某多層框架結構教學樓的抗震加固工程技術

盛寶平 萬 巍

0 引言

我國是地震高發國家，地震造成的人員傷亡，居世界首位。同時，我國地震區也分布較廣。2008年5月12日四川省汶川發生了里氏8.0級的強烈地震，造成了大量房屋的倒塌，給當地造成了巨大災難。其中校舍建筑的破壞最為嚴重。

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構體系整體性較其他相同結構差。

為了最大限度保護師生的生命安全，建設部對抗震相關的一系列規范進行了及時的修訂:其中規定幼兒園、中小學的教學用房、宿舍以及食堂抗震設防類別不應低于重點設防類，即不低于乙類。同時對若干結構抗震的構造措施加以修訂，提高了結構抗震能力的要求。

同時，國務院啟動了中小學的校舍安全工程，要求用1年～3年時間改造好全國范圍內的有質量隱患的建筑。在教育部、建設部的統籌安排下，上海市對校舍進行了安全排查，組織相關人員對不符合要求校舍進行抗震加固設計。本文以上海浦東新區“校舍安全工程”中某多層框架結構教學樓抗震加固設計為例，做了一些探討。

1 框架結構的震害情況

5·12汶川地震后，相關結構研究人員隨即展開了對震害情況的調查［2］，框架結構房屋，由于其所用建筑材料延展性比砌體結構要好，地震力能得到有效的抵御和釋放，因此抗震性能較好，此結構校舍較少發生整體垮塌，但由于材料、施工質量以及建筑布局不合理等原因，部分結構構件也發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、彎構件。在柱剛度變化處，由于主拉應力破壞而形成45°斜裂縫，嚴重時表現為局部混凝土崩裂、鋼筋屈服外露。柱頭比柱底震害嚴重。

2)柱墻交接處產生豎向裂縫。

由于鋼筋混凝土柱與磚砌填充墻體材料剛度相差較大，再加上施工時未采取有效的拉接，造成地震時變形難以協調，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剪切破壞的特征。從現場調研來看，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。

鋼筋混凝土框架結構中的樓梯破壞較為普遍。樓梯踏步板出現受拉裂縫，嚴重時，樓梯板被完全拉斷。部分樓梯休息平臺梁板，地震時被上下踏步板剪壞。

2 房屋結構概況及抗震鑒定分析

2.1 建筑結構概況

本教學樓為5層框架結構，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，檐口標高為19.500 m，預制樓(屋)面板，填充墻體材料為240厚粘土實心磚，基礎采用鋼筋混凝土墻下條形基礎，條基基底標高為－1.900 m，主要用途為教室及辦公室。房屋抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7度(0.1g)第一組，Ⅳ類場地。

根據現場實測，房屋現有混凝土強度推薦值為C20，現有混凝土保護層有較好的護筋能力。教學樓填充墻現有砂漿強度等級推薦值為M2.7，磚強度等級推薦值為MU10。

房屋各單元結構布置與原設計相符。現有梁及柱截面尺寸和配筋情況與原設計圖紙相符，實測現有樓板厚度基本滿足原設計要求。

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:預制樓面取4.5 kN/m2，預制屋面取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;風荷載:基本風壓取0.55 kPa，地面粗糙程度為C類;梁柱荷載:考慮梁柱構件表面粉刷層的重量，梁柱構件自重容重近似取26 kN/m3。教學樓一層結構布置圖見圖1。

2.2 抗震鑒定結果

根據GB 50023-2009建筑抗震鑒定標準的要求，按照后續使用年限40年(B類建筑)，對教學樓的結構構造進行評估。

以下幾項不滿足要求:

1)原有結構設計中，框架結構采用的抗震等級為三級，根據新修訂的抗震規范，校舍建筑抗震設防類別提升為“重點設防類”，框架結構抗震等級應提高到二級。

2)一層框架柱配筋不足，實配鋼筋/計算鋼筋值普遍小于0.65，最小值為 0.35。

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

4)結構第二震型的扭轉系數為0.6，周期比為0.93，由此可以判定存在一定程度的扭轉效應。

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

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

3 加固方案

根據校舍砌體結構震害分析以及對本教學樓的抗震鑒定結論，提出以下加固方案:

1)對框架柱采用加大截面的方法進行加固處理:

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

2)設置鋼絲網水泥網砂漿面層:

對建筑各單元邊角部、樓梯間、主要通道兩側及存在明顯裂損的填充墻做鋼絲網水泥面層加固，增強墻體自身的拉結。防止地震時填充墻的開裂，崩塌。強化地震時樓梯間作為地震時快速疏散通道。

3)在建筑物端部設置剪力墻肢:

能有效降低結構在多遇地震作用下的最大層間位移，消除原有結構的扭轉效應。同時也降低了原有框架柱的軸壓比。

4)采用CFRP加固原有結構縱向框架梁:

原有設計中，結構的縱向框架按照連接橫向框架的拉梁設計，導致縱向框架梁配筋不足。用CFRP材料對此部分梁頂、梁底進行加固，補強薄弱部位。圖3為梁頂和柱連接處加固節點。圖4為樓層梁面中間支座粘CFRP構造。

5)出屋面小房的加固:

對于出屋面小房等房屋局部突出物，此類突出物的剛度遠小于下部主結構，在地震的過程中會產生“鞭梢效應”。此部分結構加固經常被設計人員所忽視，留下安全隱患。本設計對出屋面小房內側四周加設鋼絲網水泥砂漿面層進行整體加固，提高其抗側力剛度，防止其脫落傷人。

4 結論及抗震加固技術建議

根據中國建筑科學研究院開發的PKPM系列軟件JDJG模塊，同時考慮原結構中施工缺陷、鋼筋銹蝕等不利因素的影響，對房屋結構加固后的情況進行建模計算分析，結果如下:

1)加固后結構的最大層間位移角為1/847，滿足規范要求。

2)結構的前兩個震型的平動系數大于扭轉系數，周期比為0.83。可以判定加固后結構的扭轉效應不明顯，滿足要求。

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

加固此類房屋應注意的問題:

1)盡可能保持原有結構的功能。作為教學活動的載體，對校舍建筑進行加固處理的初衷是為了更好的服務于教學，加固時應采用“人性化設計”，最大限度地保證教室、主出入口、樓梯間、外走廊的活動空間。

2)應盡量不破壞原有結構的整體性，采取有效措施保證新增結構構件和原有構件的連接，杜絕由于加固施工而造成結構新的不規則。

3)加固設計應充分考慮成本。加固設計應采用高效、經濟、施工方便的方法。原則上，加固成本不得超過新建相同結構成本。結構加固勢必會破壞原有建筑、電氣及給排水的設置，加固設計施工時應盡量考慮到未來的裝修、修繕，各個專業協調配合，一步到位。防止以后建筑、電氣、給排水等專業的重復設計、施工。

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

［2］ 任曉崧，翁大根，呂西林.四川災區砌體結構房屋震害與中小學建筑的抗震設計［J］.工程抗震與加固改造，2008，30(4):71-76.

［3］ GB 50023-2009，建筑抗震鑒定標準［S］.

［4］ JGJ 116-2009，建筑抗震加固技術規程［S］.

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