不同抗震設計的磚混結構校舍抗震性能對比＊

張利花,羅奇峰,胡群芳

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092;2同濟大學上海防災救災研究所,上海 200092)

0 引言

磚混結構構造簡單、施工方便、造價低廉,在我國大部分地區均有應用。磚混結構中墻體是房屋的承重結構,也是抵抗水平地震力的唯一構件,而磚屬脆性材料,抗震性能很差,若未經合理抗震設計,其抗震性能非常差,故未經抗震設計的磚混結構必須要對其進行抗震加固改造。

在中小學校舍中,尤其是農村中小學校舍,大部分都是磚混結構。汶川地震和玉樹地震中,都有磚混結構出現倒塌或嚴重破壞的現象,究其原因,除了高烈度地區地震破壞作用大大超出設防烈度水準的原因以外,缺乏抗震設計也是部分老舊校舍倒塌或嚴重破壞的原因之一。

中原地區某縣校舍鑒定匯總反映,磚混結構占該地區全部結構形式的99%。因此,對磚混結構校舍的抗震性能分析十分重要。本文就磚混結構三種工況,即未考慮抗震設計、考慮抗震設計和未考慮抗震設計但進行了抗震加固改造,對該地區一磚混結構校舍的抗震性能進行計算,并做對比分析。

1 磚混結構的抗震措施及抗震驗算

(1)磚混結構的抗震設計

磚混結構的震害表明,其材料脆性導致抗震能力存在明顯的不足。在進行磚混結構抗震設計時,必須從房屋高度、建筑與結構布置以及結構材料與施工上全面注意,其中一項重要構造措施是設置圈梁和構造柱等形成構件約束。

磚混結構平面布置宜規則、對稱、剛度均勻,墻體布置宜連續、貫通。必須通過抗震計算判斷抗震承載力是否足夠,并分析、判斷抗震薄弱環節。抗震設計應滿足《建筑抗震設計規范(GB50011-2001)》等現行規范的規定[1]。

(2)磚混結構的抗震加固改造

磚混結構未采取抗震構造措施或抗震加固措施不滿足要求時,需進行抗震加固改造。現階段,國內常見的磚混結構抗震加固改造措施主要有增強房屋整體性的加固措施和對墻體的加固措施。也有學者提出了一種鋼結構加固磚混結構的方法[2],但此方法尚未大量應用。

增加房屋整體性是磚混結構抗震加固中的重要也是比較普遍的加固措施,主要有磚房外加圈梁及鋼拉桿、增設鋼筋混凝土構造柱以及樓蓋、屋蓋加剛性面層。對墻體的加固措施,可提高墻體的承重能力,從而提高磚混結構的抗震性能,主要包括對面層的加固及增設抗震墻等方法[3]。

(3)采用PKP M軟件對磚混結構的抗震驗算

多層砌體房屋抗震強度驗算是指水平地震作用下砌體墻片的抗震抗剪強度驗算。在PKPM軟件中,磚混結構的抗震驗算首先按底部剪力法計算各層地震剪力,根據樓面結構剛度及墻體側向剛度將地震剪力分配到每片墻體的每個墻段,然后根據導算的樓面荷載及墻體自重計算墻體的平均壓應力,最后按墻體截面的抗震受剪承載力計算公式(1),驗算各片墻體和墻段的抗震受剪承載力[4],以抗力與效應之比R/S的形式作為抗震驗算結果。

2 某中小學磚混結構校舍抗震性能對比分析

中原地區某縣中小學,存在大量磚混結構形式的教學樓、宿舍樓及辦公室等,根據該縣校舍鑒定匯總結果,磚混結構占全部結構形式的99%,其中圈梁、構造柱設置情況見表1。

表1 中原地區某縣校舍抗震措施的設置情況

其中,建設年代在2000年前的磚混結構占55%,建設年代在2000年后的磚混結構占45%,圈梁、構造柱設置情況見表2、表3。

表2 中原地區某縣2000年前建設的磚混結構校舍抗震措施的設置情況

工況一:未考慮圈梁、構造柱的抗震驗算結果

表3 中原地區某縣2000年后建設的磚混結構校舍抗震措施的設置情況

在磚混結構房屋中設置鋼筋混凝土圈梁和構造柱,是提高房屋抗震性能的有效措施。構造柱與圈梁共同工作,對墻體橫向、豎向加箍,阻止裂縫的擴展和延伸,約束墻體開裂后的進一步錯位,增加房屋的整體抗震性能,從而提高磚混結構房屋抗倒塌能力[5]。現取中原地區某縣一中小學磚混結構教學樓為例,進行抗震性能對比分析。

該教學樓為3層磚混結構,樓蓋和屋蓋采用預應力空心板,其上澆注40 mm厚C20鋼筋混凝土疊合層,內外墻均采用普通粘土磚,基礎采用MU10機磚,M5水泥砂漿砌筑,1～3層及120墻、女兒墻采用MU10機磚,M5混合砂漿砌筑。該地區設防烈度為Ⅶ度(0.15 g),設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類。以PKP M軟件對磚混結構做未考慮抗震設計、考慮抗震設計和未考慮抗震設計但進行了抗震加固改造,這三種工況的抗震驗算分析,最終結果以抗力與效應之比R/S作為抗震驗算數據,進行抗震性能對比分析。驗算結果見圖1～圖4。

圖1 一層平面圖

圖2 工況一未考慮圈梁、構造柱一層抗震驗算結果

工況二:考慮圈梁、構造柱的抗震驗算結果

圖3 工況二考慮圈梁、構造柱的一層抗震驗算結果

工況三:未考慮抗震設計但進行了抗震加固改造措施后的抗震驗算結果

砌體結構房屋的抗震強度驗算最后可歸結為一道墻或一個墻段的抗震強度驗算。以上述三種工況的抗震驗算結果所得抗力與效應之比R/S為數據,工況一、工況三墻體抗力與效應之比R/S分別與工況二各對應墻體抗力與效應之比R/S作對比,并分別算出工況一、工況三墻體抗力與效應之比R/S占工況二各對應墻體抗力與效應之比R/S的百分比數值,再計算縱、橫向墻體百分比的平均值,最終得到總平均值,其結果作為對以上三種工況抗震性能對比的依據,結果見表4、表5。

表4 工況一、三與工況二對應大片墻體抗震驗算對比百分比

表5 工況一、三與工況二對應門窗間各段墻體抗震驗算對比百分比

以上述同樣的方法對中原地區某縣中小學的磚混結構進行抗震驗算及抗震性能對比分析,得到中原地區某縣中小學的磚混結構工況一、工況三占工況二的抗震性能的百分比的整體現狀,結果見表6。

表6 中原地區某縣磚混結構校舍抗震性能的對比

其中,中原地區某縣中小學的磚混結構建設年代在2000年前和建設年代在2000年后的磚混結構抗震驗算及抗震性能對比結果見表7、表8。

表7 中原地區某縣2000年前校舍磚混結構抗震性能的對比

表8 中原地區某縣2000年前校舍磚混結構抗震性能的對比

3 討論與結語

在我國很長一段時期內,磚混結構所占的比例還是相當大的,而且該類房屋在鄉鎮中小學所占比例也很大。本文通過抗震性能計算和對比分析,可初步得出以下結論:

(1)通過對比分析可以看出,在抗震構造措施工程量相差不大的情況下,工況三仍然達不到工況二的抗震性能,即未考慮抗震設計的磚混結構即使做了抗震加固改造措施,其抗震性能也達不到一開始考慮抗震設計的磚混結構的抗震性能;工況一的抗震性能最多只相當于工況二抗震性能的65%左右;尤其是在門、窗間墻段,工況一抗震性能最多僅相當于工況二抗震性能的55%左右,即工況一中單體墻段的抗震性能比工況二中單體墻段的抗震性能差很多,故未考慮抗震設計的磚混結構必須進行抗震加固改造。

(2)抗震驗算對比說明,中原地區某縣2000年前建的中小學磚混結構校舍,比2000年后建的抗震性能差很多,原因可歸結于受不同設計標準、材料以及施工技術等方面的影響。在同等工程量下,2000年前建的磚混結構校舍在做抗震加固后,其抗震性能與2000年后建的校舍的抗震性能相差近15%左右。故對1980年代前建的磚混結構校舍建議拆除重建,2000年前的磚混結構校舍,如經抗震加固驗算后能夠滿足現行規范要求的,可在進行加固改造后繼續使用。

(3)考慮到教學樓的重要性,建議新建教學樓時,盡量采用混凝土框架結構形式,對于現有教學樓根據其建筑年限和抗震性能,按不同情況,制定改造計劃,加固、改造或拆除舊的磚混結構教學樓。

[1] GB50011-2001建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[2] 熊鴛,胡松.一種用鋼結構加固磚混結構的新方法[J].成都大學學報:自然科學版,2006,25(2):88-89.

[3] 呂西林,周德源,李思明,等.建筑結構抗震設計理論與實例[M].上海:同濟大學出版社,2002.

[4] 張宇鑫,劉海成,張星源.PKPM結構設計應用[M].上海:同濟大學出版社,2006.

[5] 李同超,淳于銘,田寶國.淺談磚混房屋的抗震加固[J].城市建筑與商業網點,2009(13):11-14.