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对建筑改建加固工程结构设计与施工技术的探讨
摘要：本文根据建筑改建加固工程的实际情况及工程的特点，对工程加固改违结构设计和结构改建加固施工技术进行了全面的阐述。
关键词：改建加固工程;地下室;结构设计;施工技术
1、工程概况
本工程为全地下建筑，总建筑面积40400mz，建筑物底面积为26366.14m ，由大庆市城建开发设计院设计，已建主体工程由大庆龙田建设开发有限公司施工。本工程于2002年1 1月主体结构施工完工后，因进入冬季而停止井点降水，主体结构抗浮措施不足，在2003年3—4月之间发现建筑物出现不均匀上浮，建筑物中部上拱比四周大，高差约800ram.后采取了一些措施，包括进行了浇筑毛石混凝土、加高顶部填土层和砌筑370砖墙等配重施工。地下室经过上浮及下沉两过程引起地下室结构及基础较为复杂的破坏，现建筑物由于内部渗漏水严重，墙、板、柱等均存在裂缝损伤现象。
2、工程加固改造结构设计
2.1抗浮验算《哈尔滨中建建筑设计有限公司2005—81岩土工程勘察报告》中指出，1998年最高地下水位为148.25m，已超过了该工程的顶标高147.10m，因此地下最高水位按地下商业广场顶标高计算。
按抗浮单元分别验算：
(1)商铺部分(6x6m)1.2*F浮力=3326KN G自重=1886KN自重包括：顶板覆土重，基础底板(梁)、两层楼板(梁)、框架柱、面层重。抗浮差为1441KN。
(2)商铺边跨部分(6x3m)1.2*F浮力：1663KN G自重：1682KN自重包括：顶板覆土重，基础底板(梁)、两层楼板(梁)、外墙(考虑地下二层新增加150ram厚结构层)、框架柱、面层重。抗浮满足要求。
(3)商业大厅部分(12xl2rn)1.2*F浮力=13478KN G自重=8752KN自重包括：顶板覆土重，基础底板(梁)、顶板(梁)、框架柱、面层重。抗浮差为4726KN。
(4)下沉广场部分(12x12m)1.2*F浮力=13478KN G自重=6392KN自重包括：基础底板(梁)、顶板(梁)、框架柱、面层重。抗浮差为7086KN。
根据抗浮验算结果，建筑物整体和局部抗浮安全系数均不满足要求，必须进行抗浮加固处理，考虑到建筑净空要求，无法使用配重方案，故考虑采用锚杆静压桩做为抗拔桩或采用抗浮土层锚杆的方案。
锚杆静压桩截面250mmx250mmx16000nma，单桩抗拔承载力设计值为384KN。商铺部分(6x6m)采用一柱四桩，商业大厅部分 (12x12m)采用一柱十三桩，下沉广场部分(12x12m)采用一柱十八桩。总桩数估算为2380根，约2380立方米混凝土。
抗浮土层锚杆截面中350mmx20000mm，锚杆为2中36螺纹钢，抗拔承载力设计值为540KN。商铺部分每单元需三根锚杆，商业大厅部分每单元需九根锚杆，下沉广场部分每单元需十四根锚杆。
2.2结构构件验算
(1)基础筏板、基础梁基础筏板恒载55.5kN/m ，考虑水压力扣除筏板自重，活载根据商场考虑取5kN/m2o筏板、基础梁均不能满足强度计算要求，同时裂缝宽度超限，地下室渗水严重，不利于钢筋耐久性。凿除原有压重毛石混凝土，商场大厅部分新增350mm厚现浇钢筋混凝土基础板，周边商铺部分新增200mm厚现浇钢筋混凝土基础板，基础梁截面相应增加。
(2)框架柱《哈尔滨中建建筑设计有限公司2005—81岩土工程勘察报告》中指出：该地区抗震设防烈度为6。，设计基本地震加速度值为0.05g。周边商铺部分框架柱基本满足计算要求，仅对出现裂缝或垂直度偏差较大的柱，采取加固处理。中央大厅区域框架柱轴压比、承载力、冲切验算严重超限;部分框架柱垂直度偏差大，部分达到130mm。现将框架柱截面增加到900mmx900mm，植筋12中25纵筋。
(3)各层楼板、暗梁本工程地下商场的楼板及顶板均采用无梁空心楼盖，当时设计尚无标准可循，且后期配重又大幅增加了顶板荷载，覆土层厚度由 600mm增加到900ram超过了原设计重量，根据现行规范《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》(CECS175：2004)对各层空心楼板进行验算。楼板强度基本满足规范要求，暗梁配筋不足，需进行加固补强。结合工程实际，采用粘贴碳纤维方式为理想方案。周边商铺部分1200x250mm、 1200x300mm暗梁跨中须补钢筋面积约12era ，按粘贴一层碳纤维考虑;中央大厅部分1900x700mm暗梁跨中须补钢筋面积约30cmz，按粘贴二层碳纤维考虑。
(4)地下室剪力墙地下室外墙荷载考虑水土压力，地下一层外墙计算满足要求，地下二层外墙截面配筋均不能满足规范要求，外墙板出现贯通裂缝，渗水情况严重。现考虑新增150mm厚钢筋混凝土内衬墙，同时在两层结构墙中增设BAC湿铺法双面自粘防水卷材和SPU防水涂料，使地下商场达到长期良好使用的状态。
3、结构改建加固施工
3. 1毛石混凝土凿除为保证建筑物内部的净空，方便后续基础加固的实施，必须将原有内部配重——后加毛石混凝土层全部凿除，凿除可采用大型空压机或小型挖土机等机械配合人工清理的的方式进行，并运输到地面区域。
3.2井点降水为降低地下室底部水位，减轻地下室的上浮力，减小底板与基础持力层的空隙，应在底板抗浮加固前进行井点降水。采用轻型井点，在地下室外围埋设井点管深入含水层内，井点管的上端通过连接弯管与集水总管连接，集水总管再与真空泵和离心水泵相连，启动抽水设备，地下水便在真空泵吸力的作用下，经滤水管进入井点管和集水总管，排出空气后，由离心水泵的排水管排出，使地下水位降低到基础底板底以下。
3.3基础底板抗浮锚固
(1)锚杆静压桩锚杆静压桩可应用于新建或已建多层建筑物，适用于已建建筑物基础的不均匀沉降引起的上部结构的开裂或基础倾斜的托换，在本工程情况下，桩承受上拔力，连接接头应采用型钢焊接接头。采用锚杆静压桩受力较大且可靠，施工便捷，但开凿桩会对原结构产生一定影响。
(2)压桩施工顺序如下：清除毛石混凝土一开凿压桩孔与锚杆螺栓孔一埋设锚杆一安装反力架一吊装入位一压桩施工一记录压桩力与深度一接桩一压桩施工一达到设计要求拆除反力架一截桩头、焊接交叉钢筋、清理压桩孔、清洗孔壁一浇C30微膨胀早强混凝土。
(3)抗浮土层锚杆土层抗浮锚杆由锚杆和注浆材料组成，承受由地下水浮力产生的拉力，其锚固机理与普通近水平的锚杆有所不同，抗浮锚杆的间距小，单根锚杆承受的抗拔力小，基础底板上的受力均匀，且施工便捷。以是钢筋、钢丝束或钢铰线，注浆材料可采用水泥砂浆或水泥浆。在注浆材料达 糨度的，可进行锚杆张拉施加预应力，有效施加抗浮力。
3. 4基础底压密注浆根据检测结果，本工程自2003年上浮后，并未回落到原持力层土层上.地下室底板与地基之间发生脱离，形成局部空洞并充满着水或泥浆，因此目前地基土持力层是不可靠的，存在安全隐患。对于卸载后剩余的地下室底板与地基之间的孔洞可通过压密注浆进行填密施工予以解决，同时压密注浆也有利于基础筏板、基础梁下部裂缝修补，底钢筋的防锈。压密注浆应使缝隙填满、密实，且压力应适当，在与抗浮桩共同作用下保持原顶面标高基本保持不变。注浆加固正式施工前须进行试验以正确选择孔距、压力、浆液浓度等。根据现有资料，本工程注浆考虑深度：大厅部分1.1m，商铺部分0.7米。
压密注浆是指用较为稠密的水泥浆液灌人事先在地基土内钻进的孔中，注浆目的是为了对基础底面下的土体进行压密加固，以满足浅基础的天然地基承载力和反应模量的要求。
3. 5底板整浇层为增强地下室底板整体性及承载力、修补底板上浮产生的结构损伤及底板渗漏、并作为抗浮加固的锚固及保护层，可通过新增钢筋混凝土整浇加强层对底板进行辅助加固及防水处理。现考虑中部商业大厅新加钢筋混凝土底板，厚度350mm;周圈商铺新加钢筋混凝土底板，厚度200mm;底板基础梁也通过新加钢筋混凝土层相应加大截面。施工前应对底板破损及开裂处进行修补，裂缝部位进行压力灌浆，渗漏部位进行防水处理，原底板表面混凝土应凿毛并冲洗干净，表面涂界面剂，保证新老混凝土层结合。
3.6混凝土柱加固及修复本工程大商场区域框架柱长细比较大，且施工偏差较大造成垂直度超标，计算表明部分柱承载力不能满足要求，可采用加大截面或外包角钢方式进行加固处理。
(1)大截面法加大截面法是通过新配钢筋配合浇注混凝土、细石混凝土或灌浆料，通过增大构件的截面加固混凝土柱，可有效提高柱的承载力，加大柱的刚度，恢复柱的垂直度，缺点是施工周期较长，对建筑内空间有一定的减小。柱加固纵筋应钻孔植筋入原钢筋混凝土基础，采用专用锚固剂锚固。
(2)9包角钢法外包钢加固技术是将角钢、钢板箍通过胶栓与混凝土柱外表面固定后用专用结构胶封闭形成“空腔”，而后灌注高强建筑结构灌注专用胶使用钢板或型钢和原混凝土构件可靠地连结成一个整体，该方法可以大幅度提高建筑物构件的承载力，施工便捷，不占用空间，缺点是施工费用稍高，无法改变柱本身的垂直偏差，适用于垂直度较好的柱。
3.7混凝土板加固及修复碳纤维具有优异的物理力学性能，常用碳纤维的抗拉强度大于3000Mpa，为建筑用钢的十几倍，弹性模量和建筑用钢处于同一水平上。碳纤维复合材料具有自重轻、施工快捷、日常维护费用低等特点，再加上其优异的物理力学性能，是一种很好的结构加固补强材料。
3. 8钢筋混凝土墙、柱、板裂缝及损伤修复根据相关检测报告。首先对已产生的裂缝按照裂缝的宽度进行分类，对于不同分类的裂缝采用各种针对性的技术进行修补。对于宽度大于O.1mm小于0.2mm的裂缝，采用涂抹浇灌法施工;对于宽度大于O.2mm的裂缝拟采用低压环氧灌浆法进行施工;对于混凝土表面的损伤、剥落进行除锈及修补。另外对裂缝数量较多、区域比较集中的构件，对裂缝进行封闭或灌浆处理后，再在混凝土表面粘贴纤维布以增强封护作用。
4、结束语
地下室的设计应遵循安全、适用和合理的原则，合理的设计是前提，规范安全的施工是准绳，只有在参建各方的通力合作下，不断地进行探索和创新，才能更加合理、有效地开发和利用地下空间。
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