城鎮老舊小區加固設計方法及施工關鍵技術研究

趙偉龍，王 靜，李永輝

（中交二公局第七工程有限公司，廣西 南寧 530201）

1 研究背景

由于木材易于取材的特性，我國逐漸發展并形成了木結構古建筑體系，并且在長時間演化下形成成熟的技術體系，經過大量應用和技術革新過程，構成了形勢復雜的鏈接構造，北宋官方編訂了用于指導建筑設計、施工的技術指南——《營造法式》。在地震作用下，由于節點之間摩擦耗散地震能量的作用，木結構較少出現倒塌性破壞，多因傾斜超過一定角度而導致不能夠安全使用[1]。但很多木結構隨著使用時間不斷疊加，加之受到各種自然因素或人為因素影響，出現了承載力和使用壽命嚴重降低的現象[2-3]。這將嚴重影響安全和古建筑文化的傳承。

對木結構構件的加固研究傾向于借助外部構建修復榫卯節點或進行加固，其中最常見的方式有：以扁鋼、角鋼或者弧形鋼板支撐拔榫的位置；對于破損的榫卯節點使用碳纖維布進行修復或者固定；直接使用鋼銷、馬口鐵或者扒釘固定等[4]。

薛自波[5]、徐明剛等[6]和周乾等[7]通過對碳纖維布加固下的木結構榫卯節點進行低周反復荷載作用下的試驗研究，計算構架以及榫卯節點骨架曲線以及滯回曲線，并深入分析修復及加固前后榫卯節點或者構架的剛度、承載力以及延性，結果顯示經加固后的效果良好。王建省等[8]對不同豎向荷載作用下有無碳纖維布加固時梁的抗震性能進行了分析。試驗結果表明：碳纖維布加固能夠顯著降低節點位移，推遲達到屈服位移的時間，同時提高節點承受極限荷載能力。Yang 等[9]對角鋼、木斜撐和雀替等方法加固的一榀木結構框架進行低周往復試驗，研究結果表明加固后較未加固的木結構框架表現出更好的抗震性能。Wu 等[10]對13 個榫頭表面附近安裝膠合鋼棒的直榫節點進行單調加載試驗，結果表明增加鋼棒嵌入長度、直徑、強度和減小鋼棒到榫頭表面的距離能提高節點的初始剛度和抗彎承載力。

本研究以呼北高速公路沿線木結構建筑為例，提出了城鎮老舊小區加固設計方法及施工關鍵技術。在研究的過程中形成了不同型式鋼構件加固木節點。面向施工過程，形成了兩類關鍵施工技術，為類似工程的施工提供了借鑒。最終在有限元模型中分析了不同形式的節點的抗震性能。

2 項目概況

本研究的工程項目廣西壯族自治區北海市鐵山港區興港鎮呼北高速公路沿線兩側，距離向海大道3～16 km 內。興港鎮大樹嶺、小馬頭、彬池村范圍內246 棟農房，南康鎮夏塘村147 棟農房，在原有農房基礎上進行坡屋頂和外墻立面改造。工程主要建設內容包括腳手架工程，農房外立面涂裝工程，屋頂房鋼結構、門窗、屋面及防水、保溫隔熱、天棚封閉等工程。該地區的木結構建筑存在變形、裂縫、蟲蛀等病害破壞問題，見圖1。此類病害破壞嚴重威脅了建筑的正常使用和承載力。

圖1 木結構的病害破壞形式

3 加固設計方法及施工技術

為了提高建筑的使用壽命，本研究設計了多種梁柱節點的加固形式。并在實際加固過程中，形成了腳手架工程關鍵施工工藝。

3.1 加固節點設計

針對不同的節點損傷情況，本研究共設計了4 種不同的加固節點，分別為中空矩形鋼板加固、T 型鋼板加固、帶三角加勁肋的卡槽式鋼構件加固和鋼板條加固。4 種不同鋼構件加固節點形式的鋼構件尺寸和加固示意圖見圖2。

圖2 4 種不同鋼構件加固節點形式的鋼構件尺寸和加固示意圖

3.2 關鍵施工技術

在項目的施工過程中，形成了腳手架工程施工[11]和屋頂鋼結構改造房施工[12]兩類關鍵施工技術和工藝流程。

3.2.1 腳手架工程施工

在加固施工的過程中，腳手架的施工過程最繁瑣和危險的。本研究面向整體施工過程，總結形成了腳手架搭設順序和連墻件設置方案，為工程施工提供安全保障，同時使相同類型工程具有一定參考。在施工過程中，形成了腳手架的布置與搭設順序：立桿→橫向水平桿→縱向水平桿→底部縱橫水平桿→縱向擱柵→鋪設竹笆→外側欄→剪刀撐、橫向斜撐→擋腳板→密目立網。

3.2.2 屋頂鋼結構改造房施工

在施工過程中，形成了屋頂鋼結構改造房的施工流程：鋼結構放樣、下料→鋼立柱安裝→鋼橫梁、鋼縱梁安裝→鋼桁架安裝→鋼檁條安裝→樹脂瓦屋面安裝→墻板、門、窗安裝→封檐板安裝→柱腳防水支墩澆筑→節點防銹漆。

在鋼立柱安裝過程中，主要存在以下2 項關鍵技術控制要點：一是將100 mm×100 mm×10 mm 的鍍鋅角鋼工廠下料為100 mm 長的腳碼，每個腳碼上各鉆4 個22 mm×30 mm 的長孔，根據現場位置將腳碼鉚焊在每根鋼立柱上，例如靠近女兒墻側處柱腳底面3 個、側面2 個，樓板中間立柱底面4 個。二是民房樓面彈線放樣柱腳位置，用干硬性砂漿對柱腳進行找平，劃好柱腳螺栓位置，用電錘鉆直徑22 mm、深度70 mm 的錨栓孔，人工將鋼立柱安放到對應位置，插入直徑20 mm 的不銹鋼螺桿，用螺母臨時固定。

在鋼桁架安裝過程中，形成了4 項關鍵技術控制要點：一是鋼桁架采用60 mm×40 mm×2.5 mm 的熱鍍鋅方鋼，搭設單層門式腳手架，人工安放縱向鋼桁架中心立桿，焊接牢固后，安放兩面坡或四面坡屋面斜桿，兩端焊接牢固，確保每榀鋼桁架處于同一平面。二是根據設計圖示安裝縱向桁架內各懸桿，要求懸桿端頭角度與斜桿匹配，各節點滿焊。三是設置橫向桁架上下懸桿，兩端焊接于縱向桁架中心立桿上，然后安裝縱向桁架內各腹桿。四是若房頂坡面為四面坡或六面坡還需設置斜向鋼桁架，做法與縱向鋼桁架相同。

4 節點力學性能分析

針對木結構榫卯節點，進行低周往復荷載作用下的力學性能分析。

1） 未加固節點的力學性能。在加載過程中，柱枋之間發生相對轉動，但其自身應力很小，基本保持完好狀態，變形和破壞主要發生在榫卯節點處。隨著往復位移幅值的增大，節點轉角逐漸變大，榫頭的上下表面的端部和頸部交替與卯口發生接觸擠壓，出現明顯的擠壓變形，且伴隨著木梁整體相對于卯口拔出。未加固節點的木柱木梁力學性能有限元分析的應力云圖見圖3。

圖3 未加固節點的木柱木梁力學性能有限元分析的應力云圖

2） 加固節點的力學性能。以帶三角加勁肋的卡槽式鋼構件加固形式為例，分析了加固節點的力學性能。分析發現節點下方的鋼板的兩個三角加勁肋出現明顯的屈曲現象。節點上下側自攻螺絲孔洞附近的木梁應力達到較大，這是因為試驗中孔洞周圍受到破壞一致，兩個三角加勁肋肋板上側的鋼板出現輕微變形，節點下側鋼板上的兩個三角加勁肋均是向外變形發生屈曲，節點下側的自攻螺絲均發生了不同程度的剪切變形。由以上分析可知，本文所提出的4 種加固節點形式可以有效提高結構的抗震性能。加固節點的木柱木梁力學性能有限元分析的應力云圖見圖4。

圖4 加固節點的木柱木梁力學性能有限元分析的應力云圖

5 結論

針對木結構建筑在溫度、雨雪等環境因素作用下可靠度降低的現狀，本研究提出了城鎮老舊小區加固設計方法及施工關鍵技術。

1） 針對呼北高速公路沿線木結構建筑的病害破壞情況，獲取了3 類常見的現象，即變形、裂縫、蟲蛀。

2） 本研究設計了4 種加固節點形式，即中空矩形鋼板加固、T 型鋼板加固、帶三角加勁肋的卡槽式鋼構件加固和鋼板條加固。在施工過程中，形成了腳手架工程施工和屋頂鋼結構改造房施工的關鍵技術，為類似項目的施工提供了可靠的借鑒。

3） 針對加固節點形式，本研究分析了加固前后構件的力學性能。對比發現，本研究所提出的加固節點形式可以有效提高結構的抗震性能。