外廊式砌體結構的抗震分析與加固

李文盛，代艷輝 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

5·12汶川地震中，大量學校建筑物倒塌造成了嚴重的人員傷亡和財產損失，這些引發了社會各界對學校建筑物抗震安全性的更多關注。為此，國家教育部及相關單位投入大量人力和物力對全國范圍內現有中小學建筑物進行抗震評估、鑒定、加固，使其能夠達到相應安全等級。調查發現，地震中受害最嚴重的均為采用典型外廊式結構型式的中小學教學樓。筆者通過對地震中外廊式結構建筑物的破壞現狀進行描述，進而分析該種結構的受力特點，最后通過工程實例來說明增設外廊柱對結構整體抗震的影響。

1 外廊式砌體結構現狀描述及分析

圖1 教學樓平面布置圖

圖2 水平裂縫

砌體結構的主要結構材料——砌塊的材質比較簡單，且具有就地取材、穩定性好、隔聲和保溫隔熱性較好、價格相對較低，可節省造價、施工難度相對較小的特點。由于砌體結構整體性較差，需要采取更多的抗震加強措施，如圈梁、構造柱等，故在高烈度的地震區，砌體結構教學樓等仍然是震害最嚴重的建筑［1］。據規定［2］，小學普通教室每間不小于50m2，中學普通教室每間不小于56m2，這種大開間、大采光窗的建筑抗震墻面積少不利于抗震。此外，中小學教室層高較高 （小學教室層高不低于3．1m，中學教室層高不低于3．4m），學校建筑物大多采用單面外走廊的形式，這種建筑形式對結構抗震性能造成如下不利影響：①單片墻體抗側剛度小，冗余度低，變形能力弱，整體性不好，抗震性能較差，容易發生破壞。圖1所示為典型教學樓平面布局，由于砌體結構長寬比較大，設計時往往只對橫向重點考慮抗震驗算，忽略了縱向的抗震驗算。由于縱向通常設置了大面積的采光窗，導致立面墻體較少且不連續，相對縱墻面積少，墻體抗拉、抗剪強度低，因而在平行建筑長方向地震作用下，很容易受到破壞，主要表現為墻體出現水平裂縫 （見圖2）、斜裂縫、“X”形裂縫 （見圖3）等。圖4所示為汶川地震中某棟中學教學樓破壞狀況，可以看出其破壞方向并不是橫向，而是處于縱向方向。②由于結構形成單跨懸挑的受力體系，造成建筑自重偏心作用很明顯，同時，該受力體系在地震作用下，立面開洞較大處 （例如縱墻缺失的樓梯間）率先失效破壞，并迅速產生連鎖倒塌效應。圖5、圖6所示分別為臺灣 “9·21”集集地震中的2棟教學樓。圖5所示教學樓設有外廊柱，且開窗面積較小，墻體連續，雖已建成30年，震后僅發生輕微損壞。圖6所示教學樓走廊懸挑無柱支撐，窗間墻體亦不連續，雖建成不足5年，卻在地震中倒塌［3］。因此，通過增設整排的外廊柱，可以使整個結構的超靜定次數增加，結構抗震性能大為改善。

圖3 X向裂縫

圖4 教學樓縱向破壞

圖5 有外廊柱教學樓

圖6 無外廊柱教學樓

2 實例分析

在鑒定中小學建筑物時，根據不同情況可將建筑物分為3類，即完好類型 （不需任何處理可繼續使用）、加固類型 （通過加固處理可正常使用）和拆除重建類型 （陳舊老化嚴重無加固價值）。

福建省閩侯縣某小學教學樓，整體為5層，建筑總長為30．6m，進深為8．8m （走廊1．9m），層高3．6m （見圖7）。地震設防烈度為7度，抗震設防類別為乙類，抗震等級為二級。由于該建筑物建造于20世紀90年代，受當時條件限制，各構件材料的實際強度等級均較低。經現場調查與檢測，發現該建筑結構中各構件材料的實際強度等級分別為：砌塊M10；砂漿M0．4；梁C15；柱C20。通過分析上述構件強度等級并依據文獻 ［4］和 ［5］等相關規范進行鑒定，鑒定結果為該建筑物經加固處理后可正常使用，并以此為依據進行建模計算及后期的加固設計。首先根據鑒定結果并結合相關資料進行計算分析，運用通用的結構設計軟件PKPM進行建模計算。由于砌體結構中墻體為主要受力構件，墻段的受壓承載力與抗震性能跟建筑物的整體抗震能力直接相關，故提取模型中加固前與加固后的墻體的受壓承載力計算結果、水平地震力計算結果進行對比分析 （分別選取圖8、圖9、圖10、圖11所示建筑物第1層的相關計算結果作為代表）。通過對加固前后各縱橫墻墻段的受壓承載力、水平地震力計算結果進行對比分析（見表1），發現加固后縱橫墻墻段的受壓承載力、水平地震力計算結果相對加固前均有很大幅度提高，由此說明外廊式砌體結構增設外廊柱對結構整體承載力與抗震能力的提高提供了較大幫助。

其次，進行加固方案設計。結合計算結果和相關資料，依據文獻 ［6］和 ［7］，采用如下加固方案，即在外走廊一側窗間墻段中間增加壁柱，粘貼鋼筋網并噴射細石混凝土 （增大墻段抗壓承載力），在懸挑梁端增設構造柱。

圖7 教學樓平面圖

圖8 加固前1層墻體受壓承載力計算圖

圖9 加固后1層墻體受壓承載力計算圖

表1 抗力分析結果

圖10 加固前一層水平地震力計算結果

圖11 加固后1層水平地震力計算結果

3 結 語

根據地震后學校建筑的現場調查結果，對其中普遍采用的外廊式砌體結構展開分析。通過對某小學教學樓的加固實例進行研究，發現砌體結構中的外廊柱能夠分擔部分走廊的豎向荷載，并使部分墻體破壞的時間延后，增強了砌體結構縱橫向墻段的受壓承載力、抗側移剛度，從而提高砌體結構的整體抗震性能。該研究可以為今后學校建筑的設計和施工提供參考。

［1］林煌斌，曾琦芳 ．中小學教學樓的特點及地震災害控制 ［J］．南方建筑，2006（12）：85-90．

［2］GBJ99-86，中小學校建筑設計規范 ［S］．

［3］張嘉祥，陳嘉基，呂國維，等 ．九二一集集地震學校建筑震害探討 ［J］．土木技術，2000，（27）：98-116．

［4］GB50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標準 ［S］．

［5］GB50023-2009建筑抗震鑒定標準 ［S］．

［6］JGJ116-2009，建筑抗震加固技術規程 ［S］．

［7］GB50367-2006，混凝土結構加固設計規范 ［S］．