淺析教學樓加固

梅文勝

(中冶長天國際工程有限責任公司，湖南長沙410007)

2008年5月12 日，我國四川汶川發生里氏8級大地震，造成6.9萬人遇難，650多萬間房屋倒塌，直接經濟損失達8 500億元人民幣。世界上歷次震害和這次地震調查表明，建筑結構的倒塌破壞己成為地震災害中造成人員傷亡和財產損失的主要原因，尤其是校舍倒塌情況極其嚴重。校舍的倒塌有一部分原因是施工問題，但究其本質還是我們結構設計本身存在著許多問題，即使是國外一些施工質量監督較好的工程，當地震來臨時仍會發生大面積倒塌。因此，我們不能在房屋發生倒塌破壞時武斷地認為一定是施工原因。但令人感到欣慰的是即使是在結構本身與施工質量雙重問題影響下，一些在地震前加固過的校舍在地震中仍能屹立不倒。四川安縣桑棗中學地處綿陽周邊，由于校長的憂患意識將原本沒有通過驗收的教學樓不斷加固，在“5·12”地震時，學校所在的安縣緊臨著地震最為慘烈的北川，校外的房子百分之百受損，而這所縣級中學僅是8棟教學樓部分坍塌，師生一切平安。

可見在教學樓本身存在問題無法避免的情況下進行適當的抗倒塌加固是防范地震等災變荷載的有效措施。由于目前結構設計和施工存在著諸多問題，教學樓本身或多或少都有其結構上的缺陷，一旦遇到地震等突發情況很難保證校舍不發生倒塌。因此有必要對教學樓進行適當加固以保證師生的安全。

要使結構加固后不發生倒塌，就必須基于對結構在極端條件下倒塌破壞過程有深刻的認識才能可靠、有效。在罕遇地震作用下，為了有效地保護人員生命和財產安全，必須保證結構不倒塌。即使退一步講，如果倒塌能遵循某種合理的形式，增加人員的逃生空間與時間，也可以減少人員生命和財產損失，對震后救助和家園重建也具有重要意義。

1 教學樓存在的問題

現在教學樓大多是框架結構或者是磚混結構，但歷次地震災害表明兩者都不利于抗震。

對于框架結構，強柱弱梁依然沒有實現，梁的破壞都滯后于柱，塑性鉸無法在梁端形成而直接在柱端產生從而使框架柱失效(圖1、圖2)，其上的梁板產生懸鏈線效應，相鄰的柱將承載更大的載荷，引起連續性倒塌。

對于磚混結構，在縱向地震作用下，中間橫梁下的框架柱(尤其是底層)是結構中的關鍵構件，而縱觀歷次地震，最先受損并破壞的都是此處，也就是說一旦破壞將造成結構大面積倒塌的構件是最先發生破壞的構件，從而結構在災變荷載下容易發生連續性倒塌。在橫向地震作用下，由于承重的橫墻提供了抗剪能力，但是其抗震能力仍然較差。另外，砌體結構校舍縱向墻體由于窗戶較大、開間較多、走廊多，在地震中顯得尤為脆弱，不能很好地起到抵抗縱向地震的作用。為了采光和通風，大部分校舍在縱墻方向大量開窗，沿著走廊的方向幾乎沒有像墻一樣的支撐存在。因此，當沿走廊方向地震來臨時，校舍很容易倒塌;但如果反過來是垂直走廊方向，則很難把校舍推倒，因此沿走廊方向是校舍的抗震薄弱點。

2 抗震加固的現狀

建筑結構加固方法隨著經濟水平、技術水平和人們觀念的發展而發展，進入90年代以來，隨著我國經濟實力的增強，抗震加固新技術(如消能隔震)、新材料(如碳纖維、結構膠)以及新工藝(如鉆孔、植筋)的出現，我國建筑抗震加固技術規程(JGJ 16－98)的實施，從而使建筑抗震加固的手段愈來愈多且更加規范化。但同時帶來一些問題，如對構件的加固，可以提高構件的強度(即承載力)，但構件加固后將改變結構的整體抗震性能;如加大截面法將使結構和構件的剛度發生變化，從而引起結構動力特性、構件內力的變化以及剛度軟弱層和強度薄弱層的出現，而這些變化對結構承載力及彈塑性變形能力會帶來不利或有利影響。這些都是目前的加固方法所沒有考慮的。

圖1 柱端出現塑性鉸

圖2 柱端出現塑性鉸

我國建筑抗震加固技術的發展和工程實踐大致可分為三個階段:第一階段為“應急階段”，以1985年編制了《工業與民用建筑抗震加固技術措施》為分界;第二階段為“發 展 階段”，這段時間更多的采用加大截面法、外包鋼、粘鋼和加混凝土剪力墻、樹根樁加固地基等以鋼和鋼筋混凝土材料為主的所謂“硬”加固技術;第三階段為“綜合階段”，對加固工程中的新材料、新工藝、新技術也開展了廣泛的研究。如今應開始下一個階段的加固技術研究，可稱之為“整體階段”，從整體角度對結構采取行之有效的抗震加固方法。

3 加固教學樓的方法

在現階段即綜合階段，加固方法眾多，比如植筋、外部粘鋼加固框架梁、粘貼碳纖維布等等，這些方法可以歸并為增加結構的富余度，是對局部易損結構進行加固，這也是現階段的主要加固手段。在結構設計的基礎上增加鋼筋以提高其本身承受荷載的能力，這是很多設計師們經常采取的措施。然而，當專門加固某一構件時并不一定對結構有利。正如前文所述，當某一構件的強度和剛度得到加強的同時其內力分配也將發生變化，而且得到加固的構件本身并不一定是關鍵構件，這可能使另一關鍵構件反而成了最容易發生破壞的構件，對結構的抗倒塌性能起到了反作用。所以，在加固教學樓時不能單純地加固某根構件，而應從整體考慮教學樓的冗余度和對關鍵構件的分析后再做加固設計。

現在學校一般是校舍加走廊式造型(圖3)，這是一種典型的單跨式結構。假如校舍走廊另一側的柱子倒塌，則整個建筑將不可避免的發生追逐式整體垮塌，所以必須保證此處柱子不是最先破壞的構件。一種行之有效的方法是在原有框架結構的基礎上再設置一排冗余柱以增加跨度，并增強其結構的冗余度(圖4)，使結構最先破壞的構件成了構造柱而不是關鍵構件，結構的層次性更加分明。

實際上不只是框架結構，砌體結構在存在很多門窗洞口的時候也會形成類似單跨框架的結構，如圖5、圖6所示。門窗洞口過多使縱墻形成單跨、每跨柱距很密的磚柱，在地震來臨時極易發生連續性倒塌。

圖3 走廊型校舍

因此對于砌體結構可以考慮在縱墻上加設冗余柱，并且這部分增加的冗余柱承擔部分載荷而不是單純的增加結構整體性，使原有類似單跨框架的結構富有更多的冗余性。中間構造柱在地震等災變荷載下可先行破壞耗散能量以保護其他關鍵構件。更重要的是這樣設置后，邊柱的關鍵構件將不再是最易破壞的構件而使結構的安全性大為增加。

圖4 加冗余柱后的校舍

圖5 梁平縣文化鎮小學校舍

圖6 映秀中學震后原貌

另一種新的加固方法是使結構具有更好的層次性，以此來增強結構在災變荷載下同時兼顧結構受力與破壞的層次性，使結構在經歷災變荷載時不會因某一構件的破壞而發生追逐式倒塌。例如現在的大多數砌體結構教學樓僅為橫墻承重或縱墻承重，受力單一，缺乏受力層次性;且縱橫墻的材料都為砌體，其強度、彈性模量、延性都相同，缺乏材性的層次性。

筆者認為，單純的砌體結構的校舍加固首先需要考慮的是結構整體上的層次性，在傳統無筋砌體教學樓中可以對其縱墻及連接縱墻的部分橫墻使用鋼筋網加固的方法進行局部加強，使其具有足夠的強度與剛度。由于縱墻開洞較多形成巨大的空白區，整片墻的剛度不能從整體上考慮而是被分成多段區間。

按此加固后的教學樓最先破壞的構件將很明顯地成為中間段的橫墻，而關鍵構件成了兩邊的縱墻和連接縱墻的部分橫墻，這就實現了結構的層次性，即使在遭遇罕遇地震的情況下結構倒塌也能遵循合理的形式。

4 結束語

校舍破壞的原因是多方面的，尤其是單跨走廊式校舍冗余度極其不足，在地震災害下極易發生追逐式垮塌。筆者認為提高結構冗余度是增強高層結構在強震下抗倒塌能力的重要途徑，而設置多層次的組合抗側力體系是提高結構抗震的有效方法。我們在考慮對教學樓加固的時候不能僅僅考慮某根構件的破損或者某根構件重要性高而對其加固，應該從整體角度，秉著保護關鍵構件并人為設置冗余構件的原則對結構進行分析并得到最好的加固方案。我們應對結構進行抗倒塌的加固而不是對局部易損構件的加固，僅僅考慮局部的加固對結構不一定是有利的。

［1］葉列平，程光煜，陸新征，等.論結構抗震的魯棒性［J］.建筑結構，2008，38(6):11 －15

［2］王亞勇.汶川地震建筑震害啟示—抗震概念設計［J］.建筑結構學報，2008，29(4):20 －25

［3］清華大學土木結構組，西南交通大學土木結構組，北京交通大學土木結構組.汶川地震建筑震害分析［J］.建筑結構學報，2008，29(4):1 －9

［4］邱德鋒，周艷，劉西拉.突發事故中結構易損性的研究［J］.四川建筑科學研究，2005，31(2):55 －59

［5］方召欣，李惠強，潘維強，等.結構連續坍塌防控的幾點新思路［J］.四川建筑科學研究，2008，34(2):97 －100

［6］陳柏漢.淺談某大廈的結構加固設計［J］.中國科技縱橫，2010(14):4－5

［7］鄭福金.建筑結構加固的探討［J］.中國新技術新產品，2010(14):156－156

［8］雷嗣勇.混凝土結構加固技術在建筑物加固改造中的應用［J］.四川建材，2010(3):38－39