既有砌體結構建筑安全性檢測及加固設計

劉 偉

（山東協和學院，山東 濟南 250107）

砌體結構因為其本身特點與優勢，使得在20世紀建造的建筑物部分仍然在使用。但因為技術限制，所以導致建筑物整體結構不符合相關要求以及線性標準，在砌體結構使用過程中存在較大的安全隱患。以某吉林省某大學為例，通過檢測該教學樓，深入分析與研究產生出現的主要原因，并提出針對有效加固設計方案，確保建筑在使用年限內正常使用。

1 對既有砌體結構建筑物進行安全檢測以及加固設計必要性

砌體結構因其價格較為低廉、來源方便、施工較為便捷等特點，被廣泛應用到建筑領域中，并且無需任何特殊設備即可完成日常使用，冬季無需采取任何保暖設施，節能效果較為明顯，并且有效降低施工成本，提升企業經濟效益。在建筑領域快速發展過程中，混凝土材料的不斷優化以及改進，在性能方面已經明顯高于砌體結構，并且砌體結構因為其本身材料限制，使得其截面尺寸過大、強度較低等劣勢逐漸凸顯出來。大部分砌體結構在施工過程中，都是采用人工方式進行，工作效率較低，逐漸被多類型建筑結構取代。同時，在砌體結構中，其物理性能不足，導致近年來安全問題不斷增加，不利于我國現代化建筑行業發展。因此，需加強對既有砌體結構進行安全檢測，并針對結構現狀以及缺陷產生原因，融入設計理念，提出加固設計方案，不斷提升建筑結構的安全性、穩定性。在加固設計中，需要考慮結構的承載能力、剛度、抗震能力、符合規范和環境因素等多個方面，以確保安全性和穩定性。加固后的結構應能夠承受各種預期的負載，并符合相關的建筑設計規范和標準。

2 工程概況

本次砌體設計改造主要以吉林省某大學為例，其由吉林省設計院設計，始建于1968年，至今為止已使用50余年。主樓整體分為三部分，東側4層、中部6層、右側5層，其中東西兩側為內框架磚混結構。建筑總面積24 125 m2，總使用面積13 562 m2。屋頂結構為預制槽型板與現澆混凝土板結合，主要承重形式為內框架柱和縱橫墻結構，部分教室設置有混凝土圈梁。

該教學樓基礎為毛石條基礎，屬于2類場地。通過對該教學樓原有設計圖紙分析，目前該教學已經超出實際使用年限，但是仍在繼續使用。為確保學生安全，需對教學樓、行政樓以及部分階梯教室進行基礎加固升級改造。當前結構的抗震性能和能否安全使用需嚴格按照相關規定進行檢測，以便獲得最為精準的鑒定。

針對該大樓既有結構評估其整體抗震性能，為能更好把握該結構抗震性能，需確定在地震危害下，結構的性能水平，據調查研究發現，可將既有砌體結構性能水平分為以下5類，分別為充分運行、基本運行、接近倒塌、生命安全以及倒塌等，如下表1所示，為結構性能與破壞分析表。

表1 結構性能與破壞分析表

定性結構性能水平作為評估既有砌體結構整體抗震性能的基礎，還需量化相關參數，目前較為常用結構性能指標主要有：位移指標、與能量相關的參量、與結構延性有關的參量、能量與位移雙控指標以及力指標構成。

通過分析遭受地震破壞的某處砌體結構，計算遭受不同程度地震破壞實際指標，并給出具有較高實用性的相關數據，如下表2所示，為破壞程度與指標之間關系。

表2 破壞程度與指標之間關系分析表

通過對教學樓主樓砌體結構進行深入分析研究，發現在未采取抗震加固措施時，在小、中震作用下，主體結構會遭受不同程度的破壞，并且會喪失其基本結構。而主樓砌體結構在重力作用下，因無法承重所以遭到毀滅性破壞，進而出現倒塌現象，無法保證主樓內部人員生命安全。

3 工程背景

以吉林省某大學主樓為例，對既有砌體結構進行升級改造與設計。學校經過多年的發展以及招生規模達到持續擴大，當前主樓使用面積與功能，已無法滿足后續發展與教學需求。基于此，對其進行改造。在本次加固設計改造過程中，需基于既有防腐基礎加固基礎上，相應增加鋼筋混凝土框架，層高為3.7 m，柱間距離為8～9 m，共5榀。針對主樓實際情況，現鋼筋混凝土框架跨度為14.7 m，首層高度為20.8 m，建筑物總體高度為35.5 m。在加固改造階段，因結構跨度較大，所以針對橫梁來說，應采取預應力鋼筋混凝土。

如下表3所示，為主樓結構外層框架部分梁柱參數分析表，其中，外層框架底層柱與其他層柱分別用A1、A2表示；外層框架底層橫梁、其他橫梁以及縱梁用B1、B2、B3表示。

表3 外層框架梁、柱數據參數分析表

3.1 現場情況

通過對現場進行分析檢測，主樓結構部分層位砌體強度以及砂漿強度不滿足當前要求。對主樓部分層級，對T層及1層升級改造，只是原建筑物主體結構與現狀主體存在較大區別，現場結構損傷情況見表4。

表4 現場結構損傷

在對主樓部分樓層進行升級改造時，發現1，2層墻體遭受到嚴重破壞，同時因原結構是1968年設計完畢，已無法滿足當前需求。墻體交接處，均設置有相應規格的構造柱，并且每層均有圈梁，因此在長時間使用過程中，辦公室/活動室未發生明顯的質量問題。

3.2 結構加固改造與設計

主樓進行結構加固改造與設計前準備階段，主要分為基礎、上部結構兩部分的加固改造設計工程。

驗算基礎加固與設計。主樓部分地段土質較差，地表層主要為以建筑垃圾為主的雜填土。在設計前準備階段對其進行地質勘察，發現雜填土厚度為1.4～4.2 m。而在雜填土下方，主要為細砂層、素填土層以及粉砂層。如下圖1所示，為被拆除橫墻位置及結構平面圖。

圖1 被拆除橫墻位置及結構平面圖

（1）驗算基礎承載力。主樓部分結構為三七灰土墊層基礎結構。寬度為8 101 520 cm。本次驗算主要以20 cm寬為例，根據組合荷載效應標準要求，地面平均壓力需≤200 kPa，而現狀主樓結構經驗算分析后，其地面平均壓力為240.5 kPa，不符合標準要求。因此，需調整現狀主樓部分結構，直至符合標準要求。

（2）基礎加固。學校人員較為密集，因此在進行基礎加固作業時，可能存在著一些問題，如學校來往學生、教師較多，材料運輸起來較為困難，并且房屋的東、南方向與其他建筑物連接；堆放建筑材料場地相對較小，場地條件不允許大規模開挖作業。根據基礎驗算結果與實際情況，加固方案設計需綜合考量設防烈度、施工難易程度以及綜合造價等因素。加固方案具體如下：

在加固作業期間，可適當拆除首層地面，并在距離地面-0.4 m位置處的墻體上，開鑿出2.5 cm×5 cm洞口，洞口水平間距為20 cm。同時在與洞口等高處，制作相應數量的5 cm厚度的筏板，并將其穿過已開鑿的預留洞。隨后，于洞口位置澆筑混凝土，以此形成銷鍵，實現筏板與墻體的穩定連接。此過程中，需確保室內地面結構、筏板、銷鍵處于同一高程。

為進一步加固主樓結構，需以筏板、墻體連接點為起點，于兩側布置外延暗梁，并澆筑混凝土，促使梁、中鍵筏板形成完整整體。此加固方案的優點在于，能夠減少室外環境下作業，同時以筏板作為首層地面，均攤現狀地面平均壓力。但實踐中，發現筏板埋深較淺，為強化加固方案，需對地基部分進行二次加固，置換部分填土，從而導致施工開挖量增加，運輸起來較為困難。

此外還可采用條形基礎方案進行加固作業。與筏板基礎加固相似，也是在距離地面的-1 m埋深墻體兩側，做條形基礎。在與銷鍵等高位置沿內墻兩側做混凝土圈梁，外墻圈梁僅在室內一側布置。使用混凝土將圈梁、銷鍵以及條形基礎整合成一體。

4 結語

綜上所述，以吉林省某大學主樓砌體結構為例，分析評估既有砌體結構抗震評估、加固改造與設計。基于能量與變形雙重破壞指標，評估結構整體抗震性，并在分析結構加固改造與設計方案的基礎上，對其進行加固改造，滿足相關設計改造要求。主樓部分樓層加固近半年，未見到明顯裂縫，并且對其進行檢測，發現符合既定要求。因此上述多種加固方案具有加固量較小、使用較為方便快捷等特點，有助于解決既有砌體結構可能存在的安全隱患。