既有磚混結構教學樓的抗震性能鑒定研究

丁于強

DING Yuqiang

(柳州城市職業學院,廣西 柳州 545001)

2008年5·12汶川地震中坍塌的中小學教學樓引起了政府、社會和廣大教育工作者對中小學教學樓的抗震能力的關注。國內部分學者對既有建筑物在地震中的倒塌情況做了調查[1],并做了部分既有建筑物的抗震能力研究工作[2-3]。廣西壯族自治區教育系統也組織過一次對中小學教學樓的安全排查工作，排查工作以定性為主,雖然取得了顯著成果,但缺少對教學樓抗震能力定量的分析。

本文根據現行《建筑抗震鑒定標準(GB50023—2009)》[4],選取廣西柳州市某磚混結構教學樓進行抗震鑒定,并通過二級鑒定對該教學樓抗震能力進行核算,對抗震能力給出定量分析,得出抗震鑒定結論并為后續抗震加固提供依據。

1　工程概況

某小學教學樓位于柳州市雒容鎮,現為4層磚混結構。該建筑建于1992年,基礎形式不詳,原為3層，2000年加建第4層。該建筑平面形狀為“一”字形,東西長48.94m、南北寬8.80m,建筑面積為1546.50m2,建筑總高度為15m,見圖1。該教學樓原始和加層施工圖、竣工圖全部遺失,設計資料無從考證。

圖1　教學樓立面圖

2　檢測目的

該教學樓已使用近30年,20世紀90年代末曾加蓋1層,且該教學樓所處地區抗震設防標準已修改。為核實該教學樓工程結構的實際情況,對該教學樓進行了現場查勘及檢測,并根據檢測結果建立PKPM結構模型,通過模型仿真對該教學樓的安全性和抗震性能等做出鑒定并提出處理建議。按照教學樓所在地抗震設防烈度,教學樓所屬建筑物的類別進行靜荷載作用下承載力計算和地震作用下抗震能力驗算。

3　現場查勘和檢測

3.1　現場查勘

現場查勘該建筑2～4層樓板為預制板,屋面板為現澆板,承重墻體均為240mm厚黏土燒結磚墻。經現場查勘及開鑿檢查,承重墻體無明顯結構裂縫,墻體砌筑質量一般、砂漿不飽滿。

該建筑所處地區抗震設防烈度為6度,使用用途為小學教學樓，根據《建筑工程抗震設防分類標準(GB 50223—2008)》[5]該建筑為乙類建筑物,抗震設防烈度應提高1級,故應為7度。

該建筑后續使用年限為30年,為A類建筑,采用A類建筑鑒定方法對其進行鑒定。在對其鑒定時要分為第一級鑒定(抗震構造措施核查)和第二級鑒定(抗震承載力驗算)。

3.2　檢測內容

1)現場測量繪制建筑平面圖,各部位構件尺寸,檢測結構整體傾斜率。

2)對該教學樓的主要建筑材料進行原位檢測和強度等級評定。如：承重墻體磚、砌筑砂漿、混凝土構件。

3)對該教學樓混凝土構造柱、圈梁設置情況進行現場檢測。

4)對該教學樓的混凝土柱、梁截面尺寸、配筋情況進行現場檢測。

5)對該教學樓的基礎進行沉降觀測。

3.3　檢測結果

1)現場測量，繪制該教學樓建筑平面圖,見圖2。

圖2　教學樓一層平面圖

采用全站儀對該建筑整體傾斜率進行測量,結果表明該建筑屋面上各測點,頂點位移最大值為23mm,整體傾斜率為1/626,未超出鑒定標準規定側向位移安全性限值,四個角點的傾斜方向不具有一致性,該建筑未發生整體傾斜。

2)材料強度檢測

根據《建筑結構檢測技術標準(GB/T50344—2004)》[6]現場在每層隨機抽取部分承重墻體和混凝土構件,鑿開表面抹灰層,進行原位檢測。該教學樓為磚混結構,且正在使用。為減少對該教學樓的影響,墻體砂漿強度采用貫入法檢測其強度[7],所檢測1～4層砌筑砂漿抗壓強度的換算值在0.8MPa～1.8MPa之間；磚砌體抗壓強度采用回彈法檢測其抗壓強度[8],抽樣從1～4層承重墻中抽取,燒結普通磚抗壓強度的平均值范圍在8.48MPa～11.27MPa之間,檢測單元抗壓強度平均值為7.8MPa；采用回彈法檢測混凝土結構構件抗壓強度,混凝土構件的強度推定值在14.6MPa～20.1MPa之間。

3)構造柱、圈梁設置情況

本次通過無損掃描構造柱和圈梁的位置，在承重墻進行掃描發現,1～4層混凝土承重墻位置上未發現有構造柱；在對結構樓板與承重墻交接處進行掃描,發現一、二層未設置圈梁,三、四層設有圈梁,圈梁截面尺寸為240mm×180mm。

4)鋼筋直徑檢測

本教學樓混凝土構件內部受力鋼筋直徑檢測采用鋼筋直徑檢測儀及局部鑿孔實測的方法檢測。檢測結果顯示1～4層混凝土大梁底部鋼筋均為4根直徑為20mm的三級鋼，頂部為2根直徑為20mm的三級鋼,箍筋為一級鋼直徑8mm，間距200mm，混凝土柱每邊均為3根直徑為14mm的三級鋼。

5)地基基礎檢測

該建筑建于1992年,目前正在使用,受條件制約未對基礎進行開挖檢查和檢測。因上部結構無明顯整體傾斜,且承重墻體未出現明顯不均勻沉降裂縫,故目前地基基礎處于正常工作狀態。

4　抗震能力鑒定

4.1　第一級鑒定：抗震措施核查

1)高度和層數：該建筑為4層,總高度為13.4m,層數和高度均滿足《標準》表5.2.1 A類建筑砌體房屋的最大高度和層數限值規定。

2)結構體系：該建筑平面體型規則,且豎向剛度沿建筑高度均勻分布，抗震橫墻的最大間距10.8m,符合《標準》表5.2.2的要求。

3)承重墻體磚和砂漿實際強度：經實際檢測磚強度等級為MU7.5,滿足《標準》第5.2.3條第1款“磚強度等級不宜低于MU7.5”的規定；砂漿強度等級約為M1.0,滿足《標準》第5.2.3條第2款“墻體的砌筑砂漿強度等級,當7度時超過二層不宜低于M1.0”的規定。

4)整體連接性構造措施：墻體布置平面內閉合,縱橫墻連接可靠；但樓梯間四角未設置構造柱,不符合《標準》表5.2.4-1“乙類設防時A類磚房構造柱設置要求”的規定；內、外墻圈梁布置部分符合《標準》表5.2.4-2“A類砌體房屋圈梁的布置和構造要求”的規定；縱橫墻交接處咬槎較好,樓蓋、屋蓋支撐長度均滿足《標準》5.2.5“樓蓋、屋蓋構件的最小支撐長度”的規定。

5)易引起局部倒塌的部件及連接：承重的門窗間距大于7度時的0.8 m，無出屋面的樓梯間、電梯間等均符合規范相關規定。

由上述抗震措施核查可知,該建筑部分抗震構造措施不符合《標準》第一級鑒定標準的要求,應進行第二級鑒定。

4.2　第二級鑒定：綜合抗震能力指數方法進行抗震驗算

根據現場檢測數據,采用中國建筑科學研究院結構設計軟件PKPM2010—V3.1對該建筑抗震承載力進行核算。設防地震分組為第一組，抗震驗算應按不低于本地區設防烈度的要求采用6°(0.05 g)，場地類別為Ⅱ類，修整后的基本風壓為0.3kN/m2。核算前根據第一級鑒定結果并結合《標準》表5.2.14-1“體系影響系數值”和表5.2.14-2“局部影響系數值”分別調整體型影響系數Ψ1、局部影響系數Ψ2。

樓面恒載和屋面恒載按實際取值,樓面活荷載取2.5kN/m2,屋面為不上人屋面,荷載取2.0kN/m2,砌體的砂漿強度、磚強度和混凝土構件的混凝土強度、鋼筋數量、直徑等均以實際檢測為準。

1)受壓承載力核算結果見圖3～6。

承載力核算結果表明：1～3層部分承重墻體的抗力與荷載效應的比值小于1.0,4層承重墻體的抗力與荷載效應的比值大于1.0，故該建筑1～3層承載力不滿足《標準》要求。

2)抗震鑒定結果

一層兩個方向的樓層平均抗震能力指數βi和樓層綜合抗震能力指數βci分別為,βi90=0.85、βci90=0.77,βi0= 0.53、βci0=0.48；

二層兩個方向的樓層平均抗震能力指數βi和樓層綜合抗震能力指數βci分別為βi90=0.86、βci90=0.70,βi0= 0.53、βci0=0.43；

圖3　一層墻受壓承載力計算圖

圖4　二層墻受壓承載力計算圖

圖5　三層墻受壓承載力計算圖

圖6　四層墻受壓承載力計算圖

圖7　一層第二級鑒定結果

圖8　二層第二級鑒定結果

圖9　三層第二級鑒定結果

圖10　四層第二級鑒定結果

三層兩個方向的樓層平均抗震能力指數βi和樓層綜合抗震能力指數βci分別為βi90=0.88、βci90=0.79,βi0= 0.53、βci0=0.48；

四層兩個方向的樓層平均抗震能力指數βi和樓層綜合抗震能力指數βci分別為βi90=1.35、βci90=1.42,βi0= 0.79、βci0=0.71。

第二級鑒定核算結果見圖7～10。

核算結果表明：1～3層90°、0°兩個方向樓層平均抗震能力指數和樓層綜合抗震能力指數均小于1.0；四層0°方向平均抗震能力指數和樓層綜合抗震能力指數亦小于1.0，故各樓層抗震能力不滿足《標準》要求。

5　鑒定結論及加固建議

5.1　鑒定結論

1)第一級鑒定結果：承重墻磚砌體和砂漿的實測強度等級均不滿足抗震鑒定規范要求；整體連接性構造措施部分滿足抗震鑒定要求；結構體系、樓層高度和層數、易引起局部倒塌的部件及連接等鑒定項均滿足抗震鑒定要求。

2)第二級抗震鑒定結果：1～3層承重墻體的抗震能力指數大部分小于1.0,樓層綜合抗震能力指數和樓層平均抗震能力指數均不滿足抗震鑒定規范要求；4層A軸、B軸外墻抗震能力指數小于1.0,①～⑨軸承重墻體抗震能力指數大于1.0，樓層綜合抗震能力指數和樓層平均抗震能力指數均不滿足抗震《標準》要求。

3)根據該建筑物第一、二級鑒定結果和承載力核算結果,評定該建筑的綜合抗震能力不滿足《建筑抗震鑒定標準(GB 50023—2009)》的要求,應對其進行抗震加固,提高其綜合抗震能力。

5.2　加固建議

1)對1～4層承載力核算不滿足要求的墻段和抗震能力不滿足要求的墻體進行補強加固，提高承載力和抗震能力。

2)按規范要求在內外墻和縱橫墻交接處設置圈梁、構造柱,增強該建筑的整體連接性和構造措施,提高其綜合抗震能力。