某教學樓房屋結構抗震鑒定與加固設計

摘要：本文主要針對教學樓房屋結構抗震鑒定與加固設計展開了探討，通過結合具體的施工實例，對結構抗震鑒定作了詳細的闡述，并系統分析了相關抗震加固的幾個方面，以期能為有關方面的需要提供有益的參考借鑒。

關鍵詞：教學樓結構；抗震鑒定；加固設計

近年來，我國地震災害出現的次數頻繁，對人們的生命和財產安全造成了嚴重的威脅，特別是對中小學建筑造成了大量破壞。而中小學的學生都是未成年人，他們在突發地震時自救能力差，因此，需要對中小學校的建筑進行全面排查、鑒定和加固，以保障其抗震性能，減少中小學學生的傷亡。

1 工程概況

某教學樓建于1991 年，自建成后荷載及使用功能均無較大改變，無結構加層、改建及擴建現象。教學樓平面基本呈U 形，三條抗震縫將結構分成四個獨立的單體。房屋總層數為5 層，室內外高差為0.6m，一至四層層高3.5m，五層層高3.55m，女兒墻高0.85m，總高約19.0m。長約60.92m，寬約47.0m，其建筑面積約為3059m2，其平面如圖1.房屋結構形式為砌體結構，采用條形基礎，墻體采用普通燒結磚砌筑，承重墻厚度為240mm，樓板為預制多孔板厚120，設置有圈梁和構造柱。抗震設防烈度為7 度，乙類設防。

圖1 教學樓建筑平面布置圖

2 現場檢測結果

2.1 地基與基礎

該教學樓基礎采用條形基礎，在對基礎的檢測中，未發現明顯的傾斜、變形、裂縫等缺陷，未出現腐蝕、粉化等不良現象。上部結構未發現由于不均勻沉降造成結構構件的開裂和傾斜，建筑地基和基礎無靜載缺陷，地基主要受力層范圍內部不存在軟弱土、液化土和嚴重不均勻土層，非抗震不利地段，地基基礎基本完好。

2.2 現狀調查

該建筑物現狀基本完好，支撐大梁的墻體無豎向裂縫，承重墻及交接處無明顯裂縫。墻體無嚴重酥堿和明顯歪閃，未發現返潮等不良現象。內外裝飾面表觀平整、無裂縫，樓、屋蓋構件無明顯變形和嚴重開裂，梁板未見露筋、保護層脫落、酥堿等現象。屋面防水層現狀基本完好，未發現漏水現象。

2.3 強度檢測

該教學樓砌體磚抗壓強度檢測結果為MU10，混合砂漿強度推定值為M1.0，混凝土抗壓強度推定值為14。4MPa。

3 結構抗震鑒定

3.1 第一級鑒定

中小學建筑為重點設防類建筑（乙類設防），應按比本地區設防烈度提高一度的要求核查其抗震措施。該教學樓后續使用年限不宜少于30年，應采用《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）規定的A類建筑抗震鑒定方法。鑒定結論如下：

（1）房屋的總高度、層數和各層層高。該建筑地上三層，為8度地區橫墻很少的乙類建筑，其層數和總高均超過鑒定標準規定的三層和10m的限值。各層層高均為3.4m，符合抗震規范中砌體結構3.6m層高的規定；

（2）抗震橫墻最大間距。該教學樓最大抗震橫墻間距為9m，符合鑒定標準規定的A類砌體結構房屋現澆混凝土樓（屋）蓋的抗震橫墻最大間距是11m的要求；

（3）房屋的高寬比。鑒定標準要求的房屋高寬比限值是2.0，該教學樓的高寬比為0.7，滿足要求；

（4）房屋承重窗間墻和外墻近端至門窗洞間的距離。該校舍距離為2.1m和1.3m分別大于規范限值1.5m和1.0m，滿足要求；

（5）承重墻體的磚和砂漿的強度等級。承重墻磚的強度等級為MU10>MU7.5（規范值），滿足要求；混合砂漿的強度等級為M1.0，規范規定8，9度時砂漿強度不小于M1.0滿足要求；

（6）混凝土構件的強度。該建筑結構部分混凝土構件抗壓強度推定值為14。4MPa<15MPa，不滿足要求；

（7）縱橫墻的平面布置。基本均勻對稱、上下連續，滿足要求；

（8）樓梯間位置。設在房屋的盡端或轉角，不滿足要求；

（9）構造柱，鋼筋混凝土圈梁的布置和配筋，樓（屋）蓋與墻體的連接均滿足要求；

（10）抗震橫墻間距和寬度的驗算。根據《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009），樓層總層數為3層，砂漿強度等級為M1.0，則承重橫墻間距限值：3層L=4.7m；1，2層L=3.3m；校舍寬度限值：3層B=6.7m；1，2層B=4.9m。本校舍的平均橫墻間距5。7m，校舍實際教學樓寬度14.64m，均不滿足要求。

綜上所述，該教學樓在第一級抗震鑒定時有以上幾項不符合鑒定標準和抗震規范的要求，依據鑒定標準規定，需要進行第二級抗震鑒定來進一步判斷其是否滿足抗震鑒定要求。

3.2 第二級鑒定

（1）樓層平均抗震能力指數

橫墻間距和房屋寬度均超過或其中一項超過第一級鑒定限值的房屋，可采用樓層平均抗震能力指數方法進行第二級鑒定。樓層平均抗震能力指數公式如下：

βi=Ai/Abiζoiλ （1）

式中，βi為第樓層縱向或橫向墻體平均抗震能力指數；Ai為第i樓層縱向或橫向抗震墻在層高1/2處凈截面積的總面積，不包括高寬比大于4的墻段截面面積；Abi為第樓層建筑平面面積；ζoi為第樓i層縱向或橫向抗震墻的基準面積率，按《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）附錄B采用；λ為烈度影響系數；

對該建筑結構進行計算可得，Abi均為587.8m2；ζoi承重橫墻1～2層為0.0388，3層為0.0268；承重縱墻1～2層為0.0325，3層為0.0237。該建筑抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.20g，λ取1.5。縱橫墻各層截面積相同，只需計算1層，經計算，縱橫墻首層的截面面積分別為23.18m2，22.778m2。

運用式（1）計算出樓層平均抗震能力指數如表1，2所示。

表1 縱向墻體樓層平均抗震能力指數

表2 橫向墻體樓層平均抗震能力指數

（2）樓層綜合抗震能力指數

現有結構體系、樓（屋）蓋整體性連接、圈梁布置和構造及易引起局部倒塌不符合第一級鑒定的要求，可采用樓層綜合抗震能力指數方法進行第二級鑒定。樓層綜合抗震能力指數應按下式計算：

βci=φ1φ2βi （2）

式中，βci為第樓層的縱向或橫向墻體綜合抗震能力指數；φ1為體系影響系數，按照《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）有關規定取值；φ2為局部影響系數，按照《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）有關規定取值；運用公式（2）計算出樓層平均抗震能力指數如表3，4所示。

表3 縱向墻體樓層綜合抗震能力指數

表4 橫向墻體樓層綜合抗震能力指數

（3）墻段綜合抗震能力指數

實際橫墻間距超過剛性體系規定的最大值，有明顯扭轉效應，易引起局部倒塌，不符合第一級鑒定要求，當最弱的樓層綜合抗震能力指數小于1.0時，可采用墻段綜合抗震能力指數方法進行第二級鑒定。墻段綜合抗震能力指數應按下式計算：

βcij=φ1φ2βij （3）

式中，βij=2Aij×Abi×βi/Ai×（（Aij×Abi/Ai）+Abij，o）；

令D=2Aij×Abi/Ai×（（Aij×Abi/Ai）+Abij，o），

運用式（3）計算出墻段綜合抗震能力指數如表5所示：

綜上所述，通過對結構進行樓層平均抗震能力指數、樓層綜合抗震能力指數和墻段綜合抗震能力指數的計算，分析結果數據得出該中小學建筑第二級鑒定不滿足要求，需對原建筑結構進行加固。

4 抗震加固分析

4.1 加固設計

現有的校舍經過第一級和第二級鑒定不滿足要求且無法拆除或改變使用功能，需繼續使用，經設計計算，為了保證原有樓層墻體加固后剛度不致發生突變，同時要求加固后結構造型美觀，可采用雙面鋼筋網水泥砂漿面層或雙面鋼筋混凝土板墻對所有縱橫墻進行了全面加固，提高結構的整體性和抗震能力，延長結構的使用壽命。

表5 加固前各層墻段綜合抗震能力指數

鋼筋網水泥砂漿加固法，面層的材料和構造如下：

（1）砂漿強度等級采用M10，面層的厚度為40mm；

（2）雙面加固層的鋼筋網為Φ6@300，雙向；

（3）采用Φ6@900的S形穿墻錨筋，呈梅花狀分布；

（4）鋼筋網的橫向鋼筋遇有門窗洞口時，將兩側的橫向鋼筋在洞口閉合；

（5）鋼筋網四周與大梁、樓板、墻或柱可靠連接，采用錨筋、插入短筋或拉結筋等方式連接；

（6）豎向鋼筋連續貫通穿過樓板，在樓板處采用集中配筋方式穿過。

鋼筋混凝土板墻加固法，面層材料和構造如下：

（1）板墻混凝土強度等級為C20，鋼筋采用HPB300和HRB335級熱軋鋼筋；

（2）板墻單面厚度為50mm；

（3）板墻內配置單片鋼筋網片，橫向鋼筋采用8，豎向鋼筋采用12，間距均為200mm；

（4）板墻底部應有基礎，且應與原基礎可靠連接；

（5）板墻與原有墻體的連接，沿墻體高度每隔0.7～1.0m在兩端各設1根12mm的拉結筋，其一端錨入板墻內的長度不宜小于500mm，另一端應錨固在端部原有墻體內；

（6）雙面板墻宜采用Φ8，間距為900mm的S形穿墻拉結筋與原墻體連接，錨筋在砌體內的錨固深度不小于120mm，錨筋的間距為600mm，穿墻筋的間距為900mm，并呈梅花狀布置；

（7）板墻上下應與樓、屋蓋可靠連接，至少應每隔1m設置穿過樓板且與豎向鋼筋等面積的短筋，短筋兩端應分別錨入上下層的板墻內，其錨固長度不應小于短筋直徑的40倍。

4.2 抗震驗算

加固后結構的墻段或樓層的綜合抗震能力指數

應按下式計算：

βs=ηφ1φ2β0 （4）

式中，β0為墻段或樓層原有的抗震能力指數；βs為加固后墻段或樓層的綜合抗震能力指數；η為加固增強系數；Φ1，φ2意義同（2）式。

面層加固法加固后墻段的增強系數可按式（5，6）計算，計算結果見表6。

（5）

ηpij=240[η0+0.075（two/240-1）/fVE]/two （6）

式中，ηpi為面層加固后第樓層抗震能力的增強系數；ηpij為第i樓層第j墻段面層加固的增強系數；Aio為第i樓層中驗算方向原抗震墻在層高處凈截面的面積；Aijo為第i樓層中驗算方面面層加固后的抗震墻，第j墻段在層高處凈截面的面積；n為第i樓層中驗算方面面層加固抗震墻的道數；η0為基準增強系數；two為原墻體厚度；fVE原墻體的抗震抗剪強度設計值；

表6 板墻加固強度的增強系數

運用結構分析軟件PKPM鑒定加固（JDJG）模塊進行抗震計算，計算結果見表7。

表7 樓層綜合抗震能力指數對比

由表7分析可知：

（1）砌體結構加固前各樓層縱橫向綜合抗震能力指數均小于1.0，采用雙面鋼筋網水泥砂漿或鋼筋混凝土板墻加固后，綜合抗震能力指數大于1.0，結構的整體抗震性能大幅度提高；

（2）采用鋼筋混凝土板墻加固的校舍，其抗震能力提高的幅度大于采用鋼筋水泥砂漿加固的校舍；

（3）層數越高，提高的幅度越大，三層采用雙面板墻加固后抗震能力指數提高了近4倍。

5 結論

綜上所述，由于近年來地震災害頻發，建筑抗震設防問題再次尖銳的擺在眾人面前。為避免中小學校舍在地震中發生整體垮塌，危及師生人身安全，需要加強中小學教學樓的抗震性能，因此，有關部門要對此類建筑做好相關的抗震鑒定工作，并進行加固抗震的施工，以保障建筑的抗震性能，減少中小學學生的傷亡。

參考文獻：

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