0 概述

　　 随着社会经济进步和人民生活水平的逐渐提高，老旧建筑的布局已经不能满足新的使用功能上的需求，因此就需要对现有建筑进行加固和改造。多层砖砌体结构房屋在老旧建筑中所占比例较大，在改造过程中经常会碰到为改善使用功能，对砖砌体结构房屋进行扩大内部建筑空间的改造。同时因老旧砌体结构建筑的设计标准低，抗震性能较弱，所以为了满足目前的抗震设防要求，应结合建筑改造同时对老旧建筑进行抗震加固。本文结合某砖混结构改造项目对砌体结构抗震加固及改造设计进行介绍。

　　 该项目位于北京望京地区，建筑面积为4 232m²。该楼设计完成于1990年，1994年竣工。地下1层、地上5层，为砌体结构房屋。抗震设防烈度8度 (0.20g) ;场地土类别Ⅲ类;建筑抗震设防类别为丙类。

　　 该楼总长度为64.48m，总宽度为12.78m，建筑总高度为16.80m;地下一层层高为3.00m，首层层高为3.60m，二至五层层高均为3.00m;外墙厚为370mm，内墙厚为240mm (局部厚为370mm) ，采用烧结普通砖及混合砂浆砌筑;纵横墙承重体系;地基为天然地基，基础形式为筏板基础，筏板厚为400mm (局部为700mm) ;楼屋盖为现浇钢筋混凝土楼板，局部采用130mm厚短向预制圆孔板。原建筑首层平面布置如图1所示。

　　 按照《建筑抗震鉴定标准》 (GB 50023—2009) ^[1]要求，对该项目按照B类建筑各项要求进行检测及抗震鉴定，主要检测结果见表1，抗震措施鉴定结果见表2。抗震性能验算结果如下:1) 地下一层墙体抗震验算满足标准要求;2) 首层至四层大部分墙体抗震验算不满足标准要求;3) 五层墙体抗震验算满足标准要求。结构抗震性能鉴定结论为:该楼经加固处理后，才能正常安全使用。

　　 后续使用年限是对现有建筑经抗震鉴定后继续使用所“约定”的一个时期，在这个时期内，建筑不需要重新鉴定和相应加固就能按预期目的使用、完成预定功能。后续使用年限选取直接影响既有建筑抗震鉴定方法及最后的鉴定结论，也是影响加固改造成本的主要因素之一。不同的后续使用年限也对应着不同设计计算参数，例如，根据《建筑抗震鉴定标准》 (GB 50023—2009) 在计算楼层平均抗震能力指数 (式 (1) ) 时，不同的后续使用年限，采用不同的烈度影响系数λ (表3) ，抗震能力指数和烈度影响系数成反比。

　　 式中:β_i为第i楼层纵向或横向墙体平均抗震能力指数;A_i为第i楼层纵向或横向抗震墙在层高1/2处净截面面积;A_bi为建筑平面面积;ξ_0i为第i楼层纵向或横向抗震墙的基准面积率。

　　 本项目采用PKPM推出的建筑抗震鉴定和加固设计软件计算，表4～7列出了采用不同设计使用年限时，不同楼层的平均抗震能力指数、综合抗震能力指数的计算结果 (首层及标准层开洞改造后计算模型) 。表8为不同设计使用年限对应的墙体加固工程量对比。

　　 从表4～7对比可见，按照后续使用年限为30年计算的平均抗震能力指数和综合抗震能力指数是按照后续使用年限为40年计算结果的约1.33倍。这个结果和8度时，后续使用年限为30年和40年的地震烈度影响系数比值相同。后续使用30年的结构墙体加固数量为后续使用年限为40年的75%左右 (表8) 。

　　 此外，值得注意的是，这个结果并不代表后续使用年限为30年的建筑比后续使用年限为40年的建筑抗震设防目标低，后续使用年限为30年或者40年的抗震设防目标均是“小震不坏，中震可修，大震不到”，只是后续使用年限为30年的建筑在遭遇地震时受损程度会略重于后续使用年限为40年的建筑。

　　 本项目建造年代为90年代初期，竣工于1994年，根据该项目原始图纸及抗震措施鉴定结果，判断该项目设计标准采用“89系列规范”，经和业主方沟通后，并根据现场检测结果，最后确定该项目后续使用年限为40年。

　　 多层砌体房屋主要有以下加固方法:1) 隔震技术加固;2) 外套结构加固;3) 墙体面层加固，其中又细分为:水泥砂浆面层加固方法、钢筋网砂浆面层加固法、钢绞线-聚合物砂浆面层、钢筋混凝土板墙加固的方法。

　　 隔震技术把上部结构和下部基础用隔震装置隔离，减少输入上部结构的能量，地震能量由隔震层吸收或隔绝。文献[2]用此种方法对某中学宿舍楼进行加固，并取得了很好的效果。外套结构加固方法在既有建筑横向和纵向增设现浇或者装配式钢筋混凝土墙，从而使之形成外套结构与既有结构紧密结合、协同受力，控制老结构的变形模式，从整体上改变了原结构抗震不利的动力特征^[3]。针对本项目，由于场地限制，无法在建筑四周设置隔震沟，故没采用基础隔震加固方案。对于外套结构加固方案，由于对原有建筑立面效果影响较大，故也没采用此方案。

　　 由于原墙体砂浆强度等级均大于M5.0 (推定值) ，当采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层加固方法时，依据《建筑抗震加固技术规程》 (JGJ 116—2009) ^[4]以及北京市地方标准《建筑抗震加固技术规程》 (DB 11/689—2016) ^[5]中第5.3.2条“原砌体实际的砌筑砂浆强度等级不宜高于M2.5”，故本方法不适用于该项目。

　　 此外，当采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层加固方法及钢绞线-聚合物砂浆面层加固法在计算加固后综合抗震能力指数时，需按线性插值法取面层加固的基准增强系数，该系数随着原墙体砂浆强度等级的增加而减小。当原墙体砂浆强度等级高于M5.0时，基准增强系数插值结果为1.0，故对于综合抗震能力指数的提升作用较小。因此最终加固方案采用钢筋混凝土板墙加固。

　　 本项目普遍采用60mm厚单面钢筋混凝土板墙加固，局部采用双面钢筋混凝土板墙加固 (每侧各60mm) 。加固范围从地下一层至五层，墙体加固量逐层递减，二层、三层墙体加固平面见图2。楼层平均抗震能力指数及楼层综合抗震能力指数对比结果见表9～12。

　　 加固前墙体的楼层平均抗震能力指数在首层位置小于1.0，二至四层略大于1.0，五层接近2.0。而楼层综合抗震能力指数从首层至四层范围均小于1.0，五层为1.5左右，首层至四层墙体不满足抗震能力要求，采用单面 (局部为双面) 钢筋混凝土板墙加固后，各层墙体的楼层平均抗震能力指数、综合抗震能力指数均大于1.0，满足抗震能力要求。加固做法见图3～5。

　　 钢筋混凝土板墙加固方法按下列顺序施工:原有墙体清底、钻孔并用水冲刷、待孔内干燥后安设锚筋并铺设钢筋网，浇水润湿墙面，喷射混凝土。施工过程中需注意:1) 原墙面清底需去除原抹灰层，当原墙面酥碱严重时应清除松散部分，已松动的勾缝砂浆应予剔除，严重破损部分应局部拆除重砌。2) 钻孔时要求“S”形拉筋的孔径比钢筋直径大2mm, “L”形拉筋的孔径为钢筋1.5～2.5倍;钻孔完毕后，应清孔后再注入结构胶，之后插入拉结筋，待结构胶到一定强度后再开始绑钢筋网。所用钢筋应除污锈，钢筋网应与墙体连接牢固，确保后期喷射混凝土时钢筋网不晃动。3) 喷射混凝土施工作业应分段分片、自下而上依次进行。面层施工后应注意检查不得有空鼓、干缩裂缝及露筋现象。

　　 根据新的功能需求，需要在部分墙体开洞，扩大室内空间，开洞位置如下:1) 在首层至五层范围，对 (8) 轴、 (10) 轴、 (11) 轴、 (12) 轴墙体开大洞。2) 仅在首层对 (18) 轴墙体开大洞 (图1) 。

　　 本项目采用双梁托换墙体技术 (图6～8) 来实现这个功能需求。托换梁的作用是将上部荷载传给两侧增设的混凝土壁柱 (图9) ，之后传至基础。托换双梁设置于各层楼板之下的砖墙两侧，端部支撑在原砖墙墙垛处 (墙垛采取相应加固措施) ，砖墙荷载通过肩梁 (图10) 传递至托换双梁，肩梁除起传递荷载作用外，还可增强双梁之间的拉结，使双梁、保留的承重墙体形成整体。

　　 对于上文中第一种开洞情况 (由上及下连续拆除各层相同轴号的墙体) ，计算混凝土托换梁时取两端铰接模型，托换梁只承担本层的楼面荷载，托换梁截面宽度取240mm (每侧宽度各120mm) ，截面高度取380mm (图7) 。

　　 对于上文中第二种开洞情况 (仅在首层拆除部分墙体) ，这时混凝土托换梁不仅承担本层楼面荷载，还承担上部二至五层的墙体荷载，混凝土托换梁计算模型按照墙梁计算。截面验算时，托换梁截面宽度按280mm (每侧宽度各140mm) ，截面高度按700mm取值 (图8) 。

　　 对于肩梁，由于肩梁起到把上部各层荷载传递给两侧托梁的作用，设计时应重点加强。本项目按如下方法进行计算:肩梁计算简图取简支在两侧托梁的简支梁模型，肩梁计算跨度取两侧托梁中心间距 (图11) 。肩梁上荷载为上部墙梁传来荷载，并近似为集中力P作用在肩梁跨中位置。该集中力P等于由肩梁承托的上部墙梁的支座反力R，其计算方法为:假定上部墙体及该楼层标高位置的圈梁为支撑在肩梁上的连续墙梁，连续墙梁的计算跨度取肩梁间净跨的1.1倍或肩梁中心距离的较小值 (图12) ，连续墙梁计算方法按照《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) ^[6]中连续墙梁相关公式进行计算。为统一肩梁配筋、简化设计，集中力P可取支座反力R₂～R₅最大值。此外，还需验算原结构圈梁作为连续墙梁的下托梁时的抗弯承载力及抗剪承载力是否满足要求。

　　 对于肩梁，由于传递上部墙体传来的集中荷载，除了正常配置的纵筋及箍筋外，建议增设吊筋 (图8, 10) 。对于两侧托换梁，应注意在肩梁两侧范围设置附加箍筋。

　　 由于墙体开洞后，局部墙体刚度被削弱，将增大周围相关构件内力，表13, 14列出了地震作用下开洞墙体周围的其他墙体改造前后的剪力结果的对比。

　　 双梁托换施工顺序应先自下向上进行加固，之后自上向下拆除，本项目具体如下:1) 进行地下一层壁柱及混凝土板墙施工，竖向钢筋下端植入原基础筏板，上端需穿过地下一层顶板，与首层竖向钢筋连接;2) 进行首层壁柱施工;3) 在首层拟拆除的墙顶部间隔凿孔，安装肩梁钢筋;4) 剔除双托梁范围内墙体抹灰及相关楼板底面抹灰，原混凝土表面需要凿毛;5) 在拟拆除墙体两侧绑扎托梁钢筋，在楼板上间隔剔凿混凝土灌注孔，浇筑托梁、肩梁及托梁梁高范围内壁柱混凝土;6) 按顺序2) ～5) 施工二层至五层壁柱及托梁;7) 待各层混凝土达到强度后，自五层至首层拆除托梁下砌体墙;8) 托梁底部采用30mm厚加钢丝网抹灰。图13～15为现场工程实施

　　 地震作用下 (8) 轴、 (10) 轴、 (11) 轴交?轴～?轴处墙体剪力