某多層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的抗震加固工程技術(shù)

盛寶平 萬 巍

0 引言

我國是地震高發(fā)國家，地震造成的人員傷亡，居世界首位。同時(shí)，我國地震區(qū)也分布較廣。2008年5月12日四川省汶川發(fā)生了里氏8.0級(jí)的強(qiáng)烈地震，造成了大量房屋的倒塌，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮鬄?zāi)難。其中校舍建筑的破壞最為嚴(yán)重。

作為人員較為密集的公共建筑，校舍建筑布置的需要一般均采用大開間，外挑走廊，為了滿足教室采光，要求填充墻體開大窗洞。以上做法造成此類結(jié)構(gòu)體系整體性較其他相同結(jié)構(gòu)差。

為了最大限度保護(hù)師生的生命安全，建設(shè)部對(duì)抗震相關(guān)的一系列規(guī)范進(jìn)行了及時(shí)的修訂:其中規(guī)定幼兒園、中小學(xué)的教學(xué)用房、宿舍以及食堂抗震設(shè)防類別不應(yīng)低于重點(diǎn)設(shè)防類，即不低于乙類。同時(shí)對(duì)若干結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造措施加以修訂，提高了結(jié)構(gòu)抗震能力的要求。

同時(shí)，國務(wù)院啟動(dòng)了中小學(xué)的校舍安全工程，要求用1年～3年時(shí)間改造好全國范圍內(nèi)的有質(zhì)量隱患的建筑。在教育部、建設(shè)部的統(tǒng)籌安排下，上海市對(duì)校舍進(jìn)行了安全排查，組織相關(guān)人員對(duì)不符合要求校舍進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。本文以上海浦東新區(qū)“校舍安全工程”中某多層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗震加固設(shè)計(jì)為例，做了一些探討。

1 框架結(jié)構(gòu)的震害情況

5·12汶川地震后，相關(guān)結(jié)構(gòu)研究人員隨即展開了對(duì)震害情況的調(diào)查［2］，框架結(jié)構(gòu)房屋，由于其所用建筑材料延展性比砌體結(jié)構(gòu)要好，地震力能得到有效的抵御和釋放，因此抗震性能較好，此結(jié)構(gòu)校舍較少發(fā)生整體垮塌，但由于材料、施工質(zhì)量以及建筑布局不合理等原因，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件也發(fā)生了一定程度的破壞。

主要震害如下:

1)柱子端部剪切破壞。

在部分框架柱頭、柱底，在水平地震作用下，成為受壓、剪、彎構(gòu)件。在柱剛度變化處，由于主拉應(yīng)力破壞而形成45°斜裂縫，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為局部混凝土崩裂、鋼筋屈服外露。柱頭比柱底震害嚴(yán)重。

2)柱墻交接處產(chǎn)生豎向裂縫。

由于鋼筋混凝土柱與磚砌填充墻體材料剛度相差較大，再加上施工時(shí)未采取有效的拉接，造成地震時(shí)變形難以協(xié)調(diào)，因此在地震力作用下，在兩種材料交接的柱邊形成明顯的豎向裂縫。

3)梁底水平裂縫。

與豎向裂縫相似，由于施工質(zhì)量較差，砌筑墻未與梁底擠緊，造成在地震力作用下形成明顯的水平裂縫。

4)填充墻體中部的斜裂縫及交叉裂縫。

該裂縫是典型的墻體在承受平行于墻體的地震力時(shí)剪切破壞的特征。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來看，高墻破壞重于矮墻，薄墻重于厚墻，填充的橫墻破壞大于填充的縱墻。

5)樓梯間的破壞。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的樓梯破壞較為普遍。樓梯踏步板出現(xiàn)受拉裂縫，嚴(yán)重時(shí)，樓梯板被完全拉斷。部分樓梯休息平臺(tái)梁板，地震時(shí)被上下踏步板剪壞。

2 房屋結(jié)構(gòu)概況及抗震鑒定分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)概況

本教學(xué)樓為5層框架結(jié)構(gòu)，建筑面積約為1 200 m2，1層～4層層高為3.400 m，5層層高為5.100 m，檐口標(biāo)高為19.500 m，預(yù)制樓(屋)面板，填充墻體材料為240厚粘土實(shí)心磚，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土墻下條形基礎(chǔ)，條基基底標(biāo)高為－1.900 m，主要用途為教室及辦公室。房屋抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)第一組，Ⅳ類場(chǎng)地。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，房屋現(xiàn)有混凝土強(qiáng)度推薦值為C20，現(xiàn)有混凝土保護(hù)層有較好的護(hù)筋能力。教學(xué)樓填充墻現(xiàn)有砂漿強(qiáng)度等級(jí)推薦值為M2.7，磚強(qiáng)度等級(jí)推薦值為MU10。

房屋各單元結(jié)構(gòu)布置與原設(shè)計(jì)相符。現(xiàn)有梁及柱截面尺寸和配筋情況與原設(shè)計(jì)圖紙相符，實(shí)測(cè)現(xiàn)有樓板厚度基本滿足原設(shè)計(jì)要求。

各種荷載取值如下:

活荷載:教室以及辦公室取2.0 kN/m2，衛(wèi)生間取2.0 kN/m2，走廊、樓梯間過道取3.5 kN/m2，非上人屋面取 0.5 kN/m2;恒荷載:預(yù)制樓面取4.5 kN/m2，預(yù)制屋面取5.5 kN/m2;墻體荷載:原有240厚粘土磚墻體，考慮雙面20 mm厚抹灰的重量，荷載取值為5.4 kN/m2;風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓取0.55 kPa，地面粗糙程度為C類;梁柱荷載:考慮梁柱構(gòu)件表面粉刷層的重量，梁柱構(gòu)件自重容重近似取26 kN/m3。教學(xué)樓一層結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。

2.2 抗震鑒定結(jié)果

根據(jù)GB 50023-2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，按照后續(xù)使用年限40年(B類建筑)，對(duì)教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行評(píng)估。

以下幾項(xiàng)不滿足要求:

1)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)采用的抗震等級(jí)為三級(jí)，根據(jù)新修訂的抗震規(guī)范，校舍建筑抗震設(shè)防類別提升為“重點(diǎn)設(shè)防類”，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)應(yīng)提高到二級(jí)。

2)一層框架柱配筋不足，實(shí)配鋼筋/計(jì)算鋼筋值普遍小于0.65，最小值為 0.35。

3)結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下最大層間位移不滿足要求。部分樓層X方向的最大層間轉(zhuǎn)角不滿足要求，一層為1/511，二層為1/470，均大于規(guī)范要求的1/550。

4)結(jié)構(gòu)第二震型的扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.6，周期比為0.93，由此可以判定存在一定程度的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

5)部分縱向框架梁頂、底通長鋼筋配筋不足，部分柱加密區(qū)箍筋肢距不滿足規(guī)范要求，為抗震薄弱環(huán)節(jié)。

6)房屋填充墻和框架柱無拉筋，連接構(gòu)造措施低于規(guī)范要求。一樓有部分墻體有變形開裂現(xiàn)象。

3 加固方案

根據(jù)校舍砌體結(jié)構(gòu)震害分析以及對(duì)本教學(xué)樓的抗震鑒定結(jié)論，提出以下加固方案:

1)對(duì)框架柱采用加大截面的方法進(jìn)行加固處理:

能有效解決框架柱配筋不足的問題，同時(shí)增加了柱子的整體剛度，能較有效地降低結(jié)構(gòu)在多遇地震的作用下的最大層間位移，見圖2。

2)設(shè)置鋼絲網(wǎng)水泥網(wǎng)砂漿面層:

對(duì)建筑各單元邊角部、樓梯間、主要通道兩側(cè)及存在明顯裂損的填充墻做鋼絲網(wǎng)水泥面層加固，增強(qiáng)墻體自身的拉結(jié)。防止地震時(shí)填充墻的開裂，崩塌。強(qiáng)化地震時(shí)樓梯間作為地震時(shí)快速疏散通道。

3)在建筑物端部設(shè)置剪力墻肢:

能有效降低結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大層間位移，消除原有結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)也降低了原有框架柱的軸壓比。

4)采用CFRP加固原有結(jié)構(gòu)縱向框架梁:

原有設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的縱向框架按照連接橫向框架的拉梁設(shè)計(jì)，導(dǎo)致縱向框架梁配筋不足。用CFRP材料對(duì)此部分梁頂、梁底進(jìn)行加固，補(bǔ)強(qiáng)薄弱部位。圖3為梁頂和柱連接處加固節(jié)點(diǎn)。圖4為樓層梁面中間支座粘CFRP構(gòu)造。

5)出屋面小房的加固:

對(duì)于出屋面小房等房屋局部突出物，此類突出物的剛度遠(yuǎn)小于下部主結(jié)構(gòu)，在地震的過程中會(huì)產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”。此部分結(jié)構(gòu)加固經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員所忽視，留下安全隱患。本設(shè)計(jì)對(duì)出屋面小房內(nèi)側(cè)四周加設(shè)鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層進(jìn)行整體加固，提高其抗側(cè)力剛度，防止其脫落傷人。

4 結(jié)論及抗震加固技術(shù)建議

根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM系列軟件JDJG模塊，同時(shí)考慮原結(jié)構(gòu)中施工缺陷、鋼筋銹蝕等不利因素的影響，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)加固后的情況進(jìn)行建模計(jì)算分析，結(jié)果如下:

1)加固后結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/847，滿足規(guī)范要求。

2)結(jié)構(gòu)的前兩個(gè)震型的平動(dòng)系數(shù)大于扭轉(zhuǎn)系數(shù)，周期比為0.83?？梢耘卸庸毯蠼Y(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，滿足要求。

3)原有配筋不足的梁、柱經(jīng)過以上加固處理后，均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，效果良好。

加固此類房屋應(yīng)注意的問題:

1)盡可能保持原有結(jié)構(gòu)的功能。作為教學(xué)活動(dòng)的載體，對(duì)校舍建筑進(jìn)行加固處理的初衷是為了更好的服務(wù)于教學(xué)，加固時(shí)應(yīng)采用“人性化設(shè)計(jì)”，最大限度地保證教室、主出入口、樓梯間、外走廊的活動(dòng)空間。

2)應(yīng)盡量不破壞原有結(jié)構(gòu)的整體性，采取有效措施保證新增結(jié)構(gòu)構(gòu)件和原有構(gòu)件的連接，杜絕由于加固施工而造成結(jié)構(gòu)新的不規(guī)則。

3)加固設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮成本。加固設(shè)計(jì)應(yīng)采用高效、經(jīng)濟(jì)、施工方便的方法。原則上，加固成本不得超過新建相同結(jié)構(gòu)成本。結(jié)構(gòu)加固勢(shì)必會(huì)破壞原有建筑、電氣及給排水的設(shè)置，加固設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)盡量考慮到未來的裝修、修繕，各個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合，一步到位。防止以后建筑、電氣、給排水等專業(yè)的重復(fù)設(shè)計(jì)、施工。

［1］ 張熙光，王駿孫，劉慧珊.建筑抗震鑒定加固手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［2］ 任曉崧，翁大根，呂西林.四川災(zāi)區(qū)砌體結(jié)構(gòu)房屋震害與中小學(xué)建筑的抗震設(shè)計(jì)［J］.工程抗震與加固改造，2008，30(4):71-76.

［3］ GB 50023-2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］ JGJ 116-2009，建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］ 胡 敏.校安工程建筑抗震鑒定與結(jié)構(gòu)加固［J］.山西建筑，2011，37(8):28-29.