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建筑，位于漢口江漢路與中山大道路口，始建于二十世紀初（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（局部兩層），地上四層，建筑面積4939.48m2。原設(shè)計圖紙和相關(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)二十世紀多個年代的改建擴建，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)象嚴重，輕敲時混凝土即脫落；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、離析。另外，有一些梁板混凝土嚴重剝落，鋼筋外漏且嚴重銹蝕甚至出現(xiàn)多出貫穿樓板的裂縫，表面裂縫在1~10mm之間。
按現(xiàn)行標準檢測，一至四層沙漿強度均低于M7.5，且碳化深度大于3mm。砌塊磚抗壓強度平均值小于MU15，單磚最小抗壓強度為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)混凝土強度低于現(xiàn)行規(guī)范C20要求，其中有部分構(gòu)件混凝土強度低于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)檢測綜合評定為局部危房，應(yīng)立即對其進行全面 的檢測，對危險點進行加固排危。
2 建筑加固設(shè)計和計算基本原理
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)件中實際上已存在一定的應(yīng)力，而新增部分在剛開始時基本是處于無應(yīng)力狀態(tài)的,因此在改善提高結(jié)構(gòu)某方面的性能時，有可能對結(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單位，因此該大樓的設(shè)計要求與其他普通大樓加固方案有所不同，該設(shè)計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)計確定將該建筑物原“地下室磚墻承重→一層局部內(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（簡稱“三重連接”加固法）。[3]
2.3加固設(shè)計及構(gòu)造大樣
2.3.1 梁柱外包鋼加固沒計
對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
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縱橫交錯的鋼筋網(wǎng)以加強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
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算方法
a）單元劃分 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)計的計算理論，是按照平截面假定對加固后大樓梁、柱正截面承載力進行驗算，并且按照現(xiàn)行的國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對加固的外包角鋼及鋼板乘以強度降低系數(shù)0.9。
（1） 將截面劃分為有限多個混凝土單元、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，順時針方向取正號；
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，按下列公式進行承載力計算：
N≤ （g）
Mx≤
（h）
My≤
（i）
式中：
N─軸向壓力設(shè)計值，壓力取正，拉力取負；
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加固效果的驗證數(shù)據(jù)資料成果及分析
3.1 理論計算的數(shù)據(jù)資料成果
加固之后按照施工驗收規(guī)范，對該樓的補強加固質(zhì)量進行了常規(guī)的檢測。并對部分重要的或有代表性的關(guān)鍵構(gòu)件（梁、板、柱等）進行了補強加固的應(yīng)證試驗。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)點圖
對于加固后的大樓結(jié)構(gòu)，對大樓進行的常規(guī)檢測結(jié)果表明各梁、柱、樓板及砌體的承載力均滿足設(shè)計要求。
另外我們對加固后大樓部分關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了理論計算，構(gòu)件截面剛度可近似按下式計算： （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)對大樓構(gòu)件用材料力學(xué)的計算方法對大樓構(gòu)件進行計算。理論計算值和荷載試驗實測值見表1、表2及圖9。
3.2現(xiàn)場靜載試驗的數(shù)據(jù)資料成果
按照設(shè)計要求，對部分構(gòu)件進行了靜荷載試驗。地下室荷載取550kg/m2，一至四層荷載取350 kg/m2。加載分5級，卸載分2級。靜荷載試驗結(jié)果見下表1、表2及圖8、圖9。
加固后板中撓度理論計算值與實測值對比 表1 驗算單元 計算值（mm） 實測值（mm） 計算值/實測值 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算值與實測值對比 表2 驗算單元 計算值（mm） 實測值（mm） 計算值/實測值 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)件在分級加載時的理論計算和試驗實測變化曲線：

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理論計算值和試驗測試曲線

圖9 靜荷載試驗測得組合結(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)于理論值與實測值的差異
從上表1、表2和圖7可以看出無論是從理論計算還是試驗實測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。因受試驗荷載的限制，所測得的應(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)變須作進一步研究。
從上表1、表2中理論計算值和試驗實測值可以看出，計算值和實測值基本上算是吻合，但還是存在一些誤差。梁板跨中的理論計算值均低于試驗實測值。梁板的理論計算是在假設(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。因此在實際的載荷試驗中，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算和實測的吻合性的，試驗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)場試驗重點部位，加固前，該板其中兩個角部混凝土嚴重剝落，鋼筋外漏，銹蝕嚴重，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，理論計算和實測結(jié)構(gòu)相當(dāng)吻合，只是現(xiàn)場靜力試驗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梁的理論計算和試驗實測結(jié)構(gòu)基本吻合，且回彈比較理想。圖8d所示三層4/C-D梁的理論計算和試驗測試結(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一段時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，所以在加載時梁的變形較沒有砌體墻時慢，回彈時更是如此，當(dāng)荷載卸下來時，上面砌體的變形并不能馬上或是在較短的時間內(nèi)恢復(fù)，而且此時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)場試驗數(shù)據(jù)成果與資料信息的綜合計算分析，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）用純鋼框架模型對加固后的構(gòu)件進行計算，對部分重要的或有代表性的關(guān)鍵構(gòu)件（梁、板、柱等）進行了現(xiàn)場靜載荷試驗，結(jié)果表明該大樓工程加固效果達到設(shè)計要求，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)濟效益。
本次試驗過程中得到深圳市華劍裝飾設(shè)計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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