黃茜

靖西市教育局 廣西 百色 533899

目前，我國學(xué)校教學(xué)樓通常采用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，隨著使用時(shí)間的增加，將會(huì)導(dǎo)致教學(xué)樓內(nèi)部出現(xiàn)一定損傷，影響教學(xué)樓的穩(wěn)定性，很容易受到外界因素的影響而出現(xiàn)坍塌等問題，對(duì)學(xué)生與教師的生命安全造成危害。對(duì)老舊教學(xué)樓改造時(shí)，若完全拆除重建，需要投入大量的資金成本，因而大部分教學(xué)樓通常采用結(jié)構(gòu)加固改造方案。為了使教學(xué)樓加固改造項(xiàng)目更好地進(jìn)行，本文以“教學(xué)樓工程鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)”為課題進(jìn)行了研究。

1 工程概況

本研究選擇我市某學(xué)校老舊教學(xué)樓改造項(xiàng)目作為研究對(duì)象。某學(xué)校原教學(xué)樓建立于2010年，距今已經(jīng)使用了10余年時(shí)間，經(jīng)過10余年的風(fēng)吹日曬教學(xué)樓穩(wěn)定性大幅度下降，不符合相關(guān)規(guī)定要求，因而某學(xué)校于2022年秋季開始對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行加固改造，以提升教學(xué)樓的安全性與穩(wěn)定性。該項(xiàng)目占地面積約9735m2，建筑面積約29960m2，其中，地上部分面積約18084m2，地下部分面積約11876m2，包括2棟教學(xué)樓、宿舍樓與門衛(wèi)室4部分，具體如表1所示。

表1 某學(xué)校老舊教學(xué)樓改造項(xiàng)目基本情況

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)整體抗震驗(yàn)算

某教學(xué)樓改建工程建設(shè)過程中，為了準(zhǔn)確了解工程各模塊具體情況，利用由中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM軟件為主要工具，分別對(duì)原教學(xué)樓建筑基礎(chǔ)、柱、梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。分析時(shí)，先根據(jù)建筑具體情況構(gòu)建出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，之后以此為基礎(chǔ)，分別施加一定荷載，最后通過相應(yīng)程序進(jìn)行計(jì)算，其中，下部基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，選擇的是JCCAD程序，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，選擇的是SATWE程序。因建筑改造前后工程無變化，主要是對(duì)隔墻位置進(jìn)行調(diào)整，所以改造前后建筑的總荷載值基本無變化。

通過前期工程現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果的分析可知，在修正后，基礎(chǔ)承載力約為99kN/m2，而在計(jì)算導(dǎo)荷后，底板反力均值僅有83kN/m2，遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)承載力要求，因而無需對(duì)原教學(xué)樓建筑的基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

通過上部結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的自振周期、周期比、剪重比、最大層間位移與平均層間位移等均符合要求，但在教學(xué)樓底層與2層框架柱大部分軸壓比值在0.9以上，最高甚至達(dá)到了1.25，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)規(guī)定要求，表明這部分框架柱的承載力明顯下降，很容易引發(fā)建筑坍塌等問題。同時(shí)，由建筑內(nèi)部彈性位移計(jì)算可知，X方向最大層間位移角為1/409，Y方向最大層間位移角為1/450，都不符合相關(guān)規(guī)定（≤1/550）要求[1]。所以，本工程改造時(shí)，主要對(duì)梁結(jié)構(gòu)與柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。其中，柱結(jié)構(gòu)加固時(shí)，主要將柱結(jié)構(gòu)截面提高到（500～600mm）×700mm，梁結(jié)構(gòu)加固時(shí)，局部截面積提高到（400～500mm）×原梁高，且在其他配筋缺失的梁結(jié)構(gòu)，通過碳纖維加固的方式予以處理，以使整個(gè)教學(xué)樓的軸壓比處于0.75范圍內(nèi)，并將最大層間彈性位移角控制到1/850之下。

2.2 梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

梁結(jié)構(gòu)是教學(xué)樓建筑中的重要組成部分，梁結(jié)構(gòu)的性能好壞直接影響到整個(gè)教學(xué)樓建筑的穩(wěn)定性。而由上述分析可知，局部梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行加固。梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)時(shí)，主要是在其兩端安裝一個(gè)U型箍及構(gòu)造筋，作為梁結(jié)構(gòu)中新的承載結(jié)構(gòu)?？v筋布置時(shí)，應(yīng)考慮后續(xù)砼漿澆筑與振搗，且要確保U型箍能夠與原結(jié)構(gòu)緊密固定到一起，必要情況下，可向梁結(jié)構(gòu)內(nèi)添加適量的碳纖維，以提升梁結(jié)構(gòu)的彎矩承載力，具體如圖1所示。

圖1 梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)圖

梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)時(shí)，需注重抗震性的分析與計(jì)算，確保建筑結(jié)構(gòu)加固后，局部影響系數(shù)能夠達(dá)到1，局部面層處，如果對(duì)縱橫結(jié)構(gòu)交接處墻體存在明顯的拉結(jié)作用，則應(yīng)針對(duì)具體情況，對(duì)該系數(shù)予以適當(dāng)調(diào)整。抗震性能分析時(shí)，主要考慮4個(gè)方面因素，分別為：結(jié)構(gòu)的抗震承載力增強(qiáng)系數(shù)γp；加固后，整體影響系數(shù)φ1；加固后，局部影響系數(shù)φ2；原墻結(jié)構(gòu)的抗震能力系數(shù)βb。四項(xiàng)指標(biāo)相乘后即可推導(dǎo)出建筑的抗震性能指數(shù)。其中，對(duì)于γp來說，主要利用下述公式推導(dǎo)而得：

其中，γpi表示加固后，第i層樓梯的抗震增強(qiáng)系數(shù)；Aai表示第i墻結(jié)構(gòu)段的水平凈截面面積；Aa表示第i墻結(jié)構(gòu)段橫向與縱向抗震墻體截面面積；n表示整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中所有加固結(jié)構(gòu)的數(shù)量[2]。

2.3 柱結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

通過上述計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，某學(xué)校教學(xué)樓部分框架柱的軸壓比明顯提高，遠(yuǎn)高于相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，加之柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部配筋數(shù)量較少，導(dǎo)致柱結(jié)構(gòu)的承載性受到嚴(yán)重影響，不利于整個(gè)教學(xué)樓建筑的使用?；诖?，本工程改造時(shí)，擬通過增大截面的方式予以加固。其中，中間柱結(jié)構(gòu)加固過程中，采用的是四邊加大法；周邊柱結(jié)構(gòu)加固過程中，采用的是三邊加大法，通過加固后的計(jì)算與分析可知，通過該方法進(jìn)行加固處理后，柱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與承載性均符合規(guī)定要求。同時(shí)，需要注意的是，柱結(jié)構(gòu)加固后，為了使新舊混凝土結(jié)構(gòu)能夠緊密連接到一起，共同作為建筑結(jié)構(gòu)的承載模塊，則應(yīng)以300mm為間隔，在原柱結(jié)構(gòu)內(nèi)分別安裝一個(gè)U型箍，以將新加縱筋與原結(jié)構(gòu)緊密連接[3]。新縱筋安裝時(shí)，通常將其布置到各樓層的標(biāo)高區(qū)域，角筋穿過樓板，使上下兩層相貫通，若結(jié)構(gòu)內(nèi)存在框架梁，阻礙縱筋的貫通，可適當(dāng)將縱筋彎折后布置，以確?？v筋在整個(gè)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮出最大的作用。若無法貫通，則將縱筋的下部植入到梁結(jié)構(gòu)中，同時(shí)，通過配短筋的方式，對(duì)削弱鋼筋予以修復(fù)，提升整個(gè)鋼筋柱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，具體如圖2所示。

圖2 柱結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)原理圖

3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固施工

相關(guān)規(guī)定中指出，舊建筑結(jié)構(gòu)加固改造時(shí)，先將結(jié)構(gòu)中的荷載卸掉，之后再進(jìn)行加固，加之改造前后建筑結(jié)構(gòu)所采用的材料略有差異，因而在具體改造過程中，應(yīng)先拆除建筑內(nèi)部的所有墻體，將待加固結(jié)構(gòu)表面粉刷層清除，并對(duì)結(jié)構(gòu)蜂窩、裂縫等缺陷進(jìn)行修復(fù)，之后才可按照上述方案加固。若需要在結(jié)構(gòu)外表面固定加固鋼筋，則應(yīng)清理結(jié)構(gòu)表面的保護(hù)層；若無需固定加固鋼筋，要對(duì)結(jié)構(gòu)表面鑿毛處理，清洗結(jié)構(gòu)表面，同時(shí)做好接漿處理。在新舊混凝土結(jié)構(gòu)銜接面處，均勻涂抹一層界面劑，以使新舊結(jié)構(gòu)能夠緊密結(jié)合到一起。

3.1 鋼筋工程施工

通過上述抗震驗(yàn)算與加固設(shè)計(jì)分析可知，本工程加固施工時(shí)，鋼筋工程施工涉及梁結(jié)構(gòu)與柱結(jié)構(gòu)截面的擴(kuò)大改造。因結(jié)構(gòu)新增截面積較小，且需要布置大量配筋，可出現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋過密問題，影響鋼筋的錨固效果，導(dǎo)致鋼筋在結(jié)構(gòu)中無法發(fā)揮出最大的承載作用。所以，建筑結(jié)構(gòu)加固鋼筋工程施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程具體情況，確定出最佳的鋼筋間距，計(jì)算出合理的保護(hù)層厚度，同時(shí)當(dāng)鋼筋間距不符合相關(guān)規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)如何對(duì)配筋布置情況予以改進(jìn)。針對(duì)這一情況，施工單位應(yīng)在鋼筋工程施工前，按照前期設(shè)計(jì)方案的具體內(nèi)容，繪制出相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)鋼筋截面布置圖，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行放樣，以判斷鋼筋布置情況是否符合要求，若不符合要求，根據(jù)放樣結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)內(nèi)容予以修改，以提升鋼筋布置的合理性與科學(xué)性。同時(shí)，鋼筋工程施工過程中，仔細(xì)對(duì)配筋狀況予以核查，判斷配筋是否滿足設(shè)計(jì)方案要求，若發(fā)現(xiàn)不匹配的情況，應(yīng)立即進(jìn)行修改，以免對(duì)后續(xù)其他環(huán)節(jié)施工造成干擾。若構(gòu)建中的鋼筋布置難度較高，則應(yīng)在保證工程質(zhì)量符合規(guī)定要求的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)局部截面進(jìn)行放大。

3.2 模板工程施工

本工程加固主要是擴(kuò)大梁結(jié)構(gòu)與柱結(jié)構(gòu)的界面，因模板規(guī)格尺寸不大，而外形較為復(fù)雜，尤其是梁側(cè)邊模板更是如此，導(dǎo)致模板安裝難度較高，對(duì)后續(xù)混凝土的澆筑造成干擾。所以，為了確保后續(xù)施工活動(dòng)順利進(jìn)行，施工單位先在梁側(cè)原樓板適當(dāng)位置處鑿出一個(gè)1.5×1.5m左右的孔洞，一方面方便后續(xù)澆筑、振搗施工，另一方面還可構(gòu)建出充足的操作空間，有利于植筋施工的開展。待鋼筋工程結(jié)束后，同時(shí)安裝樓板與梁模板，并在柱模板的四邊，分別預(yù)留一個(gè)澆注口，用于后續(xù)混凝土的澆筑，使混凝土順利灌入到模板內(nèi)。

3.3 混凝土工程施工

本工程加固改造過程中，混凝土工程量并不是很大，且所處位置較為分散，若直接選擇商品砼，每次灌注量較高，如果未能及時(shí)入模，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的浪費(fèi)問題，從而增加工程改造成本。尤其是柱結(jié)構(gòu)澆筑施工時(shí)，僅可通過布置澆筑孔的方案施工，使得入模速度慢，很難與節(jié)拍相匹配，不僅會(huì)增加材料浪費(fèi)，而且還可能引發(fā)窩工的問題。所以，在施工之前，要以工程平面布置情況為基礎(chǔ)，結(jié)合混凝土澆筑量，設(shè)計(jì)最佳的分層分段澆筑方案。

梁結(jié)構(gòu)與柱結(jié)構(gòu)外包鋼筋混凝土加固時(shí)，新增截面并不是很大，且內(nèi)部植筋數(shù)量多，鋼筋的間距較小，對(duì)混凝土澆筑后的振搗施工造成一定干擾，影響加固后結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。針對(duì)這一問題，施工單位應(yīng)選擇微膨脹混凝土作為主要材料，可按照設(shè)計(jì)配比方案直接利用膨脹水泥拌和，也可在傳統(tǒng)混凝土拌和方案中，添加適量鋁粉拌和而成，利用混凝土澆筑后微膨脹的性能，提升新截面混凝土的密實(shí)度，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的承載性。但需要注意的是，微膨脹混凝土澆筑與振搗時(shí)，通常對(duì)模板具有較高的要求，不僅要避免漏漿，同時(shí)還應(yīng)具備良好的保水性能。所以，模板支護(hù)時(shí)，應(yīng)將橫楞與豎楞的間距控制在較小的水平，同時(shí)在模板間隙當(dāng)中，還可添加適量的嵌縫膏，以強(qiáng)化模板剛度。選擇合理的微膨脹混凝土拌和地點(diǎn)，確?；炷猎谳^短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，避免長時(shí)間未使用而出現(xiàn)微膨脹與初凝的問題。

3.4 碳纖維加固工程施工

由上述結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算分析可知，某學(xué)校教學(xué)樓建筑加固施工時(shí)，局部區(qū)域需要采用碳纖維進(jìn)行加固，這一方面施工的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)教學(xué)樓建筑的加固效果。碳纖維施工時(shí)，重點(diǎn)為混凝土結(jié)構(gòu)表面的處理，先利用鑿子等工具，將結(jié)構(gòu)表面混凝土清除，以將內(nèi)部新鮮面完全裸露出來，并對(duì)裸露面清理干凈。若結(jié)構(gòu)表面不平整，向裂縫、凹陷處涂抹適量找平劑，以使結(jié)構(gòu)表面保持平整。碳纖維粘貼過程中，先在結(jié)構(gòu)表面均勻涂抹一層浸潤膠，同時(shí)，在碳纖維布與結(jié)構(gòu)表面粘貼面，也應(yīng)涂抹一層浸潤膠，并對(duì)碳纖維布予以碾壓處理，使整個(gè)碳纖維布完全浸潤，同時(shí)，將碳纖維布內(nèi)的氣孔排出，避免后續(xù)出現(xiàn)空鼓的問題。若碳纖維布粘貼后出現(xiàn)空鼓，則應(yīng)采取相應(yīng)的方式予以處理，如果空鼓面積在100cm2以下，通過針管向空鼓處注膠，以將問題解決；如果空鼓面積在100cm2以上，則將空鼓區(qū)域的碳纖維布全部去除，并按照設(shè)計(jì)方案要求，重新鋪設(shè)碳纖維布。此外，碳纖維布鋪設(shè)時(shí)，在纖維方向上不可出現(xiàn)折直角，避免應(yīng)力過度集中而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。施工過程中，將碳纖維布的四角磨成圓弧狀，抑制應(yīng)力的集中，提升加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。兩碳纖維布之間，緯向接縫控制在12.5mm以內(nèi)，經(jīng)向搭接寬度控制在150mm以上。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓加固時(shí)，應(yīng)通過建筑結(jié)構(gòu)整體抗震驗(yàn)算的分析，確定出建筑中所需加固的具體結(jié)構(gòu)，之后以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出各結(jié)構(gòu)的加固方案，并按照加固方案進(jìn)行施工，確保整個(gè)加固工程順利進(jìn)行，提升建筑加固質(zhì)量，為建筑后續(xù)安全使用打下良好基礎(chǔ)。