北京地區中小學校舍抗震加固工程

閤東東 李興旺 韓龍勇

引言

我國中小學學生在校人數約2億，校舍近40萬所。中小學校舍屬于公共建筑，人員密度大，加之中小學生屬于自救互救弱勢群體，若校舍的結構抗震性能不足，一旦遭遇大地震，造成的人員傷亡不可估量。國內外歷次地震給我們帶來了慘痛的教訓，2008年5月12日，汶川發生8.0級特大地震，造成直接經濟損失1200億美元，死亡失蹤8.7萬多人，根據震后調查，在這次地震中四川省學生死亡人數達5335人，傷者達1.6萬人，倒坍的校舍達到6898間；2010年4月14日晨青海省玉樹縣發生多次地震，震級最大為7.1級，80%的小學和50%的中學校舍在此次強震中嚴重受損，共207名學生在地震中遇難。

汶川地震后，國家啟動全國中小學校舍安全工程，對各級各類中小學校舍進行排查、檢測、鑒定和抗震加固。對《建筑工程抗震設防分類標準》進行修訂，將中小學校舍的抗震類別由原來的一般設防類提高到重點設防類（由丙類提高到乙類）。

我國中小學校舍結構形式以砌體結構和鋼筋混凝土框架結構為主。砌體結構由磚或砌塊通過砂漿粘結作用砌筑而成，與其他結構形式對比，砌體結構的自重大，側向剛度大；磚砌體呈脆性，其抗拉和抗剪強度都很低，強震作用下，易發生脆性剪切破壞，延性極差；砌筑砂漿和磚之間的粘結力較弱，無筋砌體的抗拉、抗彎及抗剪強度低，抗震及抗裂的性能較差；采用手工方式砌筑，砌筑質量難以保證?？蚣芙Y構一般采用單跨外帶懸挑走廊的結構形式，或者在走廊一側增加框架柱構成兩跨或三跨框架結構。框架結構剛度較小，為柔性結構，強震作用下水平位移大，易造成非結構構件破壞和節點區域的破壞。

北京市中小學校舍調查

自2008年7月10日，北京市教委、市住建委、市規劃委、市發改委、市財政局聯合啟動中小學校舍的排查鑒定工作后，截至2009年年底，全市共完成1799所中小學1470萬平方米校舍的排查鑒定，鑒定結果如圖1所示。

圖1 中小學校舍檢測鑒定結果

北京市中小學校普遍存在的易發生震害的因素有以下幾個方面：

1.建筑開間很大，層高一般較高，橫墻間距太大；

2.結構形式不合理，如有些校舍采用單邊走廊甚至單邊外挑走廊，這類校舍在地震中極易發生倒塌，在汶川地震中，這類校舍倒塌損壞嚴重；

3.結構的抗震構造措施缺失及不滿足規范要求，如砌體結構，70年代建筑沒有設置圈梁及構造柱，80年代建筑雖設置了圈梁，但構造柱缺失或太少，90年代建筑圈梁及構造柱的主筋配置及箍筋布置不滿足要求等；

4.鋼筋混凝土結構出現強梁弱柱，特別是柱筋不足、箍筋不符合加密要求，抗震構造措施不滿足抗震要求的建筑物約占43.8%，是建筑抗震改造加固必須重點解決的問題；

5.部分北京市中小學校砌體結構校舍樓梯間不滿足抗震要求，樓梯間是災害逃生通道，大震中樓梯間破壞坍塌必然造成大量傷亡；

6.北京市中小學校砌體結構校舍材料強度值偏低，特別是砌筑砂漿強度一般都小于M2.5，部分校舍歷史久遠，質量更難以保證。

砌體校舍抗震加固工程

提高砌體校舍抗震能力的常用加固方法主要包括鋼筋網砂漿面層加固法、板墻加固法、外加圈梁-鋼筋混凝土柱法、隔震加固法等。

1.鋼筋網砂漿面層加固。鋼筋網砂漿面層加固鋼筋網采用呈梅花狀布置的錨筋、穿墻筋固定于墻體上；鋼筋網四周采用錨筋、插入短筋或拉結筋等與樓板、大梁、柱或墻體可靠連接。該方法工藝簡單、施工簡便、造價較低，但對墻體承載力的提高有限。

以北京市六十一中20號教學樓為例，該樓建成于1993年，共3層，建筑面積2356m2，橫墻承重，未設置圈梁構造柱，采用預制樓板。經現場檢測，一至三層砌體強度等級分別為MU10、MU7.5和MU10，砂漿強度分別為M2.5、M5.0和M2.5。后續結構使用年限為40年，采用鋼筋網砂漿面層加固，加固平面圖和節點分別如圖2和圖3所示。經綜合考慮地基土固結承載力的提高、鋼筋網砂漿面層基礎下地基壓力的擴散等因素后，未對地基基礎進行加固。

圖2 結構加固平面圖

圖3 縱橫墻交接處鋼筋網砂漿面層加固節點

2.板墻加固法。板墻加固法適用于原磚墻有一定承載能力，但由于層數較多而需要大幅度提高墻體抗震承載力的情況。板墻加固法是這幾種方法中應用最為廣泛的，造價略高于面層加固法。

《建筑抗震加固技術規程》（JGJ 116—2009）第5.3.7條規定：抗震加固設計中，砌體結構采用雙面夾板墻的方法改變結構體系時，板墻的厚度至少達到每面70mm、共計140mm厚。北京市建筑設計研究院有限公司結合北京地區的土質條件，經過試驗與數值模擬論證，提出每面增設60mm、共計120mm的板墻，即可視為達到砌體結構改變體系的條件。結構加固設計中，由于存在開挖和回填量大、地下管線復雜、地基承載力加固困難等因素，地基和基礎加固一般是難度最大、造價最高、工期最長的一個環節，地基基礎加固的造價經常達到總的結構加固成本的30%以上。根據我國規范和工程經驗，隨著建筑使用年限的增加，其地基承載力一般會有所提高；對北京地區而言，多數情況下地基承載力經多年壓實作用后的提高幅度可達1.2倍。因此，如果能充分利用地基承載力的提高來減少或避免地基基礎的加固，則可以大幅度地縮短加固工期、降低加固成本。對大多數典型的中小學校舍，多數墻體每面增設70mm板墻時，增加的重量剛好超過考慮壓實系數后的地基承載力，需要進行地基和基礎加固。而多數墻體每面增設60mm板墻時，增加的重量一般會小于考慮壓實系數后的地基承載力，可不再進行地基基礎加固，這樣就明顯縮短了工期、降低了加固工程造價，造價可減小20%～30%。

以北京市六十一中學公寓樓為例，該樓建成于1993年，2003年加建兩層，地上共4層，建筑面積1435m2，橫墻承重，未設置圈梁構造柱，采用預制樓板。經現場檢測，砌體強度等級為MU10，一至四層砂漿強度分別為M5.0、M7.5、M7.5和M5.0。對大部分承重墻體采用現澆鋼筋混凝土雙面板墻加固（圖4），部分墻體采用現澆鋼筋混凝土單面板墻加固（圖5、圖6），采用噴射混凝土施工工藝進行施工。

3.外加圈梁-構造柱加固。砌體結構抵抗罕遇地震的能力主要依靠其整體性和延性，因此當砌體結構整體性不足時，需采用針對性的措施進行加強。砌體結構保證整體性和延性的措施主要包括：圈梁構造柱的設置、樓屋蓋的形式及橫墻間距的縮小等。當砌體結構圈梁構造柱不足時，可采用增設圈梁、構造柱、鋼拉桿的方式進行加固。但該方法的缺點是對墻體本身的承載力無明顯提高。

圖4 結構加固平面圖

圖5 縱橫墻交接處板墻加固節點

圖6 板墻加固現場綁扎鋼筋

4.隔震技術加固。采用隔震技術對老舊建筑進行加固，可以減少輸入上部結構的能量，將原來由建筑結構構件塑性變形吸收地震能量，轉變為由隔震層產生大變形并吸收地震能量，降低地震對上部結構的破壞，達到提高建筑結構抗震能力的目的?；A隔震加固時，一般僅對建筑結構基礎部分施工，不影響上部結構的功能和正常使用，是一種經濟適用的抗震加固技術，特別適用于高烈度區需加固的中小學校舍。

圖7 西藏中學男生宿舍樓隔震支座布置圖

圖8 隔震加固施工步驟

以北京西藏中學男生宿舍樓為例，該樓為建于1985年的砌體結構，地上共6層，建筑面積為2564m2。該建筑為砌體結構，基礎為條形基礎，地上承重墻體1～3層采用100#紅機磚、100#混合砂漿砌筑，4層以上墻體采用75#紅機磚、75#混合砂漿砌筑，樓板為預制圓孔板，圈梁、構造柱及現澆樓板的混凝土設計標號均為200#。場地類別為II類場地，設計地震分組為第一組，后續使用年限40年。橡膠隔震支座設置在砌體房屋上部結構與基礎之間受力較大的位置，如縱橫向承重墻交接處等，該建筑的標準層平面和隔震支座布置如圖7所示。

基礎隔震技術應用在砌體結構加固工程中，墻體托換是重要環節，隔震支座施工難度較大。本工程采用雙夾梁式托換，雙夾梁由墻體兩側的縱向托梁和橫向抬梁構成，橫向抬梁的作用有兩個：一是對兩側托梁的拉接作用；二是通過磚墻的“內拱效應”承擔大部分豎向荷載，然后傳給兩側縱向托梁，最后轉換成隔震支座處的集中荷載。而托梁下的隔震支座，因其豎向剛度非常大，可作為整個墻梁構件的豎向支座。施工工序為：水準測量→室內外土方開挖→施工放樣控制標高→上、下橫向抬梁定位及墻體開洞→隔震層上、下部托梁及橫向抬梁施工→待上、下托梁混凝土強度達到100%后支撐特制千斤頂→設置豎向位移監測點及監測器→隔震支座設計位置處構造柱及墻體切割→隔震支座安裝就位→隔震支座下支墩施工→隔震支座上支墩施工→切割隔震層墻體，實現結構體系轉換→砌筑隔震溝、擋土墻→澆筑底層樓板，主要工序施工現場照片如圖8所示。

混凝土框架結構校舍抗震加固工程

汶川地震中，鋼筋混凝土框架結構校舍的抗震性能明顯低于預期，中小學建筑中柱距一般較大，梁截面較大，容易導致強梁弱柱；以往的常規設計中未考慮樓板的影響，也導致了梁的抗震承載力高于柱承載力；框架結構相對較柔，易產生大的變形，地震作用下附屬結構的破壞也導致了很多人員傷亡；框架結構的框架柱同時是抗側力構件和承重構件，框架柱破壞后容易出現倒塌。鋼筋混凝土房屋的結構體系和抗震承載力不滿足要求時，可選擇下列加固方法：

1.直接加固原構件的方法。當原框架結構的梁柱承載力不足或抗震構造措施不足，但側向剛度可滿足要求時，可以對原框架構件采用增大截面、粘貼碳纖維/鋼板、外包型鋼等方法。當側向剛度不足，可采用增大截面的方法。

2.提高樓層綜合抗震承載力的加固方法。直接對框架構件進行加固的方法成本較高，因此多數情況下框架結構采用增設抗震墻/翼墻、鋼支撐、消能支撐等方法進行抗震加固。在校舍加固工程當中，針對校舍抗震構造措施不滿足乙類建筑抗震設防標準，而抗震構造措施的提高在部分情況下極難通過加固技術實現，并且構造措施的加固會極大破壞室內環境，學校無法正常上課的情況，以提高校舍抗震承載能力為主導，可以通過采用消能減震技術大幅提高結構的綜合抗震承載力，消能減震子結構大部分位于校舍外部，并不影響學校的內部使用功能，也大大減少了對學校環境的破壞。以下為使用消能減震子結構進行加固的四個典型案例：

1.以北京十一學校初中部教學樓抗震加固為例，該教學樓建成于2000年，為5層現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑面積7000m2，按照規范要求建筑后續使用年限定為50年。經現場檢測、原有圖紙核查、抗震鑒定驗算，該結構抗震構造措施及抗震承載力驗算均不滿足國家相關規范要求，需進行抗震加固。最終選用增設金屬剪切型阻尼器（外貼式）加固方案，結構首層阻尼器平面布置如圖9所示。結構每層設置14個阻尼器，全樓共設置70個阻尼器，兩個方向的附加阻尼比分別為3.7%和4.5%。阻尼器消能方向的初始剛度值為75kN/mm，屈服荷載為150kN，屈服位移2.0mm。阻尼器極限位移為60mm，極限荷載約為237kN。

圖9 結構首層阻尼器平面布置圖

圖10 加固前示意圖

圖11 加固后示意圖

圖12 阻尼器安裝大樣

圖13 1-1剖面大樣

如圖10～圖13所示，在原框架邊柱外側增設短墻，用于阻尼器安置；邊梁外側加寬，用于約束短墻，邊梁加寬部分，通過鍵槽、植筋、角鋼卡件等與原邊梁連接；短墻與阻尼器直接設置柔性連接；

為減小新老結構連接設計的難度，限制單個阻尼器的出力上限為250kN。同時，為避免因邊梁加固造成結構出現“強梁弱柱”形式的破壞，對邊梁加寬區域的配筋進行了嚴格控制。加固施工及施工完成后建筑立面照片詳見圖14～圖15。

圖14 加固施工中

圖15 加固后建筑立面

圖16 十一學校采用金屬剪切型阻尼器加固

圖 17 采用VFD加固的豐臺實驗學校

圖18 安裝消能子結構的平谷區第一職業學校

2.另一個例子是北京十一學校高中教學樓，該樓采用鋼筋混凝土框架結構，高度為23.46m，共6層，平面尺寸為19.2m×99m，底層層高5.46m，其他各層層高均為3.6m?？蚣苤捎昧薈30混凝土，大部分尺寸為600mm×600mm。加固采用的剪切型鋼板阻尼器初始剛度為9.5×107N/m，初始屈服力為190kN，屈服后剛度為3.27×106N/m，極限位移70mm，一共設置了84個剪切型鋼板阻尼器。在室內采用了與鋼支撐組合布置的方式（圖16），對于邊框由于建筑立面的限制，采用與初中部教學樓相同的外貼式。

3.豐臺實驗學校綜合樓采用鋼筋混凝土框架結構，高度為13.47m，共4層（第5層為局部塔樓），平面尺寸 為 40m×20m， 底 層、2～4層層高分別為4m和4.5m?？蚣苤捎昧薈30混凝土，大部分尺寸為450mm×450mm。采用外貼消能子結構方式加固（圖17），共設置了34個黏滯流體阻尼器（VFD），阻尼系數為3×105N.s/m，速度指數為0.35。

4.平谷區第一職業學校綜合實驗樓1號樓始建于1996年，采用鋼筋混凝土框架結構，地上共5層，四層為輕質彩鋼屋頂，僅在周圍有框架柱，頂部直接座彩鋼屋頂，五層為局部塔樓，布置于建筑兩端，混凝土強度等級為C30。采用外貼附加消能子結構方式進行加固，分別在1～3層共布置66根屈曲約束支撐（圖18）。

結語

截至2012年12月底，北京市三年加固改造完成中小學校1290所，單體4374棟，改造校舍總建筑面積685萬平方米。改造后的校舍全部達到了重點設防類抗震標準，有效地提高了校舍綜合防災能力。綜合而言，基本可以認為北京地區的中小學校舍均能夠滿足現行抗震規范的要求。