中小學建筑結構的現狀與加固對策研究
——樓梯加固方法研究

呂 旭

（中國建筑第二工程局有限公司（滬），上海 200000）

中小學建筑結構的現狀與加固對策研究
——樓梯加固方法研究

呂 旭

（中國建筑第二工程局有限公司（滬），上海 200000）

針對蘇州市古城三區總計839幢中小學校舍的現狀及加固情況，文章分別按結構形式、建造年代等方面進行數據統計分析，并從樓梯的震害類型及其分析、樓梯常用加固方法的優缺點及適用性、蘇州市校舍樓梯的抗震缺陷類型、蘇州市校舍樓梯加固方法的現狀這4個方面對樓梯加固進行了詳細闡述。通過原理可靠性、經濟性和施工可行性方面的考慮，采用粘貼纖維復合材加固法加固樓梯。

中小學教學樓；抗震；樓梯加固

近年來，全球地震災害頻發，給人類帶來了巨大的傷害和經濟損失。尤其是2008年汶川地震給中國國民敲響了警鐘，在救災過程中，發現受災地區存在大量中小學校舍受損嚴重，究其根本，在于前期設計建造過程中對抗震設防措施考慮不夠完善?！督ㄖこ炭拐鹪O防分類標準》GB 50223—2008，規定中小學校舍的抗震措施應該按照高于本地區抗震設防烈度1度的要求，進行加強。從抗震鑒定方面考慮，設防烈度提高1度后，現有中小學校舍將會在不同程度上無法滿足《建筑抗震鑒定標準》GB50023--2009要求，從嚴格意義上來講，均應進行抗震加固。

其中房屋結構中樓梯作為重要的緊急逃生的豎向通道，在抗震加固研究中正受到越來越多的重視。文章在對蘇州市古城三區（滄浪區、平江區、金閶區）總計839幢中小學校舍的現狀及加固情況調研數據的基礎上，對樓梯加固進行了探討。

1 樓梯的震害類型及其分析

在險情發生時，建筑物內人員主要通過樓梯進行疏散。樓梯若發生破壞，會造成大量的人員傷亡并阻礙后期的救援工作。為保證它的安全性，樓梯不僅要有足夠的承載力與整體性，同時還要確保非結構構件在以上極端情況下不會發生脫落。

1.1 梯板破壞

震害發生時，樓梯梯板板底位置的混凝土呈現大面積脫落、鋼筋裸露現象，或者裂縫沿梯板寬度方向整條貫通的情況等（見圖1）。在地震發生時，樓梯梯板相當于“K”型支撐構件，梯板底部受力主筋受壓彎曲直至屈服破壞，最終造成梯板拉斷。

圖1 梯板裂縫均勻分布

1.2 樓梯平臺梁破壞

梯梁側面在兩個梯板之間的混凝土開裂脫落（見圖2）。地震發生時，樓梯相當于“K”型支撐構件。樓梯的兩個梯段在樓梯發生層間側移的時候，交替承受外部擠壓，此時梯梁受力屬于彎剪扭復合受力，導致平臺梁在跨中發生剪扭破壞。

1.3 樓梯平臺板破壞

平臺板的縱向與橫向均有較明顯的裂紋（見圖3）。地震發生時，樓梯在整體構造中屬于斜向構件，與建筑物墻體一起作用，相當于“K”型支撐構件。而樓梯層間休息平臺板，在整體構造中屬于水平支撐，作用機理類似于“耗能梁”。此處吸收地震波能量，造成了震害。

圖2 樓梯平臺梁混凝土裂通

圖3 平臺板裂紋情況

1.4 樓梯小梯柱破壞

小梯柱柱端處出現柱頭破損，混凝土碎裂脫落，梯梁端處縱筋外露，屈服破壞（見圖4）。樓梯發生這種破壞，起因應該是混凝土的強度不夠（小梯柱處），或者抗震設計時沒有充分考慮到地震實際發生時此處的“柱端彎矩”等情況。

圖4 樓梯小梯柱破壞

1.5 樓梯間填充隔墻破壞

橫墻出現X型裂縫（見圖5），樓梯間填充墻處構造措施處理不符合規范；樓梯踏步與墻體連接處出現裂縫，梯板與填充墻連接處，拉結構造措施處理不符合規范（見圖6）。

圖5 填充墻上的剪切裂縫

圖6 連接處出現破壞

2 樓梯常用加固方法的優缺點和適用性

2.1 粘貼纖維復合材加固法

（1）優缺點。①優點：具有良好的耐腐蝕性能和耐久性能；不增加構件的自重和體積；高強高效；纖維復合材料布是一種柔性材料，可廣泛適用于各種結構類型；施工便捷且施工工效高；②缺點：加固構件材質及強度有一定要求，存在一定的局限性，例如被加固的混凝土構件，強度等級不得低于C15，且不能為素混凝土構件；使用后的碳纖維布，不能直接暴露在有害介質或者陽光下，且所在環境溫度不能長期處于60℃以上，對防護及防火要求較高，需增加一定的防護成本。

（2）適用性。本加固方法適用于受壓、受拉、受彎構件，例如樓梯梯段板、平臺梁、平臺板等。被加固的樓梯構件的砼等級最低為C15，且砼表面的正拉粘結強度必須大于等于1.5MPa。在加固設計過程中，碳纖維布僅可計入拉應力計算。使用后的碳纖維布，不能直接暴露在有害介質或者陽光下，且所在環境溫度不能長期處于60℃以上，對防護及防火要求較高。針對部分處于特殊工作環境下的樓梯構件，加固時必須采用專門的膠粘劑，并配合相應的特殊粘貼工藝進行施工。

2.2 粘貼鋼板加固法

（1）優缺點。①優點：粘貼鋼板加固的平臺梁，抗裂性得到較大改善，同時提高了抗彎剛度。施工技術簡單，粘貼鋼板所使用膠粘劑，硬化速度快且強度也遠高于加固結構砼強度，在縮短施工周期的同時，使加固材料與原結構形成整體受力，避免產生“應力集中”現象。粘貼鋼板加固法，占用空間小且幾乎不改變原有結構外形?？梢允褂妹骰?，尤其適用對防火有特殊要求的結構，例如樓梯間加固施工；②缺點：由于鋼板加固的剛性材料特點，膠粘工藝的施工效果對最終加固效果起到決定性作用，且粘貼鋼板加固存在“應力滯后”現象。

（2）適用性。本方法適用于所處工作環境正常適宜且承受靜荷載的受彎或受拉構件的加固，例如樓梯平臺梁、平臺板、梯段板等。被加固的樓梯構件的砼等級最低為C15，且砼表面的正拉粘結強度必須大于等于1.5MPa。加固后正常工作環境（杜絕化學腐蝕），應保證濕度最高為70%，溫度最高為60℃，否則應增加防護措施。

2.3 外加預應力加固法

外加預應力加固法，被廣泛應用于混凝土梁板柱的加固，是一種加固效果顯著，同時費用低廉的加固方法。因為加固后對結構外觀有影響，所以比較適用于一些重型結構或者大跨度結構的加固，但不適用于砼收縮徐變較大的建筑結構。

3 蘇州市中小學建筑結構現狀調查

3.1 中小學建筑基本情況

（1）蘇州市古城三區839幢校舍的統計數據顯示，80年代及80年代以后的建筑較多，占了78.1%。70年代以前的建筑也有相當一部分的比例，占了9.2%，各年代建筑所占比例詳見圖7。

圖7 蘇州市中小學校舍建造年代分布百分比

（2）該地區中小學校舍高度小于5m的建筑占33.6%，5～10m的建筑占21.0%，10～15m的建筑占比例最大，達到36.0%，超過15m的占9.4%。從層數分類來看，1層建筑居多，占39.6%；其次3層建筑占25.5%，然后2層建筑占18.8%，4層建筑占13.3%，5層及五層以上占2.8%。

（3）839幢校舍的統計數據顯示，本地區中小學校舍的結構形式，大部分都是砌體結構，占73.2%；其次是鋼筋混凝土結構，占24.3%；作為一座古城，也有部分木結構校舍，占2.4%，其中部分還是明清時期建造的歷史保護性建筑，如平江實驗中學的大成殿，蘇州市第六中學的鄧氏宗祠等（見表1）。

表1 蘇州市中小學校舍結構形式統計表

3.2 抗震措施統計

①統計數據顯示，839幢校舍中按乙類設防的建筑只有1.6%，丙類設防占36.3%，還有62.1%的建筑無抗震設防；②結構規則性。從統計結果看，絕大多數建筑為規則結構，占90.3%，不規則的只有9.7%；③抗震鑒定結論。統計數據顯示，只有1.6%的建筑物滿足6度乙類設防的要求，基本滿足6度乙類的占22.3%，還有76.1%的建筑不滿足6度乙類設防的要求；④單跨框架結構汶川地震的震害調查表明，單跨框架結構抗震性能差。本次839幢校舍的統計數據顯示，有7.9%的校舍為單跨框架結構（見圖8）；⑤外廊式建筑。通過對汶川地震的震害調查數據，顯示外廊式建筑也不利于抗震。本次839幢校舍的統計數據顯示，外廊式建筑占34.5%。

圖8 單跨框架結構統計圖

4 蘇州市校舍樓梯加固方法的現狀

由圖9可知，粘貼纖維復合材加固法是蘇州市校舍樓梯加固中最常用的方法。

5 粘貼纖維復合材加固法加固樓梯

5.1 加固原理

纖維復合材料加固樓梯，主要是利用纖維材料的抗拉性能強的特點，通過粘結物質，使得纖維復合材料與樓梯結構砼產生良好的粘結性，彌補樓梯受拉縱向鋼筋和受剪、抗扭箍筋的不足，以提高樓梯抗彎剪扭的承載力。由于加固時采用封閉式“U形箍”，可以起到約束樓梯結構砼橫向變形的作用，進而產生三向壓應力，間接改善了結構砼的強度以及延展性，以達到提高樓梯抗震性能的最終目的。

圖9 蘇州市校舍樓梯加固方法現狀

5.2 施工工藝流程

抗震措施施工工藝流程見圖10。

圖10 施工工藝流程

5.3 梯柱等受壓構件正截面加固計算

（1）梯柱等軸心受壓構件，可采用“環向圍束法”進行加固（環向圍束法：顧名思義，就是沿著構件全長，無間隔、環向、連續地粘貼纖維復合材料）；

（2）對樓梯軸心受壓構件采用環向圍束法進行加固的情況包括：①圓形截面柱（長細比）；②截面棱角經過圓化打磨的矩形（含正方形）截面柱（長細比、截面高寬比、截面高度）。

（3）對采用“環向圍束法”進行加固的樓梯軸心受壓構件，其正截面承載力，應符合下列規定：

對正方形和矩形截面柱：

5.4 梯柱等受壓構件斜截面加固計算

①當采用條帶型纖維復合材料，對梯柱進行受剪加固時，應粘貼成“環形箍”，且復合材料的方向，應與柱的縱軸線垂直；②對樓梯梯柱采用“環形箍”進行加固時，其斜截面受剪承載力，應符合下列規定：

6 結束語

隨著抗震設防要求的提高，中小學校舍應作為重點設防類的乙類建筑進行鑒定加固。文章通過對蘇州市古城三區中小學校舍抗震缺陷的匯總分析，建議采用粘貼碳纖維布法加固樓梯。以后工作的重點在于嚴格遵照相關標準和規范進行施工，減少后期加固壓力，另外從增強結構的抗倒塌能力出發提高現有結構中樓梯的抗震能力。

[1]建筑工程抗震設防分類標準[S].GB50223-2008.

[2]混凝土結構設計規范[S].GB50010-2010.

[3]郝文宇.公路橋梁加固技術的研究[J].住宅與房地產,2016, (15):118.

[4]黃慧明.粘貼碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的正截面承載力試驗研究[D].湖南大學,2001.

[5]張海東,翁曉虹,錢善青.蘇州市中小學建筑結構的現狀調查與抗震分析[J].蘇州科技學院學報,2013.

[6]民用建筑可靠性鑒定標準[S].GB50292-1999.

[7]徐潤甲.建筑結構鑒定和加固改造技術分析[J].住宅與房地產,2016,(15):103.

[8]混凝土結構加固設計規范[S].GB50367-2006.

[9]建筑抗震設計規范[S].GB50011-2010.

Study on the Present Situation and Reinforcement Measures of the Middle and Primary School Buildings——Study on Reinforcement Method of Stairs

Lv Xu
(China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd.,Shanghai 200000)

For the three ancient city of Suzhou City ,the status quo situation and reinforcement of total 839 primary and secondary schools, according to the structure, construction time and other aspects ,this essay analyses the data in summary,and this essay from the stairs damage types and their analysis, stairs advantages and disadvantages of various reinforcement methods and applicability of Suzhou campus stairs seismic defect types, stairs Suzhou school status this reinforcement method four aspects of the stairs and precast slab reinforcement were elaborated and adopted principles of reliability, economy and construction feasibility considerations were used to paste the fber reinforced composite reinforcement method stairs, plus the entire cast precast slab reinforcement layer method.

Primary and secondary school buildings; Seismic;Stairs reinforcement

TU3

A

1006-6012（2016）11-0161-03