校舍抗震加固工程中结构体系改造的应用
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作者: 吴昌盛
摘要：目前，全国各地正积极开展中小学校舍抗震加固工程，努力为广大师生创建安全的校园环境，而现时中小学校舍抗震加固工程中较普遍使用的方法是：针对不满足抗震要求的结构构件进行加固，如对承重墙体双面夹装钢筋网格加固、外加圈梁构造柱、柱加大截面、构件黏贴钢板碳纤维布等。若构件不符合抗震要求的数量较多时，均须对每个不达标构件进行加固，这势必造成工程造价的大幅提升。此时，需考虑改进现有的做法，寻求一种既能满足抗震要求、又能节省工程费用的方案，即：通过对结构体系进行改造来提高房屋的抗震能力。本文以某校舍抗震加固工程为例，介绍了通过将砖墙承重结构改造为框架结构体系以提高房屋抗震能力的改造方案和施工工艺技术。该方法对提高房屋抗震能力具有明显的效果，同时改善了校舍的使用功能，具有较高的安全性和较好的经济实用性。
关键词：校舍抗震；改造方案；施工技术
1 工程概况
广州市某实验小学综合楼为三层砖混结构楼房，建筑面积约1500m2，建于上世纪70年代。该楼房为墙下条形基础，竖向以横墙和外墙承重，楼板采用混凝土预制空心板，局部为现浇楼板。
2010年，由相关部门进行房屋抗震鉴定，报告显示的主要问题是：承重墙体砌块强度和砌筑砂浆强度未能达到规范要求、预制楼板连续性较差不宜使用、构造柱设置数量不足等；另外该楼房由于是砖混结构，每个场室开间较小不符合现行规范化教育的使用功能需要。
由于该校舍在规划退缩间距、产权报建等方面要求上无法实现拆除重建，故经多方论证后决定进行抗震加固、结构间隔改造及加建疏散连廊，以保留使用。在考虑到该校舍未达标构件较多和开间过小等情况下，笔者与相关技术人员研究后决定采用将原校舍的砖混结构改造为内框架结构方案，这样既能大幅提高楼房的抗震能力，又能较好地控制工程造价，同时也能扩大场室开间以利于校方的使用。
2 改造方案及原理
第一步――结构选型：根据校方提出的要求对校舍的室内空间重新布局，然后根据平面布局设置内部框架柱和框架梁，原有砖墙荷载通过夹装墙梁转换至新加的框架结构上；在位于校舍外廊处增加一排框架柱，使结构形成多排框架式，有利于加强建筑的抗震能力。该校舍结构体系的计算模型按框架结构输入，受力路线明确，经过验算后完全满足乙类（重点）建筑的抗震等级要求和抗震规范中各项构造要求（见图1-2）。
第二步――荷载转换：框架基础采用柱下桩基础，原条形基础通过夹装墙托换梁将荷载有效传递至新加基础；为减少新旧结构的沉降差和适合室内改造施工，新加桩基础采用锚杆静压桩逆作法完成：即完成上部框架结构后利用上部结构自重进行反压施工桩基础；同时，桩顶采用稳压封桩的方式使上部结构完成荷载的转换（见图3）。
第三步――楼板改造：采用现浇混凝土叠合板的方式，将预制楼板
3 施工技术简述
该工程施工的关键在于如何让原结构受力有效转换至新的结构体系中，主要的工艺主要有基础逆作法施工、新加框架、夹梁施工等。
（1）基础逆作法施工。先按常规基础做法制作天然柱下独立基础，其方法和一般建筑物施工相同（其中尤其注意：由于地基承载力差，须对天然地基进行夯实处理）。天然基础施工时，作用荷载应考虑上部框架自重、保留墙体重量、楼板自重、施工荷载等；在新做基础上预留锚桩孔、预埋锚杆，然后继续向上施工，待完成上部框架结构后利用校舍自重进行静压桩施工。
锚杆静压桩以其机动灵活、成本较低，施工简便等优点，在工程领域得到广泛的应用。锚杆静压桩适用于粘性土、粉土、砂土、填土等地质情况较为单一的地基。目前，其除广泛被应用于工程桩外，还特别应用于建筑物的纠偏、加固处理上。锚杆静压桩的施工质量直接影响到上部结构的稳定及维护结构的安全。因此，施工人员了解和掌握锚杆静压桩的施工工艺流程，认识其施工规律，抓住影响其质量的关键环节和关键因素，并采取有效的控制措施，对于提高和保证锚杆静压桩的成桩质量，提高工程建设的经济和社会效益都将产生积极的作用。锚杆静压桩施工主要分以下几个要点：
①压桩。锚杆静压桩采用分段压入、逐渐接长的施工工艺，按以下步骤实施：a.安装压桩架：压桩架要稳定牢固，满足静压反力的要求，压桩架是安装在固定于基础上的锚杆上，压桩架的水平梁安装要保持水平。这样，可使桩始终处于轴心受压状态。b.起吊桩身，就位桩孔：把满足强度的合格桩身吊起后，就位桩孔。由于锚杆静压桩的桩孔和桩身的截面较小，一般为250mm×250mm，桩身和桩孔的误差控制要严格。否则，会发生桩身和桩孔不吻合，影响压桩质量。桩身就位时要校正，保证桩身垂直。c.压桩：桩身就位并经校正后，开始压桩。先轻压固定后，然后连续施压，当桩压至一定深度，满足接桩施工后停止施压，然后接桩。
②接桩。接桩有焊接法及浆锚法，现行多采用焊接法。接桩施工中，应保持上下节桩的轴线一致，并尽量缩短接桩时间。采用焊接法时，应两人同时对角对称地进行焊接，焊缝应连续饱满，并填满桩端处缝隙，以防止节点变形而引起桩身歪斜。
③封桩。封桩是指桩与基础的连接，是桩基施工关键工序之一，采用不卸荷的封桩，即稳压封桩更有利于原楼房荷载的转换，因此必须认真进行。稳压封桩包括以下几个步骤：a.桩孔处理：桩孔处理包括砍桩头、找平桩头、凿毛孔壁、清洗桩孔、清除孔内杂物。当桩顶未压至设计标高时，需对外露的桩头进行切除，切割桩头前应先用楔块把桩固定住，然后用风镐破桩头；露出的钢筋可不用切割，直接伸入桩帽中，以加强静压桩在基础中的锚固作用；严禁在悬臂情况下乱砍桩头，以免影响桩身质量；桩头找平是为了使垫块完全接触桩头，更好地传力，施工时可用砂浆或硫磺胶泥找平，在找平层达到强度要求后方可加压；清洗桩孔可用清水，清除孔内杂物一般主要是清除砍桩头时掉落孔内的混凝土块、泥土等，桩孔处理后方可进行下一工序施工。b.加载：千斤顶的压力通过反力架和锚杆提供的反力传给压板、垫块和静压桩，随着压力的增大、桩沉降量的增加，直到达到设计要求的稳压值。c.浇筑封桩混凝土：浇筑前必须先抽干孔内积水，以保证混凝土塌落度和强度。采用微膨胀早强混凝土，一次性浇筑完整个桩帽；用振动棒振动时不能靠近垫块和压板振动，应避免垫块失稳或下螺母松动导致不卸荷失效；当封桩混凝土达到设计强度后，静压桩和原基础完全连成一体，原基础的部分荷载直接传给静压桩，不卸荷封桩也达到了目的，最后卸除千斤顶。
（2）新加框架、夹梁施工
①临时卸荷支撑。新加钢筋混凝土框架施工必须先对原有墙体或楼板进行开槽，因此其施工关键在于施工过程中必须对原结构采取有效地支撑保护。施工前，采用满堂钢管支撑对楼房进行临时卸荷支顶；采取分批相邻跳开的施工顺序，待前一批构件混凝土达到70%强度后方可进行下一批构件的施工；施工中，在位于房屋关键部位如四角处、中部或转角处设置沉降观测点，边施工边观测，一旦发现楼房沉降超过允许限值或出现构件开裂等现象，应马上停止施工，并采取回顶及加固措施。
②植筋和界面处理。植筋和界面处理是使上部原结构荷载得以良好转换至新加结构的关键，因此该两个工序施工质量尤为重要。植筋施工方法和技术措施：a.钻孔：锚固长度根据设计图纸要求，孔径大于锚固钢筋直径至少4-6mm；b.用压力气流结合毛刷将孔内粉尘砂粒等清洗干净；c.将配制好的植筋胶塞入孔洞内，孔内胶量以插入钢筋后溢出少许为度，然后将钢筋插入孔内，并用重锤打入直至锚固深度；d.植筋时，其钢筋宜先焊后种植；若有困难而必须后焊，其焊接点距基材混凝土表面应大于15d，且应采用冰水浸泽的湿毛巾包裹植筋根部。
界面处理的施工方法和技术措施：a.将原混凝土表面凿毛约10mm，如果旧混凝土表面己软化、风化、变质、严重破坏时，一般应尽量消除彻底，直至露出坚实层为止；b.采用电稿结合手锤凿子手工进行；c.用清水、钢刷等将结合面上的泥土和浮尘等刷洗干净，并充分湿润，保证浇捣混凝土时界面是湿润的；d.浇筑混凝土前，应在结合面上涂刷界面剂。
4 结语
整个工程历时三个多月，造价约100万元，旧校舍焕然一新，较拆除重建省时省费用，取得了较好的经济效益。以上工程实例通过结构体系改造进行校舍的抗震加固，既考虑了建筑物的实际情况，又满足抗震加固规范要求，使加固后的建筑物抗震性能良好，满足使用要求，延长使用年限；同时，加固工艺实用可行、节省造价，性价比较高，并为学校营造出安全、舒适的教育环境。
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