某磚混教學樓高延性混凝土抗震加固設計實例分析

李風麗

（云南云檢工程技術檢測有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

云南作為我國地震災害較為頻繁和嚴重的地區(qū)，全省超過80%的地區(qū)為高烈度地區(qū)。同時由于很多校舍存在建造年代久遠、使用過程中更改使用功能、私自加建以及一些當?shù)亟ㄔ炝晳T和施工技術等問題，導致許多既有校舍未達到本地區(qū)的抗震設防要求和其他的防災要求。因此，對于云南這樣一個地震災害頻繁、受災嚴重的省份而言，校舍的安全鑒定、加固改造具有十分重要的意義。

本文以云南某小學教學樓為例，根據(jù)相關單位檢測鑒定結果，針對性地提出采用高延性混凝土加固的設計思路，通過建模計算驗證了該設計方案的合理性。

1 工程概況

云南省內某小學教學綜合樓為4層磚混結構,建筑高度為12.40m，建筑總面積為1335.00m2。該工程建造年代為1992年，屋面板為預制混凝土板。

該工程原設計使用年限為50年，按規(guī)范要求，本次加固后后續(xù)設計使用年限為40年。該工程作為教學樓使用，加固前后未變更使用功能，故抗震設防類別為重點設防類別（乙類建筑）。

2 抗震鑒定結果

2.1 地基基礎

通過現(xiàn)場踏勘，房屋現(xiàn)存的側向位移未超出限值范圍，側向位移限值詳見《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015）第7.3.10條；室外地坪未見明顯裂縫，主體結構也未發(fā)現(xiàn)明顯的沉降裂縫和由地基變形引起的發(fā)展中的裂縫。

2.2 房屋現(xiàn)狀及材料強度

上部結構為4層砌體結構，承重墻體1～14軸線墻體為240mm厚燒結普通磚，A和B軸線為370mm厚燒結普通磚墻，磚塊之間的粘結材料為混合砂漿。

該工程針對砂漿強度采用貫入法進行檢測，針對磚砌體抗壓強度采用回彈法進行檢測分析，檢測結果見表1所示。

表1 磚抗壓強度及砂漿強度檢測表

2.3 抗震構造措施檢測

從結構體系、構件尺寸、整體連接及構造、裂縫，結構損傷進行抗震措施的檢測分析[1]，結果如下：

（1）砌體結構構件高厚比未超出GB50003-2011 第6.1.1條要求范圍；

（2）該工程在內縱橫墻交接處未按照規(guī)范要求設置構造柱，外縱橫墻交接處以及樓梯間四角部分設有構造柱；

（3）現(xiàn)場房屋承重構件未出現(xiàn)不適于承載的裂縫。

2.4 結構整體牢固性檢測

檢測結果表明：本建筑上部砌體結構的砌筑方式為三順一丁式；縱橫墻交接處設置拉結筋或鋼筋網(wǎng)片；構件磚強度及砂漿強度等級符合現(xiàn)行規(guī)范的要求；每層墻上部均有圈梁，樓梯間四角有構造柱，部分內縱墻和橫墻交接處無構造柱。經(jīng)現(xiàn)場核查構造措施并結合《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015）第7.3.9條，得出該工程不滿足規(guī)范中Au、Bu級的要求。

2.5 墻體抗震承載力

依據(jù)現(xiàn)場實測結果，通過計算分析，在基本組合作用下，本建筑砌體墻受壓一、二層局部抗力與效應之比R/roS＜1.0。一層和二層墻體受壓承載力計算分別見圖1、圖2所示。

圖1 基本組合作用下一層墻體受壓承載力計算（抗力/效應）

圖2 基本組合作用下二層墻體受壓承載力計算（抗力/效應）

3 抗震加固方案選擇

經(jīng)鑒定，教學樓綜合抗震能力不滿足要求，考慮房屋結構使用的安全性，需要對整樓進行抗震加固處理，以達到抗震標準設防類要求。

磚混結構常用抗震加固方法主要有：壓力灌漿修補裂縫、增設構造柱和圈梁、增設面層（水泥砂漿和鋼筋網(wǎng)砂漿面層）、現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固、高延性混凝土加固技術、增設抗震墻等[2]。本文以鋼筋混凝土板墻加固技術和高延性混凝土加固技術進行對比分析。

3.1 鋼筋混凝土板墻加固技術

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固是在原結構的砌體墻的一側或者兩側增設一定厚度的現(xiàn)澆混凝土面層，形成“砌體-混凝土”組合墻體，以此來大幅度提升墻體的承載能力和變形性能[3]。傳統(tǒng)鋼筋混凝土板墻的優(yōu)點是墻體在平面內及平面外的抗彎強度、抗剪強度及延性均得到較大提高，適用于增幅較大的靜力加固及抗震加固[4]。但從總體來看，傳統(tǒng)板墻加固的方案具有較大的局限性，加固空間較為狹小，加之本項目工期要求較高，故采取傳統(tǒng)板墻加固方式可行性不強。

3.2 高延性混凝土加固技術

高延性混凝土由膠凝材料、集料、外加劑和合成纖維等原材料組成，按一定比例加水攪拌、成型以后，具有高韌性、高抗裂性能和高耐損傷能力的特種混凝土[5]。高延性混凝土（HDC）的抗壓強度＞50MPa，抗折強度是普通混凝土的2～3倍,抗拉強度是普通混凝土的2.5倍以上，拉應變能達到普通混凝土的200倍以上，峰值壓應變也可達普通混凝土的2～3 倍。HDC 與砌體結構具有良好的粘結性能，在加載時破壞面以磚砌體內聚破壞為主。

與傳統(tǒng)的加固技術相比，高延性混凝土加固技術具有以下優(yōu)點：

（1）高延性混凝土加固的工藝較為簡單，相對施工周期較短，其工期是鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固的1/3左右；

（2）高延性混凝土具有良好的抗裂及抗?jié)B能力［6］，加固后可以解決原有墻面的開裂及滲漏現(xiàn)象；

（3）高延性混凝土的加固面層相對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板墻較薄，加固施工結束后，對于原有房間的使用面積影響較小；

（4）高延性混凝土在施工時僅需涂抹在原磚砌體的表面，在面層厚度超過20mm厚的區(qū)域需要設置拉結筋，其余地方對原有墻面不會造成破壞；

（5）相較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板墻加固，高延性混凝土加固荷載增加量較小，在原基礎完好的情況下避免了基礎二次加固；

（6）高延性混凝土的綜合造價較低，可節(jié)約施工成本。

考慮到本項目工期緊，相對造價較低的傳統(tǒng)板墻加固時間上不能滿足工期要求，該工程決定采用高延性混凝土面層、配筋面層進行抗震加固。

4 加固設計方案

該工程為既有建筑的加固設計，采用的主要依據(jù)為《建筑抗震鑒定標準》及《建筑抗震加固技術規(guī)程》，按照A 類建筑第二級抗震鑒定結果綜合抗震能力指數(shù)小于1.0，在進行加固布置設計后，結構綜合抗震能力指數(shù)大于1.0[7]。由于該工程既有磚混結構年代久遠，按現(xiàn)行規(guī)范要求，原結構構造柱、圈梁缺失較多；2022年新加固地標《云南省既有房屋建筑抗震加固技術導則（試行）》、國家建筑通用規(guī)范全面執(zhí)行，全部嚴控加固指標，不允許既有建筑降低抗震構造，加固等級遠高于往年，因此增設大量構造柱、圈梁，墻體加固后抗震綜合能力指數(shù)留有一定富余量。該工程結構加固方案如下：

（1）針對鑒定意見中房屋局部構件承載力不滿足設計要求、該房屋整體抗震性能不滿足后續(xù)使用年限等問題，對相應墻體采用高延性混凝土面層加固：

①240 墻：15mm 厚雙面、20mm 厚單面、25mm 厚單面、25mm厚雙面加固；

②370 墻：15mm 厚雙面、20mm 厚單面、25mm 厚單面、40mm厚配筋面層雙面加固；

③山墻、樓梯間側墻均采用高延性混凝土面層雙面加固。另單體橫墻數(shù)量較少時，橫墻均采用高延性混凝土面層雙面加固。

砌體墻面基層處理后，磚墻面凹凸不平整處，采用高延性混凝土填實找平，超過20mm厚處，雙面面層加固時設置S型拉結筋，單面面層加固時設置L型拉結筋。

④砌體墻面基層處理后，磚墻面凹凸不平整處，采用高延性混凝土填實找平，超過20mm厚處，雙面面層加固時設置S型拉結筋，單面面層加固時設置L型拉結筋。

（2）針對鑒定意見中房屋局部構件承載力不滿足設計要求，以及現(xiàn)行規(guī)范中砌體房屋結構整體性抗震構造措施不符合要求時，采用以下加固方法：

①增設高延性混凝土砌體組合構造柱、高延性混凝土砌體組合圈梁（40mm厚面層）；

②預制樓板加固：板底粘貼碳纖維布，板邊緣采用角鋼、加勁鋼筋與圈梁錨固連接。

該加固工程樓板均為預制樓板，由于現(xiàn)行規(guī)范對預制板質量檢測無明確規(guī)定，且受現(xiàn)有技術手段和現(xiàn)場實際情況限制，無詳細預制板檢測數(shù)據(jù)；按最新通用規(guī)范（全文強條），教室、走廊荷載全面提高；根據(jù)檢測部門對預制板返場抽檢意見及查詢預制板資料，根據(jù)專家意見進行加固設計，以最不利條件計算，經(jīng)計算預制樓板強度低，配筋嚴重不足，需雙層碳纖維補強。

（3）房屋易倒塌部位不符合要求時,采用下列加固方法[8]：

①采用增設高延性混凝土面層加固解決窗間墻寬度不滿足規(guī)范要求的問題；

②當跨度較大位置（即有支撐大梁部位）的小墻肢的抗震承載能力不滿足規(guī)范計算要求時，采用加設高延性砌體組合構造柱的方式進行加固補強；

③當在設有支承懸挑構件的墻體不滿足計算的抗震要求時，同樣采用增設高延性砌體組合構造柱的方式進行加固補強，增設位置定在懸挑構件的端部；

④當內隔墻的長度過長或計算高度過高時，可采用高延性混凝土面層加固；但當內隔墻原本的拉結不牢固或未設置拉結鋼筋時，可釆用高延性混凝土鑲邊的加固方案進行補強；

⑤當既有的出屋面女兒墻未設置拉結措施或原有的女兒墻超出規(guī)范規(guī)定高度時，建議拆除或可采用拉桿進行加固處理。

（4）墻體裂縫處理：采用壓力灌漿法。

該工程一層墻體加固平面布置圖見圖3所示。

圖3 一層墻體加固平面布置圖

5 結束語

本文對云南省內某小學磚混教學樓高延性混凝土抗震加固設計實例進行分析，結論如下：

（1）初期建造的教學樓由于設計標準、施工質量、設防要求等因素，普遍存在不滿足現(xiàn)行乙類重點設防要求。同時，教學樓作為人員密集場所，其抗震性能更為重要。因此，必須對現(xiàn)有磚混結構教學樓進行抗震鑒定和必要的加固。

（2）在進行加固方案設計時，由于既有建筑的差異性，加固方案難以一概而論，需依據(jù)抗震鑒定報告及結論，結合現(xiàn)場及既有建筑的實際情況，綜合分析評定后，選定合理的加固方案，以達到既滿足抗震要求，又經(jīng)濟合理便于施工。

（3）高延性混凝土作為一種新興發(fā)展的加固材料，抗震效果極強，相較原有的鋼筋混凝土板墻加固技術，高延性混凝土施工簡便，對原有砌體結構破壞較小，可以節(jié)約大量的時間和人工成本，能夠較好地在磚混結構加固中發(fā)揮其作用，具有較好的社會和經(jīng)濟效益。