高度超限砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的抗震加固設(shè)計(jì)

1、某高度超限多層砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的抗震加固設(shè)計(jì)萬巍1寶鋼工程工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海，201900摘要 在對中小學(xué)校舍進(jìn)行安全排查的基礎(chǔ)上，上海市組織相關(guān)人員對不符合要求校舍進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。本文根據(jù)5.12汶川地震多層砌體結(jié)構(gòu)震害情況的調(diào)查，以及對某教學(xué)樓抗震鑒定分析，提出了針對此樓的抗震加固設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了多層砌體結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞 校安工程 多層砌體結(jié)構(gòu) 震害 抗震鑒定 抗震加固設(shè)計(jì)The Design of Seismic Strengthening on a Teaching Building of Altitude-exceeded Multi-storied Maso

2、nry StructureWan wei1、2, QIN Fu-hua1, Wu Yu-feng1（1. Central Research Institute of Building & Construction, MCC,East China Branch ，Shanghai 200940; 2. Baosteel Engineering & Technology Company Limited，Shanghai 201900）Abstract: Based on the survey on the security of elementary and high school

3、s in shanghai,some scientists and engineers who were organized by the government were doing the design of seismic strengthening on the buildings that dissatisfy with the codes. Based on the investigation of the earthquake disasters appeared in the multi-storied masonry structure in the 5.12 Wenchuan

4、 earthquake and the seismic evaluation reports on a teaching building, the lecture brings forward the method of the seismic strengthening design about the teaching building. At the same time, the lecture also provides us the common suggestions on the seismic strengthening design of multi-storied mas

5、onry structure.Keywords: safety engineering of school building; multi-storied masonry structure; earthquake disaster; seismic evaluation; seismic strengthening design1 引言我國是地震高發(fā)國家，地震造成的人員傷亡，居世界首位。同時(shí)，我國地震區(qū)也分布較廣。2008年5月12日四川省汶川發(fā)生了里氏8.0級的強(qiáng)烈地震，造成了大量房屋的倒塌，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮鬄?zāi)難。其中校舍建筑的破壞最為嚴(yán)重。作為人員較為密集的公共建筑，校舍建筑布置的需要一

6、般均采用大開間，外挑走廊，為了滿足教室采光，要求填充墻體開大窗洞。以上造成此類結(jié)構(gòu)體系整體性較其他相同結(jié)構(gòu)差。為了最大限度保護(hù)師生的生命安全，建設(shè)部對抗震相關(guān)的一系列規(guī)范進(jìn)行了及時(shí)的修訂：其中規(guī)定幼兒園、中小學(xué)的教學(xué)用房、宿舍以及食堂抗震設(shè)防類別不應(yīng)低于重點(diǎn)設(shè)防類，即不低于乙類。同時(shí)對若干結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造措施加以修訂，提高了結(jié)構(gòu)抗震能力的要求。同時(shí)，國務(wù)院啟動(dòng)了中小學(xué)的校舍安全工程，要求用1-3年時(shí)間改造好全國范圍內(nèi)的有質(zhì)量隱患的建筑。在教育部、建設(shè)部的統(tǒng)籌安排下，上海市對校舍進(jìn)行了安全排查，組織相關(guān)人員對不符合要求校舍進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。本文以上海浦東新區(qū)“校舍安全工程”中某多層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗

7、震加固設(shè)計(jì)為例，做了一些探討。2 框架結(jié)構(gòu)的震害情況5.12汶川地震后，相關(guān)結(jié)構(gòu)研究人員隨即展開了對震害情況的調(diào)查3、4，框架結(jié)構(gòu)房屋，由于其所用建筑材料延展性比砌體結(jié)構(gòu)要好，地震力能得到有效的抵御和釋放，因此抗震性能較好，此類校舍未發(fā)現(xiàn)整體垮塌的現(xiàn)象，但由于材料、施工質(zhì)量以及建筑布局不合理等原因，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件也發(fā)生了一定程度的破壞。主要震害如下：1）柱子端部剪切破壞由于部分校舍結(jié)構(gòu)體系布置存在缺陷，造成整體剛度不均勻，在地震力作用下變形不協(xié)調(diào)，在部分柱子端部形成剪力集中，造成柱頭或柱腳發(fā)生剪切破壞CzJ，主要表現(xiàn)為局部混凝土崩裂、鋼筋屈服外露332柱墻交接處產(chǎn)生豎向裂縫由于鋼筋混凝土柱與磚砌

8、填充墻體材料剛度相差較大，再加上施工時(shí)未采取有效的拉接，造成地震時(shí)變形難以協(xié)調(diào)，因此在地震力作用下，在兩種材料交接的柱邊形成明顯的豎向裂縫333梁底水平裂縫與豎向裂縫相似，由于砌筑工藝的不規(guī)范，砌筑墻未與梁底擠緊，造成在地震力作用下形成明顯的水平裂縫334墻體中部的“X”形(或“八字”形)裂縫和斜裂縫“X”形(或“八字”形)裂縫和斜裂縫在內(nèi)外隔墻上均大量圖5框架結(jié)構(gòu)填充墻處裂縫存在，是典型的墻體在承受平行于墻體的地震力時(shí)剪切破壞的特征從現(xiàn)場調(diào)研來看，高墻破壞重于矮墻，薄墻重于厚墻。5、樓梯間的破壞3 房屋結(jié)構(gòu)概況及抗震鑒定分析本次校舍安全工程抗震加固設(shè)計(jì)主要針對5.12汶川地震多層砌體結(jié)構(gòu)校舍

9、震害情況以及2009年新編制的建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB50023-2009)以及建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ116-2009）進(jìn)行。3.1建筑結(jié)構(gòu)概況本教學(xué)樓為5層磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積3382m2，層高為3.500m，檐口標(biāo)高17.500m，預(yù)制樓（屋）面板，墻體材料為240厚粘土實(shí)心磚，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土墻下條形基礎(chǔ)，主要用途為教室及辦公室。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，教學(xué)樓現(xiàn)有砂漿強(qiáng)度等級一三層為M3.2，四、五層砂漿強(qiáng)度等級為M4.2，磚強(qiáng)度等級為MU10，砼強(qiáng)度等級為C25。房屋抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g）第一組。各種荷載取值如下：活荷載：教室以及辦公室取2.0kN/m2，衛(wèi)生間取

10、2.0kN/m2，走廊、樓梯間過道取3.5kN/m2，非上人屋面取0.5kN/m2；恒荷載：預(yù)制樓面取4.5kN/m2，預(yù)制屋面取5.5kN/m2；墻體荷載：原有240 厚粘土磚墻體，考慮雙面20mm 厚抹灰的重量，荷載取值為5.4kN/m2；風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓取0. 55kPa，地面粗糙程度為C類；梁柱荷載：考慮梁柱構(gòu)件表面粉刷層的重量，梁柱構(gòu)件自重容重近似取26kN/m3。3.2抗震鑒定結(jié)果根據(jù)建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB50023-2009)（以下簡稱為鑒定標(biāo)準(zhǔn)）的要求，后續(xù)使用年限30 年（A類建筑），對教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行評估。以下幾項(xiàng)構(gòu)造不滿足要求：1）由于此教學(xué)樓的橫墻間距大多為8.1m

11、，橫向抗震墻較少，同時(shí)本建筑為乙類建筑，根據(jù)鑒定標(biāo)準(zhǔn)第條，房屋的最大高度不應(yīng)超過16m，最大層數(shù)不應(yīng)超過5層，此項(xiàng)不滿足規(guī)范要求。2）教學(xué)樓的高寬比為2.6，超過鑒定標(biāo)準(zhǔn)不宜大于2.2的要求。3）部分大梁底部為扶壁磚柱支撐，不滿足要求。4）樓（屋）蓋為預(yù)制板，不滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“宜采用現(xiàn)澆或裝配整體式樓、屋蓋”。5）絕大多數(shù)應(yīng)該設(shè)置構(gòu)造柱的部位未設(shè)置構(gòu)造柱，所有構(gòu)造柱的拉結(jié)鋼筋以及馬牙槎的設(shè)置不滿足要求。6）房屋的易倒塌部位，如承重外墻盡端至門窗洞邊的距離、非承重外墻盡端至門窗洞邊的距離、內(nèi)墻陽角至門窗洞邊的距離不滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值。根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM系列軟件JDJG

12、模塊以及現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，對房屋結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在地震力作用下的承載能力，建模時(shí)，適當(dāng)考慮了原結(jié)構(gòu)中施工缺陷、鋼筋銹蝕等不利因素的影響，結(jié)果如下： 1）地基及基礎(chǔ)：上部結(jié)構(gòu)整體變形不大，無明顯沉降開裂，可評定地基基礎(chǔ)無明顯靜載缺陷。2）上部承重構(gòu)件：承重墻：教學(xué)樓一四層部分墻體抗震承載力不足，抗力與荷載效應(yīng)比在0.651.00 之間；同時(shí)一四層部分墻體受壓承載力不足，抗力與荷載效應(yīng)比在0.590.98之間。具體情況見附圖2、3。3）主梁：經(jīng)計(jì)算教學(xué)大樓各層主梁基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，大梁計(jì)算抗力與效應(yīng)之小于1。 4）樓（屋）板：經(jīng)計(jì)算教學(xué)樓樓（屋）面板配筋及撓度基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。圖2

13、一層墻體受壓驗(yàn)算結(jié)果（抗力效應(yīng)比）（Fig.2 Results of pressure capacity calculation of 1st.floor's walls (R/S)）4 加固設(shè)計(jì)方案根據(jù)校舍砌體結(jié)構(gòu)震害分析以及對本教學(xué)樓的抗震鑒定結(jié)論，提出以下加固設(shè)計(jì)方案： 1）設(shè)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層:由于原有部分縱、橫墻抗震承載能力不滿足要求，對不滿足的墻體增加鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層，設(shè)置墻體時(shí)應(yīng)注意均勻布置，防止由于新增面層造成的結(jié)構(gòu)剛度不均。設(shè)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層時(shí)，應(yīng)充分考慮建筑外立面，如計(jì)算要求外立面必須設(shè)置面層，宜全高布置。 2）設(shè)置鋼筋混凝土板墻:教學(xué)樓結(jié)構(gòu)主體高度為17.

14、5m，大于鑒定規(guī)范所規(guī)定的16m的高度限值，為高度超限砌體結(jié)構(gòu)。按建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ116-2009）（以下簡稱為加固規(guī)程）第1條，對原結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取高于一般房屋的承載力且加強(qiáng)墻體約束的有效措施。本工程所采用的做法是采用雙面鋼筋混凝土板墻作為結(jié)構(gòu)抗震墻肢以增加結(jié)構(gòu)抗震能力。鋼筋混凝土板墻設(shè)置在房屋外墻四角，大房間內(nèi)外墻交接處，隔開間橫墻與外墻交接處，樓梯間四角等位置。同時(shí)也對房屋易倒塌部位進(jìn)行了加強(qiáng)。采用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層和鋼筋混凝土板墻加固后，一層墻體的抗震抗力效應(yīng)比見圖3： 圖3 一層墻體加固后抗震驗(yàn)算結(jié)果（抗力效應(yīng)比）（Fig.3 Results of anti-seismic

15、calculation of 1st.floor's walls after seismic strengthening (R/S)） 3） 設(shè)置構(gòu)造柱:根據(jù)鑒定結(jié)果，本項(xiàng)目構(gòu)造柱的設(shè)置的數(shù)量以及構(gòu)造均不滿足要求。根據(jù)加固規(guī)程第條，當(dāng)墻體采用鋼筋混凝土板墻加固時(shí)，如在墻體交接處增設(shè)相互可靠拉結(jié)的配筋加強(qiáng)帶時(shí)，可代替構(gòu)造柱的作用。 4）設(shè)置外廊懸挑梁端部增設(shè)鋼筋混凝土柱:本教學(xué)樓結(jié)構(gòu)是外廊式，外走廊下懸挑大梁外挑1.8m，此類單跨建筑橫向偏心受力，外廊側(cè)傾覆力矩較大，縱向質(zhì)心、剛心偏離，地震時(shí)扭轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重。在汶川地震中，不少類似建筑挑梁下部窗間墻受損嚴(yán)重；部分外廊受豎向地震力作用直接掉落

16、，同時(shí)帶動(dòng)和其相連接部位破壞，致使教學(xué)樓逃生通道喪失。 在懸挑梁外側(cè)加設(shè)縱向一排通長的鋼筋混凝土柱，并在縱向柱頂設(shè)置一排拉梁，能使結(jié)構(gòu)橫向大梁從單跨變成兩跨，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)縱向的剛度。將外廊這一安全通道的可靠性大幅提高。教學(xué)樓結(jié)構(gòu)的高寬比也得以相應(yīng)降低。為了保證新增柱子不會(huì)因?yàn)樽陨沓两祵?dǎo)致對原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，柱基礎(chǔ)采用縱橫向條形基礎(chǔ)和原有結(jié)構(gòu)墻下條基連成一體。由于原有懸挑梁受力模式變化，也對其采用加大截面法進(jìn)行加固.新增混凝土柱與原有懸挑梁及走廊板應(yīng)可靠連接。5）設(shè)置混凝土疊合層和圈梁：本教學(xué)樓以及相當(dāng)多的砌體結(jié)構(gòu)校舍，樓（屋）蓋采用預(yù)制板，在施工階段預(yù)制板的優(yōu)勢非常明顯，但抗震能力卻相對

17、較弱。預(yù)制板和砌體縱、橫墻、大梁連接節(jié)點(diǎn)往往整體性較差，地震時(shí)候常常因?yàn)樵趬w的擱置長度不夠而被震落；同時(shí)其平面內(nèi)剛度無法達(dá)到現(xiàn)澆樓板的剛度，地震時(shí)水平力無法較為均勻的分配到墻體，造成墻體的不協(xié)調(diào)變形。為了增加樓板和墻體的整體性，本項(xiàng)目屋面和部分樓面設(shè)計(jì)采用了45厚配筋細(xì)石混凝土整澆層加固，利用整澆層的穿墻鋼筋增加了對內(nèi)、外墻的拉結(jié)，增加了樓（屋）蓋的整體性和平面內(nèi)剛度，同時(shí)樓（屋）面板的豎向承載能力也得到了大幅的提高。在沒有設(shè)置整澆層的樓蓋，在預(yù)制板板底和梁、墻交接位置設(shè)置通長封閉的角鋼支托，角鋼支托通過螺栓和縱橫墻錨固。支托的作用相當(dāng)于圈梁將樓面板和墻體拉結(jié)起來，增加了結(jié)構(gòu)的整體性；同時(shí)支

18、托給預(yù)制板提供了附加的擱置長度，降低了其震落的可能性。 6）對樓梯間、出屋面小房的加固 在5.12汶川地震中，樓梯間的破壞現(xiàn)象非常嚴(yán)重。為逃生通道，樓梯間的破壞往往是災(zāi)難性的，它會(huì)阻止逃生行為，加劇人員的傷害。為了防止地震時(shí)樓梯間內(nèi)梯梁（板）和休息平臺(tái)組成的K型構(gòu)件將墻體壓潰，本設(shè)計(jì)對樓梯間內(nèi)側(cè)四周加設(shè)鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層進(jìn)行加固。 對于出屋面小房等房屋局部突出物，此類突出物的剛度遠(yuǎn)小于下部主結(jié)構(gòu)，在地震的過程中會(huì)產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”。此部分結(jié)構(gòu)加固經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員所忽視，留下安全隱患。本設(shè)計(jì)對出屋面小房內(nèi)側(cè)四周加設(shè)鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層進(jìn)行整體加固，提高其抗側(cè)力剛度，防止其脫落傷人。5、結(jié)論及抗震加固設(shè)

19、計(jì)建議512汶川地震造成了巨大的損失，房屋的震害也給工程設(shè)計(jì)人員敲響了警鐘。正確認(rèn)識(shí)震害發(fā)生的機(jī)理，通過較為合理的方法評估鑒定抗震較為不利的多層砌體結(jié)構(gòu)形式，并采取經(jīng)濟(jì)、有效的方法對抗震不利結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，減少人身、財(cái)產(chǎn)損失迫在眉睫。本文以上?！靶Ｉ岚踩こ獭敝心扯鄬悠鲶w結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗震加固設(shè)計(jì)為例，提出此類結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)的一些粗淺的看法。1)設(shè)計(jì)應(yīng)增加原有結(jié)構(gòu)的整體性 震害研究表明，大部分震害和多層砌體自身的“離散性”有關(guān)，不同種類結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接界面、以及相同構(gòu)件的連接界面的連接強(qiáng)度不足是多數(shù)震害產(chǎn)生的原因。大部分加固措施也都是針對增加結(jié)構(gòu)整體性來考慮的。例如：設(shè)置混凝土疊合層和圈梁是為了增加樓

20、（屋）面自身的整體性以及樓（屋）面和縱、橫墻之間整體性的措施；磚墻新增鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層或者板墻是提高墻體自身整體性的措施。2)設(shè)計(jì)應(yīng)提高原有結(jié)構(gòu)的延性 砌體結(jié)構(gòu)的延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即其安全儲(chǔ)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩種其他結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高此類結(jié)構(gòu)的設(shè)防等級。同時(shí)理論上也可采用計(jì)算分析的角度來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的變形能力，保證混凝土樓板和砌體之間的變形協(xié)調(diào)，相關(guān)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件以及鑒定加固設(shè)計(jì)軟件亟待開發(fā)。3）設(shè)計(jì)應(yīng)保持原有結(jié)構(gòu)的規(guī)則性 平、立面不規(guī)則的砌體結(jié)構(gòu)，震害較為問題較嚴(yán)重。加固設(shè)計(jì)中，為了提高樓層的抗側(cè)移剛度，鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層或者是鋼筋混凝土板墻應(yīng)均勻布置，防止由于加固造成結(jié)構(gòu)新

21、的不規(guī)則。4）超限建筑結(jié)構(gòu)處理 對于超高、層數(shù)超過限制，高寬比超限等建筑，在計(jì)算滿足要求的同時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，降低墻體應(yīng)力，防止其在大震時(shí)發(fā)生脆性破壞。5）加固設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮成本 加固設(shè)計(jì)應(yīng)采用高效、經(jīng)濟(jì)、施工方便的方法。原則上，加固成本不得超過了新建相同結(jié)構(gòu)成本。結(jié)構(gòu)加固勢必會(huì)破壞原有建筑、電氣及給排水的設(shè)置，加固設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)盡量考慮到未來的裝修、修繕，各個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合，一步到位。防止以后建筑、電氣、給排水等專業(yè)的重復(fù)設(shè)計(jì)、施工。參考文獻(xiàn)(References): 1 張熙光，王駿孫，劉慧珊. 建筑抗震鑒定加固手冊 M.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.Zhang Xu-guang

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