中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與加固對(duì)策研究
——樓梯加固方法研究

呂 旭

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司（滬），上海 200000）

中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與加固對(duì)策研究
——樓梯加固方法研究

呂 旭

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司（滬），上海 200000）

針對(duì)蘇州市古城三區(qū)總計(jì)839幢中小學(xué)校舍的現(xiàn)狀及加固情況，文章分別按結(jié)構(gòu)形式、建造年代等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并從樓梯的震害類型及其分析、樓梯常用加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性、蘇州市校舍樓梯的抗震缺陷類型、蘇州市校舍樓梯加固方法的現(xiàn)狀這4個(gè)方面對(duì)樓梯加固進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)原理可靠性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性方面的考慮，采用粘貼纖維復(fù)合材加固法加固樓梯。

中小學(xué)教學(xué)樓；抗震；樓梯加固

近年來(lái)，全球地震災(zāi)害頻發(fā)，給人類帶來(lái)了巨大的傷害和經(jīng)濟(jì)損失。尤其是2008年汶川地震給中國(guó)國(guó)民敲響了警鐘，在救災(zāi)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)受災(zāi)地區(qū)存在大量中小學(xué)校舍受損嚴(yán)重，究其根本，在于前期設(shè)計(jì)建造過(guò)程中對(duì)抗震設(shè)防措施考慮不夠完善。《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223—2008，規(guī)定中小學(xué)校舍的抗震措施應(yīng)該按照高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求，進(jìn)行加強(qiáng)。從抗震鑒定方面考慮，設(shè)防烈度提高1度后，現(xiàn)有中小學(xué)校舍將會(huì)在不同程度上無(wú)法滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023--2009要求，從嚴(yán)格意義上來(lái)講，均應(yīng)進(jìn)行抗震加固。

其中房屋結(jié)構(gòu)中樓梯作為重要的緊急逃生的豎向通道，在抗震加固研究中正受到越來(lái)越多的重視。文章在對(duì)蘇州市古城三區(qū)（滄浪區(qū)、平江區(qū)、金閶區(qū)）總計(jì)839幢中小學(xué)校舍的現(xiàn)狀及加固情況調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)樓梯加固進(jìn)行了探討。

1 樓梯的震害類型及其分析

在險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，建筑物內(nèi)人員主要通過(guò)樓梯進(jìn)行疏散。樓梯若發(fā)生破壞，會(huì)造成大量的人員傷亡并阻礙后期的救援工作。為保證它的安全性，樓梯不僅要有足夠的承載力與整體性，同時(shí)還要確保非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在以上極端情況下不會(huì)發(fā)生脫落。

1.1 梯板破壞

震害發(fā)生時(shí)，樓梯梯板板底位置的混凝土呈現(xiàn)大面積脫落、鋼筋裸露現(xiàn)象，或者裂縫沿梯板寬度方向整條貫通的情況等（見(jiàn)圖1）。在地震發(fā)生時(shí)，樓梯梯板相當(dāng)于“K”型支撐構(gòu)件，梯板底部受力主筋受壓彎曲直至屈服破壞，最終造成梯板拉斷。

圖1 梯板裂縫均勻分布

1.2 樓梯平臺(tái)梁破壞

梯梁側(cè)面在兩個(gè)梯板之間的混凝土開(kāi)裂脫落（見(jiàn)圖2）。地震發(fā)生時(shí)，樓梯相當(dāng)于“K”型支撐構(gòu)件。樓梯的兩個(gè)梯段在樓梯發(fā)生層間側(cè)移的時(shí)候，交替承受外部擠壓，此時(shí)梯梁受力屬于彎剪扭復(fù)合受力，導(dǎo)致平臺(tái)梁在跨中發(fā)生剪扭破壞。

1.3 樓梯平臺(tái)板破壞

平臺(tái)板的縱向與橫向均有較明顯的裂紋（見(jiàn)圖3）。地震發(fā)生時(shí)，樓梯在整體構(gòu)造中屬于斜向構(gòu)件，與建筑物墻體一起作用，相當(dāng)于“K”型支撐構(gòu)件。而樓梯層間休息平臺(tái)板，在整體構(gòu)造中屬于水平支撐，作用機(jī)理類似于“耗能梁”。此處吸收地震波能量，造成了震害。

圖2 樓梯平臺(tái)梁混凝土裂通

圖3 平臺(tái)板裂紋情況

1.4 樓梯小梯柱破壞

小梯柱柱端處出現(xiàn)柱頭破損，混凝土碎裂脫落，梯梁端處縱筋外露，屈服破壞（見(jiàn)圖4）。樓梯發(fā)生這種破壞，起因應(yīng)該是混凝土的強(qiáng)度不夠（小梯柱處），或者抗震設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮到地震實(shí)際發(fā)生時(shí)此處的“柱端彎矩”等情況。

圖4 樓梯小梯柱破壞

1.5 樓梯間填充隔墻破壞

橫墻出現(xiàn)X型裂縫（見(jiàn)圖5），樓梯間填充墻處構(gòu)造措施處理不符合規(guī)范；樓梯踏步與墻體連接處出現(xiàn)裂縫，梯板與填充墻連接處，拉結(jié)構(gòu)造措施處理不符合規(guī)范（見(jiàn)圖6）。

圖5 填充墻上的剪切裂縫

圖6 連接處出現(xiàn)破壞

2 樓梯常用加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性

2.1 粘貼纖維復(fù)合材加固法

（1）優(yōu)缺點(diǎn)。①優(yōu)點(diǎn)：具有良好的耐腐蝕性能和耐久性能；不增加構(gòu)件的自重和體積；高強(qiáng)高效；纖維復(fù)合材料布是一種柔性材料，可廣泛適用于各種結(jié)構(gòu)類型；施工便捷且施工工效高；②缺點(diǎn)：加固構(gòu)件材質(zhì)及強(qiáng)度有一定要求，存在一定的局限性，例如被加固的混凝土構(gòu)件，強(qiáng)度等級(jí)不得低于C15，且不能為素混凝土構(gòu)件；使用后的碳纖維布，不能直接暴露在有害介質(zhì)或者陽(yáng)光下，且所在環(huán)境溫度不能長(zhǎng)期處于60℃以上，對(duì)防護(hù)及防火要求較高，需增加一定的防護(hù)成本。

（2）適用性。本加固方法適用于受壓、受拉、受彎構(gòu)件，例如樓梯梯段板、平臺(tái)梁、平臺(tái)板等。被加固的樓梯構(gòu)件的砼等級(jí)最低為C15，且砼表面的正拉粘結(jié)強(qiáng)度必須大于等于1.5MPa。在加固設(shè)計(jì)過(guò)程中，碳纖維布僅可計(jì)入拉應(yīng)力計(jì)算。使用后的碳纖維布，不能直接暴露在有害介質(zhì)或者陽(yáng)光下，且所在環(huán)境溫度不能長(zhǎng)期處于60℃以上，對(duì)防護(hù)及防火要求較高。針對(duì)部分處于特殊工作環(huán)境下的樓梯構(gòu)件，加固時(shí)必須采用專門的膠粘劑，并配合相應(yīng)的特殊粘貼工藝進(jìn)行施工。

2.2 粘貼鋼板加固法

（1）優(yōu)缺點(diǎn)。①優(yōu)點(diǎn)：粘貼鋼板加固的平臺(tái)梁，抗裂性得到較大改善，同時(shí)提高了抗彎剛度。施工技術(shù)簡(jiǎn)單，粘貼鋼板所使用膠粘劑，硬化速度快且強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于加固結(jié)構(gòu)砼強(qiáng)度，在縮短施工周期的同時(shí)，使加固材料與原結(jié)構(gòu)形成整體受力，避免產(chǎn)生“應(yīng)力集中”現(xiàn)象。粘貼鋼板加固法，占用空間小且?guī)缀醪桓淖冊(cè)薪Y(jié)構(gòu)外形。可以使用明火，尤其適用對(duì)防火有特殊要求的結(jié)構(gòu)，例如樓梯間加固施工；②缺點(diǎn)：由于鋼板加固的剛性材料特點(diǎn)，膠粘工藝的施工效果對(duì)最終加固效果起到?jīng)Q定性作用，且粘貼鋼板加固存在“應(yīng)力滯后”現(xiàn)象。

（2）適用性。本方法適用于所處工作環(huán)境正常適宜且承受靜荷載的受彎或受拉構(gòu)件的加固，例如樓梯平臺(tái)梁、平臺(tái)板、梯段板等。被加固的樓梯構(gòu)件的砼等級(jí)最低為C15，且砼表面的正拉粘結(jié)強(qiáng)度必須大于等于1.5MPa。加固后正常工作環(huán)境（杜絕化學(xué)腐蝕），應(yīng)保證濕度最高為70%，溫度最高為60℃，否則應(yīng)增加防護(hù)措施。

2.3 外加預(yù)應(yīng)力加固法

外加預(yù)應(yīng)力加固法，被廣泛應(yīng)用于混凝土梁板柱的加固，是一種加固效果顯著，同時(shí)費(fèi)用低廉的加固方法。因?yàn)榧庸毯髮?duì)結(jié)構(gòu)外觀有影響，所以比較適用于一些重型結(jié)構(gòu)或者大跨度結(jié)構(gòu)的加固，但不適用于砼收縮徐變較大的建筑結(jié)構(gòu)。

3 蘇州市中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

3.1 中小學(xué)建筑基本情況

（1）蘇州市古城三區(qū)839幢校舍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，80年代及80年代以后的建筑較多，占了78.1%。70年代以前的建筑也有相當(dāng)一部分的比例，占了9.2%，各年代建筑所占比例詳見(jiàn)圖7。

圖7 蘇州市中小學(xué)校舍建造年代分布百分比

（2）該地區(qū)中小學(xué)校舍高度小于5m的建筑占33.6%，5～10m的建筑占21.0%，10～15m的建筑占比例最大，達(dá)到36.0%，超過(guò)15m的占9.4%。從層數(shù)分類來(lái)看，1層建筑居多，占39.6%；其次3層建筑占25.5%，然后2層建筑占18.8%，4層建筑占13.3%，5層及五層以上占2.8%。

（3）839幢校舍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，本地區(qū)中小學(xué)校舍的結(jié)構(gòu)形式，大部分都是砌體結(jié)構(gòu)，占73.2%；其次是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，占24.3%；作為一座古城，也有部分木結(jié)構(gòu)校舍，占2.4%，其中部分還是明清時(shí)期建造的歷史保護(hù)性建筑，如平江實(shí)驗(yàn)中學(xué)的大成殿，蘇州市第六中學(xué)的鄧氏宗祠等（見(jiàn)表1）。

表1 蘇州市中小學(xué)校舍結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)表

3.2 抗震措施統(tǒng)計(jì)

①統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，839幢校舍中按乙類設(shè)防的建筑只有1.6%，丙類設(shè)防占36.3%，還有62.1%的建筑無(wú)抗震設(shè)防；②結(jié)構(gòu)規(guī)則性。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，絕大多數(shù)建筑為規(guī)則結(jié)構(gòu)，占90.3%，不規(guī)則的只有9.7%；③抗震鑒定結(jié)論。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，只有1.6%的建筑物滿足6度乙類設(shè)防的要求，基本滿足6度乙類的占22.3%，還有76.1%的建筑不滿足6度乙類設(shè)防的要求；④單跨框架結(jié)構(gòu)汶川地震的震害調(diào)查表明，單跨框架結(jié)構(gòu)抗震性能差。本次839幢校舍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有7.9%的校舍為單跨框架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖8）；⑤外廊式建筑。通過(guò)對(duì)汶川地震的震害調(diào)查數(shù)據(jù)，顯示外廊式建筑也不利于抗震。本次839幢校舍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，外廊式建筑占34.5%。

圖8 單跨框架結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)圖

4 蘇州市校舍樓梯加固方法的現(xiàn)狀

由圖9可知，粘貼纖維復(fù)合材加固法是蘇州市校舍樓梯加固中最常用的方法。

5 粘貼纖維復(fù)合材加固法加固樓梯

5.1 加固原理

纖維復(fù)合材料加固樓梯，主要是利用纖維材料的抗拉性能強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)粘結(jié)物質(zhì)，使得纖維復(fù)合材料與樓梯結(jié)構(gòu)砼產(chǎn)生良好的粘結(jié)性，彌補(bǔ)樓梯受拉縱向鋼筋和受剪、抗扭箍筋的不足，以提高樓梯抗彎剪扭的承載力。由于加固時(shí)采用封閉式“U形箍”，可以起到約束樓梯結(jié)構(gòu)砼橫向變形的作用，進(jìn)而產(chǎn)生三向壓應(yīng)力，間接改善了結(jié)構(gòu)砼的強(qiáng)度以及延展性，以達(dá)到提高樓梯抗震性能的最終目的。

圖9 蘇州市校舍樓梯加固方法現(xiàn)狀

5.2 施工工藝流程

抗震措施施工工藝流程見(jiàn)圖10。

圖10 施工工藝流程

5.3 梯柱等受壓構(gòu)件正截面加固計(jì)算

（1）梯柱等軸心受壓構(gòu)件，可采用“環(huán)向圍束法”進(jìn)行加固（環(huán)向圍束法：顧名思義，就是沿著構(gòu)件全長(zhǎng)，無(wú)間隔、環(huán)向、連續(xù)地粘貼纖維復(fù)合材料）；

（2）對(duì)樓梯軸心受壓構(gòu)件采用環(huán)向圍束法進(jìn)行加固的情況包括：①圓形截面柱（長(zhǎng)細(xì)比）；②截面棱角經(jīng)過(guò)圓化打磨的矩形（含正方形）截面柱（長(zhǎng)細(xì)比、截面高寬比、截面高度）。

（3）對(duì)采用“環(huán)向圍束法”進(jìn)行加固的樓梯軸心受壓構(gòu)件，其正截面承載力，應(yīng)符合下列規(guī)定：

對(duì)正方形和矩形截面柱：

5.4 梯柱等受壓構(gòu)件斜截面加固計(jì)算

①當(dāng)采用條帶型纖維復(fù)合材料，對(duì)梯柱進(jìn)行受剪加固時(shí)，應(yīng)粘貼成“環(huán)形箍”，且復(fù)合材料的方向，應(yīng)與柱的縱軸線垂直；②對(duì)樓梯梯柱采用“環(huán)形箍”進(jìn)行加固時(shí)，其斜截面受剪承載力，應(yīng)符合下列規(guī)定：

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著抗震設(shè)防要求的提高，中小學(xué)校舍應(yīng)作為重點(diǎn)設(shè)防類的乙類建筑進(jìn)行鑒定加固。文章通過(guò)對(duì)蘇州市古城三區(qū)中小學(xué)校舍抗震缺陷的匯總分析，建議采用粘貼碳纖維布法加固樓梯。以后工作的重點(diǎn)在于嚴(yán)格遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行施工，減少后期加固壓力，另外從增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力出發(fā)提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中樓梯的抗震能力。

[1]建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].GB50223-2008.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50010-2010.

[3]郝文宇.公路橋梁加固技術(shù)的研究[J].住宅與房地產(chǎn),2016, (15):118.

[4]黃慧明.粘貼碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的正截面承載力試驗(yàn)研究[D].湖南大學(xué),2001.

[5]張海東,翁曉虹,錢善青.蘇州市中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀調(diào)查與抗震分析[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào),2013.

[6]民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].GB50292-1999.

[7]徐潤(rùn)甲.建筑結(jié)構(gòu)鑒定和加固改造技術(shù)分析[J].住宅與房地產(chǎn),2016,(15):103.

[8]混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50367-2006.

[9]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50011-2010.

Study on the Present Situation and Reinforcement Measures of the Middle and Primary School Buildings——Study on Reinforcement Method of Stairs

Lv Xu
(China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd.,Shanghai 200000)

For the three ancient city of Suzhou City ,the status quo situation and reinforcement of total 839 primary and secondary schools, according to the structure, construction time and other aspects ,this essay analyses the data in summary,and this essay from the stairs damage types and their analysis, stairs advantages and disadvantages of various reinforcement methods and applicability of Suzhou campus stairs seismic defect types, stairs Suzhou school status this reinforcement method four aspects of the stairs and precast slab reinforcement were elaborated and adopted principles of reliability, economy and construction feasibility considerations were used to paste the fber reinforced composite reinforcement method stairs, plus the entire cast precast slab reinforcement layer method.

Primary and secondary school buildings; Seismic;Stairs reinforcement

TU3

A

1006-6012（2016）11-0161-03