南橋小學教學樓結構加固設計的概念與分析

文/袁軍 上海滬閔建筑設計院有限公司 上海 201199

1、項目概況

汶川地震后，校舍的結構安全問題凸顯出來。2009年開始上海市應《國務院辦公廳關于印發全國中小學校舍安全工程實施方案的通知》文件要求，全市展開了對不符合重點設防7 度抗震烈度要求的中小學校舍進行加固的工作。南橋小學教學樓于2017年補充開展此項工作。

南橋小學教學樓分為三個單體，北樓、南樓、輔助樓，均為4 層磚混結構。三個單體樓分別于上世紀80年代～90年代建造，單體間設伸縮縫脫開。本結構加固設計安全等級：一級；抗震設防烈度：7 度（0.10g）；設計地震分組為第二組;建筑抗震設防類別：乙類；B 類建筑，加固后的設計使用年限：40年。本工程承重墻為240 厚粘土磚，橫墻間距為7.8 米，樓面采用預制空心樓板，圈梁的布置基本完整，設計保留單體間的伸縮縫。

圖1 南橋小學教學樓結構平面布置圖

2、主要問題及相應采取的加固措施

按上海市房地產科學研究院提供的《奉賢南橋小學北教學樓、南教學樓、輔助用房抗震鑒定》（2018-K003）結構主要情況及主要存在問題如下。

（1）乙類設防房屋總高度與總寬度（單面走廊房屋的總寬度不包括走廊寬度）的最大比值為2.3，大于2.0。（2）構造柱與墻體連接處砌成馬牙槎，但無拉結筋。（3）部分墻體抗震承載力不足，部分墻體抗壓承載力不足。（4）北樓承重墻體的砌筑砂漿實際達到的強度等級低于M2.5，砌筑砂漿強度推定值一層至四層均為1.2MPa。（5）教學樓橫墻較少、跨度較大的房間，宜為現澆或裝配整體式樓屋蓋，現狀為預制空心樓板。（6）乙類設計的教學樓橫墻較少，外墻四角、內外墻交接處、樓梯間四角未設置構造柱或構造柱設置不足。（7）南樓的北側端頭處，結構布置在平面內不閉合，僅靠樓板拉結。（8）承重窗間墻最小寬度1.2m、承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離為1.5m 等局部砌體墻段尺寸略小。

采取加固措施如下：（1）整體上建筑采用加大墻體截面法加固，北樓采用單面、雙面混凝土板墻加固方法；南樓、輔助樓采用單面、雙面鋼筋砂漿面層加固。鋼筋砂漿面層加固或者混凝土板墻加固，可較大程度的提高砌體的抗剪、抗壓能力。新增砂漿面層或混凝土墻板的內部鋼筋使得構造柱、圈梁、墻體與新增混凝土形成有效拉結、形成整體，結合原有磚墻形成抗震墻，以達到加強墻體抗震承載力、加強砂漿強度、增大墻體厚度的效果。（2）預制空心樓板的加固上，采用墻頂增加角鋼方式，以增加預制空心樓板搭接寬度，增強整體性。（3）外墻四周、樓梯四角內外墻縱橫墻交界處設構造柱，外墻采用捆綁方式增加鋼筋混凝土構造柱，內墻采用捆綁方式增加鋼箍磚核心構造柱，以改善其承載力、增強建筑整體性。（4）南樓的北側端頭處樓面下增設梁，與兩側原有柱子拉結，以形成結構圍合。（5）在滿足建筑規范及使用的前提下，門窗適當縮小，以增設混凝土收口，局部增設構造柱，以補強門窗洞口削弱的影響。

除了上述處理方式，結構設計時還采取了下列方法作為加強措施：（1）南樓最北側外伸段端頭的兩個承重柱采用截面加大法增大柱加強，以更好的控制建筑在地震作用下產生的扭轉效應。（2）通道、開洞四周、窗間墻寬度過小或抗震能力不滿足要求的部位，周邊增設構造柱，采用雙面鋼筋砂漿面層或者雙面混凝土板墻加固。（3）建筑四角增設構造柱外，建筑四角周邊原有墻體即便計算滿足，設計也人為的布置了鋼筋砂漿面層或者混凝土板墻，以加強其角部剛度、改善平面抵抗地震的影響。

3、電子計算與手算復核

計算上主要采用PKPM 鑒定加固模塊按時建模，經計算加固后的高厚比、抗震（抗力與效應之比）、受壓承載力計算、局部受壓計算等計算均符合設計要求。考慮實際的加固工程有一定的復雜度，電子計算程序可能存在計算偏差，故此進行手算抗震承載力以復核。計算思路及過程如下，依據抗震鑒定報告，本工程為B 類建筑，一二級鑒定都應滿足，由于高寬比等不滿足規范要求，應按《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）公式5.2.14 計算墻體綜合抗震能力指數

βi-為樓層墻體平均抗震能力指數，此處βi應為加固后樓層平均抗震能力指標進行計算，故此應乘以加固增強系數η。即公式為

其中φ1φ2-分別為體系影響系數和局部影響系數。φ1φ2按《建筑抗震加固技術規程》（JGJ116-2009）中 表5.2.11-1 及5.2.11-2 取值，η 按《建筑抗震加固技術規程》（JGJ116-2009）中公式5.3.2-2 及公式5.3.2-1 計算，

η0查表5.3.2.1，插入法求值，tw0原墻厚為240。按《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）公式5.2.13，

Ai-樓層抗震墻在層高1/2 處凈截面積的總面積，Abi-樓層建筑平面面積，ζoi-抗震墻的基準面積率，λ-地震7 度烈度及設計基本地震加速度0.1g 參數為1。取最弱處計算，βci大于1，滿足要求，不必計算局部墻體綜合抗震能力指數。因此，加固后墻體抗震承載力計算滿足。

4、加固設計與施工措施

4.1 承重墻增大截面加固法

采用鋼筋砂漿面層加固及混凝土板墻加固是砌體結構磚墻較為傳統的加固方法，也是目前最為通常的技術。鋼筋砂漿面層加固及混凝土板墻加固方法：鑿除磚墻粉刷面層，鑿除墻頂斜磚，墻體如有裂縫進行修補，敷設鋼筋網，鋼筋網與墻及構造柱用拉結筋拉結，與原有構造柱拉結措施采用化學植筋，墻頂空隙采用微膨脹細石混凝土灌實，墻面抹高標號（鋼筋砂漿面層加固）砂漿或者澆筑混凝土（混凝土板墻加固）。

圖2 鋼筋砂漿面層/單面混凝土板墻

設計上值需注意，鋼筋宜采用HRB335 或HRBF335 級鋼筋，鋼筋網的橫向鋼筋遇有門窗時，單面加固宜將鋼筋彎入洞口側邊錨固，雙面加固宜將兩側橫向鋼筋在洞口閉合。雙面的鋼筋網應采用Ф6 的S 型穿墻筋固定，間距宜為900mm，單面加面層的鋼筋網應采用Ф6 的L型錨墻筋固定，間距宜為600mm,錨固長度宜不小于180mm。鋼筋遇樓板時應進行穿洞，為了減少穿洞對樓板的影響，建議每隔800mm 設穿樓板洞，豎向鋼筋面積應不小于設計的每延米的豎向鋼筋面積。

混凝土板墻加固混凝土面層厚度不應小于60mm，當采用噴射混凝土施工時，不應小于50mm，豎向受力鋼筋直徑不應小于12mm。板墻加固應自基礎起，混凝土錨入原有基礎。

鋼筋砂漿面層加固的厚度室內應為35～45mm，室外或潮濕環境鋼筋砂漿面層應45～50mm。鋼筋網外保護層厚度不應小于10mm，鋼筋網片與墻面的空隙不應小于5mm，鋼筋網的鋼筋直徑宜為4mm 或6mm，實心墻宜為300x300。底層的面層，在室外地面下宜加厚并伸入地面下500mm。

4.2 增加外構造柱做法

外墻四角、樓梯間四周及墻體交匯處如無構造柱按計算及相關構造增設構造柱，構造柱布置應上下層對齊，平面上也宜左右對稱。設構造柱可提升房屋的整體抗震性，并解決局部承重墻承壓不足的問題。

圖3 新增構造柱

構造柱應埋置至基礎，并于原有條基上增設混凝土錨固柱墩，以使構造柱與原有基礎有良好的拉結。構造柱直徑應不小于12，與樓層圈梁有可靠連接，形成整體，上述措施這樣可以使構造柱與圈梁共同作用，將砌體分塊包圍又共同作用，同時采用剛4Ф12 拉桿于樓層1/3 及2/3 層高處與垂直方向的內墻進行拉結，使內墻與構造柱形成一個整體，上述措施能良好的控制砌體的裂縫產生，保證建筑的整體性完整及與原有結構的共同作用效應。

4.3 預制空心樓板增設角鋼加固

預制空心樓板下采用化學錨栓錨固與墻頂圈梁固定角鋼，角鋼固定后縫隙灌注環氧樹脂膠粘結角鋼，以增加其擱置長度，避免其地震中預制樓板突然脫落、瞬時倒塌的可能性。采取角鋼加固是目前廣泛應用的樓板加固方式，相對其他方法也很大程度上減少了施工的復雜程度。

4.4 柱增大截面加固法

南樓最北側外伸段端頭的兩個承重柱經計算，其縱筋已不滿足設計強度要求，其箍筋設置不滿足現行規范的要求，截面加大法能較好的解決柱子的縱筋和箍筋不足的問題。增大截面也有利于其抵抗地震力。

小結：

加固工程有多種方式方法，設計人員應結合實際進行恰當的加固方法選擇，尤其校安工程加固的設計其特殊性：它牽涉廣大師生們的安全，是社會的焦點；校安工程加固的作業時間不宜拉長，盡量控制施工周期，以讓學校盡早回遷，開展正常的教學秩序。所以在設計應進行合理的計算和分析，選用安全上可靠，技術上成熟，時間上可控的方案進行加固作業。