某中學教學樓抗震加固設計與施工技術探討

李 凱

（甘肅泓文建筑設計有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在《建筑抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）、《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023-2009）、《建筑抗震加固技術規程》（JGJ 116-2009）中，對中小學建筑抗震設計提出了更高的要求。很多學校都在對教學樓進行核查，對不符合要求的，都在陸續有效地加固現有建筑，提升結構安全性，以求防患于未然。本文以某教學樓為例，介紹合理的加固設計和施工技術，為中小學建筑抗震加固施工提供借鑒。

1 抗震加固方案應遵循的原則

在設計教學樓的抗震加固方案時，應充分考慮安全、實用、合理、經濟等方面的因素，遵循以下原則：（1）應該與當地抗震鑒定所的報告相結合，合理制定抗震加固方案，并正確選擇部分構件加固、區段加固以及建筑整體加固的施工技術，使建筑擁有更強的整體性，保證各個構件能夠承受更強的力，在整體上提升建筑的抗震能力；（2）仔細比較各種施工方案的優劣，與先進的施工方法相結合，保證原結構與加固部件之間的可靠連接，協同工作[1]；（3）在考慮新增部件和加固的過程中，應對其可能產生的不利影響進行減少或消除，從整個建筑結構的綜合抗震能力出發，既對薄弱部位的抗震構造進行加強，又要使產生新薄弱部位的情況得到避免；（4）當加固設計與原結構所用的材料相同時，應將原結構材料的實際強度作為加固材料最低強度標準。

2 建筑結構抗震加固設計

2.1 柱加固設計

基于原框架存在柱配筋數量少、軸壓比過大等情況，決定使用增大截面的方式開展教學樓加固設計，對柱的截面進行增大并不會對建筑的使用和功能產生影響[2]。結合邊柱和中柱的差異，分別采用在三邊和四邊對截面進行增大的方法，進而保證新加箍筋和縱筋都能夠使構造設計和結構設計滿足要求。為了使新舊混凝土能夠更好地發揮出作用，每隔30mm處使用U型箍連接一次原結構與新加縱筋，在原柱內進行U型箍植筋。在柱內樓層標高處增設縱筋，樓板上下使用角筋貫穿，因為不能破壞框架梁，中部縱筋需要適當彎折，在能夠貫通時應盡量貫通，不能貫通的應將下端種筋植入梁內，并使用短筋補足斷開削弱的鋼筋。

2.2 梁加固設計

教學樓3層、4層X方向框架梁，因為原結構缺少足夠的配筋以及跨度較大，改建后準備作為圖書室和教室使用，可能需要較大的荷載，利用碳纖維加固需要較高的費用投入，并且也增大了對應框架柱的截面。所以，經過對比判斷，決定采用對梁的截面進行增大的方法，這種加固方法在處理梁柱節點方面較為簡單。

對梁進行加固需要增設較大數量的縱筋，而增加截面只存在有限的寬度，需要分兩排完成縱筋布置，從而為混凝土澆搗構建有利條件，同時應該利用U型箍植筋的方式連接原梁與新加構造腰筋和縱筋。對于配筋需求較少的Y方向和X方向梁，應該利用粘貼碳纖維的方式加固，如圖1所示。部分梁支座處缺乏足夠的負彎矩承載力，可以將現澆樓板當做梁的翼緣，同時為了施工更加方便，可以將碳纖維粘貼在梁頂樓板，從而避免因節點柱打斷而產生錨固處理問題。

圖1 梁碳纖維加固示意

3 抗震驗算

3.1 加固設計的抗震驗算

與國家的相關標準相結合，對影響構造的因素進行綜合分析，準確評定抗震能力的指數，相關驗算公式如下：

（1）樓層平均抗震能力指數：

式中：

i——第i樓層；

β——橫向或縱向墻體平均抗震能力指數；

A——橫向或縱向抗震墻在1∕2層高處的總凈截面面積，其中只包括高寬比小于4的墻段截面面積；

Ab——平面建筑面積；

ξ0——橫向或縱向抗震墻的基準面積率；

λ——烈度影響系數。

橫 墻：ξ0i=0.0237，Ai∕Abi=0.22×8×5∕（11×3.3×11）=0.022，λ=0.7，βi=1.319。

縱墻：ξ0i=0.0183，Ai∕Abi=（0.9×9+3+2.7+3×1.1）×0.22∕（11×3.3×11）=0.0118，λ=0.7，βi=0.711。

（2）樓層綜合抗震能力指數：

式中：

βci——第i 樓層的橫向或縱向墻體綜合抗震能力指數；

ψ1——體系影響系數；

ψ2——局部影響系數。

ψ1=1.0，房屋盡端設樓梯間項，ψ2=0.8，橫墻βci=1.055，縱墻βci=0.57。與計算結果相結合，證明橫墻抗震承載力達到了相關加固標準以上，縱墻抗震承載力低于相關加固標準，縱墻抗震主要通過構造來滿足[3]。

3.2 驗算建筑結構整體抗震性能

在該教學樓抗震加固工程中使用PKPM軟件，結合新的改建設計，將荷載布置在原結構模型上，使用JCCAD程序驗算地基基礎，使用SATWE程序驗算上部結構。因為不會在較大程度上改變其功能，主要是隔墻位置產生變化，新建設計與原建筑的總荷載值相差不大。與原地勘報告相結合，修正后擁有100kN∕m2的地基承載力，在計算導荷后，地板擁有85kN∕m2的平均反力，結合檢測結論，該工程不需要加固地基基礎。對于上部結構的驗算，只有部分指標能夠滿足相應的規范要求，如平均層間位移、最大層間位移、剪重比以及周期比等。但第三層以及底層大部分框架柱的軸壓比都比相應的規范限值大，已經嚴重缺乏承載力。計算建筑層間彈性位移，Y方向和X方向的最大層間位移角分別為1∕447和1∕411，都沒有達到相關的規范要求。建筑四層及以下的箍筋、梁的縱筋以及框架柱大部分都無法滿足規范要求。所以，該工程抗震加固施工主要圍繞柱、框架梁開展，對梁截面以及柱截面進行適當加大，并采用碳纖維加固的方式處理配筋不足的梁。

4 施工技術

4.1 裂縫修補施工

在裂縫修補施工的準備階段，應徹底清除墻面抹灰層，并用工具標注出墻體裂縫存在的具體位置，需要先修補存在裂縫的墻體，才可以開展后續施工。在裂縫修補施工中應嚴格遵守以下施工規范：（1）使用壓力灌漿法修補墻體裂縫，將定量的膠質懸浮液融入純水泥漿中制作灌漿液，從而使漿液擁有更好的黏合能力和可灌性，對建筑砌體強度進行增強；（2）使用108膠作為膠質懸浮劑，其主要成分為聚乙烯醇；（3）使用普通硅酸鹽水泥進行灌漿，其強度等級應為42.5，水使用天然純凈水或飲用水；（4）合理配置水泥聚合漿，具體配合比見表1。

表1 水泥聚合漿配合比

4.2 鋼筋施工

該工程的鋼筋施工主要包括柱、梁擴大截面的鋼筋施工，因為構件需要較多的配筋并且只有有限的新增截面尺寸，導致很大幾率上會出現鋼筋過密的問題。這時施工中最需要考慮的問題就是如何對保護層厚度和鋼筋間距進行合理控制。為了使這些問題得到有效解決，在開展鋼筋施工前應結合原構件配筋、新增鋼筋以及新增截面尺寸等情況完成新梁柱鋼筋截面布置圖的繪制，在圖上進行模擬放樣，保證新增鋼筋配置的合理性，對于不滿足施工條件的構件應該及時采取修改措施[4]。在開展各個構件的實際施工前，應該與設計圖紙相結合，對實際的配筋情況進行檢查，如有不符合處，需要對構件放樣圖進行重新修改，在施工前確保能夠在圖上成功放樣。對于布置鋼筋有困難的構件，應在不影響設計和建筑質量的前提下，對局部截面進行放大。

4.3 面層施工

面層施工鋼筋的規格尺寸應該根據教學樓樓層的不同加以確定，使用A6鋼筋進行二層至頂層面層施工，使用A8鋼筋進行底層面層施工，選擇強度等級為M10的水泥砂漿，面層厚度為35mm。鋼筋網外應設置厚度在10mm以上的保護層，鋼筋網片與原墻面應保持5mm以上的空隙。使用S 形的A6 穿墻筋連接鋼筋網，穿墻筋間保持600mm間距，呈梅花狀布置。在進行面層施工時，應該遵循以下施工規范：（1）如果原墻面存在松散的部分，應先將松散部分清除，并配置1∶3的水泥砂漿進行抹面，同時應清除存在松動現象的勾縫砂漿。另外，在面層施工前，應該用水潤濕原墻面；（2）應該先按設計圖紙在墻上標出穿墻筋和錨筋的位置，然后才可以進行墻面鉆孔，并且鉆孔位置應選在磚縫處，在空洞中插入錨筋后應該在空隙中灌滿水泥砂漿并抹平；另外應該注意在鉆孔的過程中盡量避開原有鋼筋；（3）在鋼筋網鋪設過程中，應該靠近墻面鋪設豎向鋼筋并支起鋼筋頭，并保證在墻面上固定鋼筋網時必須牢固平整；（4）抹水泥砂漿的過程中，應該先完成墻面刷水泥漿的工序再分層抹灰，每層應控制15mm以內的厚度，且層數必須在3層及以上；必須壓實抹灰，避免有露筋、裂縫以及空隙等不良現象出現；（5）在完成面層施工后，應該重視養護工作，定期灑水，避免陽光暴曬，對于原墻面脫開或干裂的情況進行預防；（6）如果門窗樘與墻面之間的縫隙小于U形筋的直徑，可以在門窗樘上鉆孔。

4.4 模板施工

教學樓加固工程對梁、柱截面進行擴大，只會使用尺寸較小的模板，但卻有較為復雜的形狀，尤其是在梁側邊截面擴大處安裝模板時，需要對混凝土澆筑施工問題進行充分考慮。為了使混凝土澆搗更加方便，同時為了擴大植筋施工的操作面，需要先鑿除梁側大約1.5m的原樓板。在制作以及安裝完梁鋼筋后，需要同時對梁模板與樓板進行支模，柱模板樓板頂板四周需設置澆搗口，從而為順利澆筑混凝土提供保障。

4.5 碳纖維加固施工

（1）應該根據設計內容進行尺寸放樣，規范地對碳纖維布進行裁剪。同時，應結合相關的規定，準確衡量加固樹脂的固化劑和主劑，并保證兩者攪拌均勻。

（2）碳纖維沿長度方向片材最少應保留10cm 的接頭，在碳纖維布粘貼前，應該在碳纖維布以及混凝土粘貼部位均勻涂抹環氧樹脂，然后拉緊碳纖維布粘貼至預定位置，并且在粘貼滾筒、刮板時沿統一方向進行反復滾拖，直至碳纖維布邊緣滲出膠料，確保內部無氣泡。

5 結束語

綜上所述，中、小學學校建筑的抗震性能在近年來越來越受重視。在該教學樓抗震加固工程中，加固設計和施工技術的選用都較為合理，能夠使教學樓的抗震要求得到有效滿足，具有一定的研究和推廣意義。