1 建筑物工程概況
1.1大樓建筑與結(jié)構(gòu)特色
漢口中國(guó)銀行（前漢口大清銀行）是武漢市一幢有近百年歷史的文物保護(hù)建筑，位于漢口江漢路與中山大道路口，始建于二十世紀(jì)初（1908始建-1915落成），至今已有近百年的歷史。大樓高38.8m，地下室一層（局部?jī)蓪樱?，地上四層，建筑面積4939.48m2。原設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)施工資料目前已不復(fù)存在。
該樓呈四方形,氣宇軒昂,古典風(fēng)格突出，是一種典型的歐洲古典和現(xiàn)代風(fēng)格相結(jié)合的建筑物。中國(guó)銀行的立面圖,見圖1。
該樓主體結(jié)構(gòu)體系傳力途徑復(fù)雜，其主體為磚砌體加局部框架承重的混合結(jié)構(gòu)體系。地下室主要由磚墻砌體承重，地下室頂板采用混凝土現(xiàn)澆；一層局部采用混凝土框架，混凝土柱主筋采用螺紋鋼和方鋼；二～四層磚墻承重，一、二層樓板為鋼梁——木或混凝土梁——木組合結(jié)構(gòu)，三、四層為混凝
圖1 漢口中國(guó)銀行大樓立面造型
土板；從而形成整體的混合結(jié)構(gòu)體系。
1.2建筑健康狀況
在歷經(jīng)二十世紀(jì)多個(gè)年代的改建擴(kuò)建，再加上近百年的使用，該建筑物混凝土和砌體已經(jīng)老化，存在較多隱患；多處混凝土梁、柱、板，以及木梁等都有不同程度的腐蝕和損壞；局部混凝土板、梁和柱的混凝土蜂窩現(xiàn)象嚴(yán)重，輕敲時(shí)混凝土即脫落；梁身混凝土夾泥較多，部分位置夾有磚頭，且局部混凝土振搗不實(shí)、離析。另外，有一些梁板混凝土嚴(yán)重剝落，鋼筋外漏且嚴(yán)重銹蝕甚至出現(xiàn)多出貫穿樓板的裂縫，表面裂縫在1~10mm之間。
按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，一至四層沙漿強(qiáng)度均低于M7.5，且碳化深度大于3mm。砌塊磚抗壓強(qiáng)度平均值小于MU15，單磚最小抗壓強(qiáng)度為4.7MPa。局部承重墻也受到剪切破壞，出現(xiàn)貫穿的裂縫。在抽檢的混凝土柱中，幾乎所有的混凝土強(qiáng)度都低于現(xiàn)行規(guī)范C20要求；抽檢的混凝土梁中大多數(shù)混凝土強(qiáng)度低于現(xiàn)行規(guī)范C20要求，其中有部分構(gòu)件混凝土強(qiáng)度低于C15。梁、柱混凝土表面已經(jīng)完全碳化，碳化深度為60-130mm。
由于該大樓使用年限已大大超出設(shè)計(jì)年限，房屋混凝土和砌體已經(jīng)老化，存在較多安全隱患，經(jīng)檢測(cè)綜合評(píng)定為局部危房，應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行全面 的檢測(cè)，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行加固排危。
2 建筑加固設(shè)計(jì)和計(jì)算基本原理
2.1修繕與加固的基本原則
維修和加固是針對(duì)已建成和投入使用的建筑物而言的，它存在特有的共同作用問題和應(yīng)力滯后現(xiàn)象，加固前構(gòu)件中實(shí)際上已存在一定的應(yīng)力，而新增部分在剛開始時(shí)基本是處于無應(yīng)力狀態(tài)的,因此在改善提高結(jié)構(gòu)某方面的性能時(shí)，有可能對(duì)結(jié)構(gòu)其他方面的性能造成不利影響。
另外在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)維修、加固中，首先應(yīng)保證原有結(jié)構(gòu)的性能得到有效的改善和提高，滿足可靠度要求，同時(shí)還要考慮到施工條件、施工工期、使用要求、加固成本等因素。
2.2大樓新的結(jié)構(gòu)體系
由于該大樓為武漢市文物保護(hù)單位，因此該大樓的設(shè)計(jì)要求與其他普通大樓加固方案有所不同，該設(shè)計(jì)要求保持原有建筑的風(fēng)格，保持原有結(jié)構(gòu)的截面及尺寸大小等。設(shè)計(jì)確定將該建筑物原“地下室磚墻承重→一層局部?jī)?nèi)框架→二~四層磚墻承重→整體混合結(jié)構(gòu)體系”，改造成“地下室磚墻承重（隱含小柱網(wǎng)鋼框架）→一層組合式鋼框架→二~四層磚墻承重（隱含鋼框架）→整體鋼框架體系”新的結(jié)構(gòu)體系。
加固方法采用“三重連接”法。即先用粘結(jié)內(nèi)脹螺栓將鋼板（或型鋼）緊固于混凝土、或者磚砌體構(gòu)件表面，再將鋼板（或型鋼）焊接，最后將結(jié)構(gòu)膠灌注于鋼板與混凝土之間的加固技術(shù)，稱之為：外包鋼“錨固—焊接—粘結(jié)”三重連接加固法（簡(jiǎn)稱“三重連接”加固法）。[3]
2.3加固設(shè)計(jì)及構(gòu)造大樣
2.3.1 梁柱外包鋼加固沒計(jì)
對(duì)于正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力均不滿足規(guī)范要求的縱橫框架梁及次梁，一般采用外包鋼加固，布置及構(gòu)造詳見圖2。外包角鋼、錨固角鋼、綴板與梁混凝土結(jié)合面間灌注武漢大筑建筑科技有限公司生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)膠。
圖2 梁柱框架三重連接加固法及詳圖
2.3.2 磚砌體加固設(shè)計(jì)
地下室主要是采用磚墻承重，為了不影響美觀，采用外包鋼板組合柱加固。地下室內(nèi)墻面釘Ф10@200縱橫交錯(cuò)的鋼筋網(wǎng)以加強(qiáng)墻面的承載力和抗震能力。地下室承重墻縱橫方向均設(shè)置鋼夾板梁，以提高墻體的整體抗震性能和承載力。其設(shè)計(jì)加固詳見圖3。一樓磚拱墻加固圖見圖4。
2.3.3 木樓板加固沒計(jì)
考慮到原一、二樓木樓板損傷，在原木樓板枕木底下加工字鋼頂托（見圖5），以提其的承載力。
a) 地下室承重磚墻加固詳圖
b) T形連接頂部加固詳圖 c) 十字連接頂部加固詳圖
d) T字連接底部加固詳圖 e) 十字連接底部加固詳圖
圖3地下室承重磚墻三重連接加固及詳圖
圖4 一層室內(nèi)磚拱墻體加固大樣

a） 木樓板三重連接加固圖
b) 邊木樓枕木加固大樣 c) 中間木樓枕木加固大樣
圖5 加固后木樓板大樣圖
2.4 梁柱正截面承載力計(jì)算方法
a）單元?jiǎng)澐?b）應(yīng)變分布 c)應(yīng)力分布
圖7 正接面承載力一般受力情況
本次加固設(shè)計(jì)的計(jì)算理論，是按照平截面假定對(duì)加固后大樓梁、柱正截面承載力進(jìn)行驗(yàn)算，并且按照現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)加固的外包角鋼及鋼板乘以強(qiáng)度降低系數(shù)0.9。
（1） 將截面劃分為有限多個(gè)混凝土單元、原有鋼筋單元和加固型鋼單元，并近似取單元內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力為均勻分布（圖6），其合力點(diǎn)在單元形心；
（a）
（b）
（c）
= /xn （d）
式中：
、 、 ─分別為混凝土單元、原有鋼筋單元和加固型鋼單元的應(yīng)變；
x、y─各單元重心到y(tǒng)軸和x軸的距離；
─正截面承載力極限狀態(tài)的截面極限曲率；
θ─中和軸與x軸的夾角，順時(shí)針方向取正號(hào)；
xn─中和軸至最外側(cè)受壓邊緣的距離。
（2）混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線：
上升段：
， ≤ （e）
下降段：
, < ≤ （f）
（3）根據(jù)截面軸力和彎矩平衡條件，按下列公式進(jìn)行承載力計(jì)算：
N≤ （g）
Mx≤
（h）
My≤
（i）
式中：
N─軸向壓力設(shè)計(jì)值，壓力取正，拉力取負(fù)；
Mx、My─考慮了結(jié)構(gòu)側(cè)移、構(gòu)件撓曲和附加偏心矩引起的附加彎矩后，分別在截面x軸和y軸的彎矩設(shè)計(jì)值；
、 、 ─分別為混凝土單元、原有鋼筋單元和加固型鋼單元的應(yīng)力；
、 、 ─分別為混凝土單元、原有鋼筋單元和加固型鋼單元的截面面積；
r ─ 截面形心到中和軸的距離。
3加固效果的驗(yàn)證數(shù)據(jù)資料成果及分析
3.1 理論計(jì)算的數(shù)據(jù)資料成果
加固之后按照施工驗(yàn)收規(guī)范，對(duì)該樓的補(bǔ)強(qiáng)加固質(zhì)量進(jìn)行了常規(guī)的檢測(cè)。并對(duì)部分重要的或有代表性的關(guān)鍵構(gòu)件（梁、板、柱等）進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固的應(yīng)證試驗(yàn)。圖7為一樓加固之后的效果圖。
圖7 加固后一層柱、梁、木樓板及節(jié)點(diǎn)圖
對(duì)于加固后的大樓結(jié)構(gòu)，對(duì)大樓進(jìn)行的常規(guī)檢測(cè)結(jié)果表明各梁、柱、樓板及砌體的承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。
另外我們對(duì)加固后大樓部分關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了理論計(jì)算，構(gòu)件截面剛度可近似按下式計(jì)算： （j）
式中：
—原有構(gòu)件混凝土彈性模量；
—原有構(gòu)件截面慣性矩；
—加固型鋼彈性模量；
—加固構(gòu)件一側(cè)外包鋼截面面積；
—受拉與受壓兩側(cè)型鋼截面形心間的距離。
按照純鋼框架結(jié)構(gòu)對(duì)大樓構(gòu)件用材料力學(xué)的計(jì)算方法對(duì)大樓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。理論計(jì)算值和荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值見表1、表2及圖9。
3.2現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料成果
按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行了靜荷載試驗(yàn)。地下室荷載取550kg/m2，一至四層荷載取350 kg/m2。加載分5級(jí)，卸載分2級(jí)。靜荷載試驗(yàn)結(jié)果見下表1、表2及圖8、圖9。
加固后板中撓度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 表1 驗(yàn)算單元 計(jì)算值（mm） 實(shí)測(cè)值（mm） 計(jì)算值/實(shí)測(cè)值 荷載
kg/m2
地下室2-3/E-F板 2.34 2.57 0.91 550
地下室5-6/E-F板 1.69 2.19 0.77 550
一層2-3/E-F板 1.56 1.80 0.87 350
二層5-6/C-D板 1.77 2.01 0.88 350
三層3-4/E-F板 1.82 1.96 0.93 350
四層2-3/D-E板 0.97 1.23 0.79 350

加固后梁中撓度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 表2 驗(yàn)算單元 計(jì)算值（mm） 實(shí)測(cè)值（mm） 計(jì)算值/實(shí)測(cè)值 荷載
kg/m
地下室5/C-D梁 1.56 1.68 0.93 2750
地下室3-4/ H梁 1.37 1.53 0.90 700
一層3-4/E梁 1.19 1.43 0.83 1050
一層5/E-F梁 1.52 1.67 0.91 1750
二層6-7/G梁 1.18 1.25 0.94 700
三層4/C-D梁 1.26 1.43 0.88 1750

圖8為選取構(gòu)件在分級(jí)加載時(shí)的理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測(cè)變化曲線：

s /KPa
s /KPa





a)地下室2-3/E-F板中撓度 b)地下室5-6/C-D中撓度

s /KPa
s /KPa





c)一層5/E-F梁中撓度 d)三層4/C-D梁中撓度
圖8理論計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試曲線

圖9 靜荷載試驗(yàn)測(cè)得組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力——應(yīng)變曲線
3.3數(shù)據(jù)資料成果分析
3.3.1關(guān)于理論值與實(shí)測(cè)值的差異
從上表1、表2和圖7可以看出無論是從理論計(jì)算還是試驗(yàn)實(shí)測(cè)都表明大樓加固效果非常理想，各構(gòu)件的承載力均滿足要求，且有較大盈余。從圖9可知，加固后組合結(jié)構(gòu)的承載性能有較大的提高，加固效果明顯。因受試驗(yàn)荷載的限制，所測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線只得到其彈性階段的一部分，若要得到該組合結(jié)構(gòu)的完整應(yīng)力應(yīng)變須作進(jìn)一步研究。
從上表1、表2中理論計(jì)算值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值可以看出，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本上算是吻合，但還是存在一些誤差。梁板跨中的理論計(jì)算值均低于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值。梁板的理論計(jì)算是在假設(shè)加固的型鋼和原結(jié)構(gòu)是粘結(jié)完好，能完全共同作用的。因此在實(shí)際的載荷試驗(yàn)中，新加部分能不能和原結(jié)構(gòu)完全共同作用是直接影響計(jì)算和實(shí)測(cè)的吻合性的，試驗(yàn)表明新加部分并未完全與原結(jié)構(gòu)共同作用。
3.3.2 有關(guān)板的分析
地下室2-3/E-F板是本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)重點(diǎn)部位，加固前，該板其中兩個(gè)角部混凝土嚴(yán)重剝落，鋼筋外漏，銹蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了貫穿的裂縫，裂縫延伸有一米多，寬1~10mm。根據(jù)圖8a可見，理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)吻合，只是現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn)在卸載后并沒有完全回彈。由于加固前混凝土板斷裂，致使加固的型鋼和混凝土板連接不緊密，而在加上荷載后，加固型鋼和混凝土板結(jié)構(gòu)調(diào)整，使結(jié)構(gòu)受力更趨合理，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)回彈不是很好。而圖8b所示地下室5-6/C-D板加固前損傷較小，它的回彈就比較理想。
3.3.3有關(guān)梁的分析
從圖8c可以看出一層5/E-F梁的理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)基本吻合，且回彈比較理想。圖8d所示三層4/C-D梁的理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較一層5/E-F梁的結(jié)果吻合得少差一些，但基本還是吻合的。三層4/E-F梁在加載過程中就出現(xiàn)梁變形比較慢，所以每次加載后等較長(zhǎng)一段時(shí)間還是有緩慢的變形，而且如圖8d所示，該梁的回彈并不理想。該梁上面有砌體墻，所以在加載時(shí)梁的變形較沒有砌體墻時(shí)慢，回彈時(shí)更是如此，當(dāng)荷載卸下來時(shí)，上面砌體的變形并不能馬上或是在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，而且此時(shí)磚墻也形成了磚拱的作用，阻止了下面梁的回彈。
5 結(jié)論與探討
1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果與資料信息的綜合計(jì)算分析，將該建筑物改造成“整體隱形鋼框架體系”新結(jié)構(gòu)體系的加固設(shè)計(jì)是安全可靠的。
2）采用“三重連接” 加固方法，加固后結(jié)構(gòu)受力性能較加固前有較大提高。
3）用純鋼框架模型對(duì)加固后的構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)部分重要的或有代表性的關(guān)鍵構(gòu)件（梁、板、柱等）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果表明該大樓工程加固效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，大樓整體安全、可靠性滿足要求。
4）今后應(yīng)探討在加固工程中能否在加固前，對(duì)結(jié)構(gòu)盡量卸載或是采用預(yù)應(yīng)力加固，使加固前后構(gòu)件產(chǎn)生共同作用，這樣結(jié)構(gòu)就能處于最佳的工作狀態(tài)，在保證加固質(zhì)量的前提下有最好的經(jīng)濟(jì)效益。
本次試驗(yàn)過程中得到深圳市華劍裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司的大力支持，再次表示感謝。

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文章來源： 永年加固公司
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