現有底框砌體結構應用于乙類建筑的加固實踐

■ 李自強 Li Ziqiang

1 項目簡況

上海市公用事業學校凱旋路校區位于上海市凱旋路，內有教育樓、食堂、實驗樓、學生宿舍樓、變電站、門衛等多幢房屋。根據國務院辦公廳、上海市政府辦公廳等政府部門關于中小學校舍安全工程實施方案的通知(簡稱校安工程)，本校屬分類分部實施對象，因此根據上海市教育局的統一部署，由區教育局校舍基建管理站委托同濟大學建設工程抗震鑒定委員會對校舍進行抗震鑒定，對各房屋結構安全性和抗震性能作出綜合評價。根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB50223-2008)教育建筑中，幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂的抗震設防類別為重點設防類(乙類)，同時按照建設年代劃分，確定本次抗震鑒定范圍為：教育樓、食堂及浴室、學生宿舍樓1#樓、2#樓共4幢房屋，形成《上海市公用事業學校(凱旋校區)校舍結構抗震鑒定報告》。其中學生宿舍樓1#樓為底層框架-抗震墻砌體房屋結構體系，平面整體近似呈“L”形，東西向長20.64m、南北向長28.04m，共6層，總建筑面積約為2 580m2，房屋底層層高為5.0m，2~6層層高均為3.0m，室內外高差為0.3m，總建筑高度20.3m，底層為體育活動用房，以上各層主要作為學生宿舍使用。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)第7.1.2條，乙類建筑不應采用底層框架-抗震墻砌體房屋，《建筑抗震鑒定標準》(GB50023-2009)第7.1.1條也明確指出底部框架磚房結構適用于丙類設防的磚房，在其條文解釋中也指出內框架磚房、底層框架磚房抗震能力較差，這類房屋僅適用于丙類設防的情況，因此本幢房屋具有其特殊性，本文將就此展開。

2 抗震鑒定

2.1 鑒定內容

本次抗震鑒定主要內容有：①結構情況的檢測與復核；②房屋相對不均勻沉降趨勢與傾斜情況的檢測；③房屋主要結構材料強度的檢測；④房屋損傷狀況的檢測；⑤房屋使用荷載的調查；⑥不考慮地震作用下房屋結構安全性的分析與評定；⑦房屋結構抗震性能鑒定；⑧對可能存在的問題提出處理建議。

2.2 學生宿舍樓1#樓現狀

學生宿舍樓1#樓采用底層框架磚房結構，底層柱網尺寸主要為3.4m×5.6m、3.4m×7.4m或3.4m×1.8m，框架柱截面尺寸主要為370mm×490mm 或370mm×370mm，2層樓面縱橫向框架梁截面尺寸主要為250mm×650mm、240mm×500mm 或240mm×560mm等。2層樓面板采用縱向布置120mm 厚預制混凝土板。2~6層采用磚混結構，主要采用縱墻承重，端部設部分橫墻承重，各層承重磚墻厚240mm，采用標準黏土磚和混合砂漿砌筑，各軸縱墻在樓屋面大梁下方設有突出墻面的扶壁磚柱，截面尺寸為370mm×490mm。北側②~⑧軸部分橫墻間距在3.4~17m之間，橫向為內廊式布局，中央設1.8m寬走廊，走廊兩側進深為5.6m；南側①~②軸部分橫墻間距為20.4m(圖1、2)。各層樓屋面大開間部位橫向設截面尺寸為240mm×500mm 或250mm×650mm 的混凝土大梁。各層樓屋板主要采用縱向布置的120mm厚預制混凝土板。各層四周承重磚墻頂設有截面尺寸為240mm×560mm 的混凝土圈梁，內墻未設置圈梁，上部結構未設混凝土構造柱。房屋基礎采用柱下混凝土條形基礎，基礎埋置深度為室外地坪下1.1m。

2.3 主要鑒定結果

(1)材料強度檢測結果表明，房屋混凝土強度綜合評定為20.1MPa，達到原設計強度等級C18 的要求；2層砂漿強度評定為1.4MPa，3~6層砂漿強度評定為1.5MPa，低于原設計強度等級M7.5(75#) 和M5(50#) 的要求；磚強度等級綜合評定為MU10，達到原設計強度等級MU10(100#)的要求。

(2)不考慮地震作用下，房屋底層框架結構的部分框架梁柱承載力不足，且

2 層和3層有部分墻段不能滿足豎向受壓承載力的計算要求。

(3)房屋外觀和內在質量、結構形式、房屋高度、總層數、抗震橫墻間距、框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密構造、側向剛度比值、樓屋蓋形式、構造柱和圈梁的設置、墻段實際尺寸最小距離等不能滿足國家標準《建筑抗震鑒定標準》(GB50023-2009)關于 A 類建筑底層框架磚混結構房屋要求。

(4)房屋底層部分框架梁柱不能滿足抗震抗剪承載力計算要求，2~4層均有部分墻段不能滿足抗震抗剪承載力計算要求。

(5)房屋采用底層框架磚混結構，其結構抗震性能較差，且總高度和總層數均超過規范限值要求，已無法滿足乙類建筑的抗震性能要求。

(6)房屋各層采用預制混凝土板，未設混凝土整澆層。

(7)底層框架結構部分的框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密構造等部分滿足抗震鑒定標準要求，且部分框架梁柱抗震承載力不足。

(8)房屋上部磚混結構部分抗震橫墻間距、構造柱和圈梁的設置、墻段實際尺寸最小距離等不能滿足抗震鑒定標準要求，且2~4層部分墻段抗震承載力不足。

3 加固方案確定

本幢建筑建于1986年，原設計未考慮抗震設防，現處正常使用期間；在不遭受地震影響時，有部分構件不滿足承載力要求，同時抗震鑒定結果認為：在遭受預期地震影響，其綜合抗震能力不足，且與其建筑功能要求的設防類別不匹配，需要進行抗震加固。由于本幢建筑結構體系不滿足現行抗震規范對乙類建筑的要求，即使加固后仍然面臨此問題，因此在方案設計階段尋找多種途徑的解決方法。對于此類問題可供選擇的解決方法有：

(1)改變使用功能，使建筑的抗震設防類別成為標準設防類，即丙類。

(2)改變結構體系，由原來的底層框架-抗震墻砌體結構改建成全框架結構或全砌體結構。

(3)在原結構基礎上進行加固，以滿足乙類建筑除結構體系外的相關抗震設防要求。

(4)拆除重建。

對于方案(1)，從項目伊始校方一再強調，由于正處入學人數高峰期，且受校址周邊條件約束，無法擴建，本宿舍樓的建筑功能必須保留，因此無法通過改變建筑使用功能來改變建筑抗震設防類別以滿足抗震規范對結構體系的要求。

對于方案(2)，改變結構體系為全框架結構體系，須在2層以上磚壁柱位置處改為框架柱，沿建筑外輪廓及平面內部分位置框架柱間增加框架梁，同時加固3層及以上樓層原壁柱間次梁，以滿足框架梁的設計要求。此加固涉及磚壁柱拆除變框架柱、預制板支承圈梁變框架梁、施工期間樓板層層托換等復雜過程，經初步估算，施工及措施費用已超過新建同類型建筑造價的60%~70%以上，尚不包括原附屬設施的更新以及拆除過程中不可預見的原結構構件的替換，因此不被校方采納。另外改變原結構體系為全砌體結構的方案，需要在底層大空間處增加砌體抗震墻，同時減小周邊外墻的開洞面積，由于影響到校方一再希望保全的使用功能，故此方案不可行。

對于方案(4)拆除重建，由于校舍與周邊民居凈距較近、目前已不滿足現行規范關于退界和日照要求、為歷史遺留問題，一旦重建就必須按現行規范的要求執行，因此在不影響周邊民居的前提下，此棟樓不能建造；且拆除重建即使能滿足規劃要求，但造價過大，已遠超出批準預算的允許，不具備拆除重建可能性。

綜合上述分析，唯方案(3)在原結構基礎上進行加固，以滿足乙類建筑除結構體系外的相關抗震設防要求可行。針對實際情況，設計方對于本幢宿舍樓抗震加固的基本思想是：從實際出發，在保持建筑本來面目及建筑功能完整性的前提下，對不考慮地震影響時承載力不足的部分進行加固，同時按現行規范對乙類建筑的抗震設防要求進行抗震加固，在原有基礎上提高本幢建筑的抗震性能，加強結構的整體性、抗倒塌性，提高結構的綜合抗震能力，以便在地震發生時最大程度地保證教師學生的生命安全。

3 加固設計

本地區抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期為0.9s，本幢建筑抗震設防類別為重點設防類(乙類)，按設防烈度8度采取抗震措施，抗震鑒定為A類建筑，后續使用年限為30年。

加固設計采用中國建筑科學研究院PKPM系列“砌體鑒定加固設計軟件”的JDJG計算軟件和“砌體結構輔助設計軟件”的QITI計算軟件。針對該樓抗震鑒定存在的主要問題，抗震加固采取以下主要措施：

(1)對于鑒定報告指出的材料強度低于原設計值的，加固設計取值不高于鑒定結果值。

(2)房屋原設計采用底部框架-砌體抗震墻結構，抗震性能比較差，故按8度設防烈度要求對底層框架增設混凝土抗震墻，提高底層剛度，從嚴要求，使得上部結構與底部結構剛度比不大于2.0，不小于1.0，而非7度抗震時的剛度比不大于2.5、不小于1.0。計算結果顯示：X方向剛度比為1.39，Y方向剛度比為1.30。鋼筋混凝土抗震墻按II級抗震等級采取抗震構造措施，并按加強部位、約束邊緣構件進行截面設計；同時對底層框架梁、柱采用增大截面并加大配筋并按抗震等級I級采取抗震構造措施，提高結構的抗震性能和承載力(圖3、4)。

(3)根據鑒定報告，對原結構材料強度偏低、實際局部最小距離和抗震受剪承載力偏低的墻體采用鋼筋網片水泥砂漿加固。

(4)根據鑒定報告，房屋上部磚混結構原設計未設置構造柱，對原砌體磚柱采用外包混凝土加固等代構造柱的方法提高整體性。

(5)根據鑒定報告，房屋上部磚混結構僅外墻設置圈梁，現在對未設置圈梁的內墻采用新增圈梁的方法提高上部結構的整體性和抗震性能(圖5~7)。

(6)對原結構混凝土強度偏低的大梁，采用黏貼碳纖維布進行加固。

(7)原上部結構橫墻間距較大，采用板面新增整澆層方法提高樓蓋的整體性和結構的抗震性能。

(8)對新增剪力墻部位的基礎進行增大截面加固，使得原混凝土條形基礎能滿足承載力的要求。

圖5 2~6層新增圈梁及壁柱加固平面圖

最終，后續審查和咨詢部門也認可此加固基本思想和加固方法。

5 結語

綜上所述，本文通過“校安”工程中一棟結構體系不適用于現行抗震規范的現有建筑的加固設計，展示了抗震鑒定、加固方案比較、加固思想形成、加固設計主要方法等過程。對于現有的、正在使用的校舍工程，由于受建造年代缺少抗震設計的限制，甚至結構體系不符合現行抗震規范要求，且現有建筑必須繼續履行當前功能時，現實的設計思想是通過合理設計、適當加固，在原有基礎上提高現有建筑的抗震性能，加強結構的整體性，提高結構的綜合抗震能力，以達到加固目的。“校安”工程將在既定范圍內深入展開，本項目的加固實踐可為同類型工程提供有益的參考。