的原梁底主筋位置,在原梁主筋間空隙植筋。綁扎梁底鋼筋,箍筋與原梁箍筋焊接。

3)壓力沖洗:對鑿毛后的混凝土表面用清潔的壓力水清洗干凈并充分濕潤,保證新混凝土澆筑時界面處于濕潤狀態。

4)模板搭設:采用木模板將新增梁進行封閉,接縫處必須密實,防止灌漿料澆筑時發生漏漿。模板外側采用方木、鋼管組成圍檁體系。模板頂部設置倒“八”字斗口,新澆混凝土由斗口灌入。支模過程中,必須確保模板的剛度、強度、穩定性,確保在澆筑過程中不會發生變形。

5)灌漿料澆筑:根據工程施工特點并為了保證施工質量,本次采用C40灌漿料進行澆筑。受現場施工條件限制,施工采用外部振搗的方式振搗密實。澆筑及振搗過程中,安排專人巡查模板拼縫情況,一旦發現跑漿、漏漿等現象時立即進行封堵。灌漿料澆筑時預留同批次試塊。

6)養護:灌漿料澆筑完畢2 d后方可拆除側面模板,并進行灑水養護,養護時間不少于7 d。強度達到設計要求后,拆除底模。

3.3 梁頂混凝土拆除及修復

梁頂混凝土的拆除及修復施工處于屋面露天區域,且施工區域臨近建筑外邊緣。為確保施工過程的安全和文明施工要求,在施工區域圍設臨時防護欄桿、增設吸塵器及小型灑水設備。

1)切割定位放線:根據設計圖紙確定的切割范圍,并確定水鉆、刀具的安裝位置。

2)靜力切割:確定切割梁底部及相鄰梁板安全支撐良好,對切割梁區域破除卸載。在預放線位置安裝水鉆,沿切割標注線逐漸切割梁。切割時應注意控制進尺速度、降溫和防塵處理,因切割區域含有原梁頂鋼筋,當水鉆接觸鋼筋時,應調整進刀速度,避免刀頭過熱燒毀。

3)原梁頂混凝土鑿除:采用小型電鎬對原梁板混凝土拆除,嚴禁采用大型機械設備拆除,避免對周邊結構造成二次破壞。拆除至缺陷混凝土邊緣后,再向邊緣外延伸清除一段不小于50 mm的長度。新舊混凝土交界面將原混凝土表面鑿成凹凸狀。

4)拆除過程中做好相鄰柱、梁、板的監測,如相鄰柱、梁、板出現裂縫、滑移等現象應立即停止施工并采取應急措施。

5)鋼筋綁扎及焊接:新增鋼筋按照設計要求同原梁保留鋼筋焊接,需植入混凝土的部分應滿足設計植筋要求。

6)壓力沖洗:對鑿毛后的混凝土表面用清潔的壓力水清洗干凈并充分濕潤,保證新混凝土澆筑時界面處于濕潤狀態。

7)根據設計截面形式搭設模板,采用C40灌漿料對梁頂部分進行修復澆筑,澆筑完畢2 d后方可拆除模板,并進行灑水養護,養護時間不少于7 d。

3.4 支撐系統拆除

新澆筑混凝土強度達到設計要求的混凝土強度后,對支撐系統進行拆除。拆除后,采用水準儀、全站儀對相鄰梁板是否有開裂、滑移等現象繼續觀測一段時間,確保結構替換達到設計要求。

3.5 施工注意事項

施工過程嚴格控制施工流程、嚴格把控各項工藝。需要重點關注的幾個方面有:

1)支撐系統支設及拆除:支設時需要按照方案設計值控制回頂壓力,避免卸荷不足或反向超載的情況。待結構施工全部完成,相應結構達到強度要求時拆除,拆除時應注意各部位結構狀況,確保達到施工效果。

2)鋼筋的植筋施工,要嚴格控制植筋長度,對于植筋孔的清理、植筋膠的填塞均應滿足技術工藝要求,確保植筋與結構能夠有效發揮作用。

3)在使用灌漿料時,進場需要對材料進行復檢,保證強度、生產日期、性能符合要求。現場拌合時注意用水量及澆筑時間,并在澆筑過程中加強模板質量檢查。

施工過程的每個環節都至關重要,都直接影響施工質量。優良的建筑材料、先進的設備設施、成熟的施工技術是工程質量、結構安全的重要保障基礎。

4 結語

加固技術的發展為建筑發揮其功能提供了更多可選擇方案,可以在合理范圍內對既有建筑進行改造與提升。結構加固技術是一項系統性的工作,從方案設計到施工,每個方面都需要嚴格控制。設計階段需要根據既有建筑結構的實際特點,分析選擇可行的改造加固方案。在施工階段,采用靜力破除設備等減小對原結構的擾動,并加強各項工藝流程管理,嚴格控制質量。另外,需要重視過程監測,監測工作是加固工程的一項重要保障措施,能夠反饋施工效果及風險預警。

通過局部梁的改造變形處理,不但使結構滿足了建筑需求,而且減少了對既有結構的擾動范圍,利用加固處理技術,嚴格控制施工質量,保證了建筑的安全性、實用性,并且展現出較好的工程經濟性。通過本項目梁的改造加固實例分析,對設計過程的思考、施工流程及質量控制等方面進行了闡述,提出了在改造加固過程中需要注意的技術問題。在實踐中,不同的建筑具有不一樣的目的性,加固方案及施工方案也會有變化。因此,在具體實踐中需要加固技術人員利用現有加固技術,結合工程的特點,進行適應性的思考,為建筑的加固、改造提供切實可行的方案。