高度超限砌体结构教学楼及抗震加固设计.doc

某高度超限多层砌体结构教学楼的抗震加固设计万巍1宝钢工程工程技术集团有限公司，上海，201900摘要 在对中小学校舍进行安全排查的基础上，上海市组织相关人员对不符合要求校舍进行抗震加固设计。本文根据5.12汶川地震多层砌体结构震害情况的调查，以及对某教学楼抗震鉴定分析，提出了针对此楼的抗震加固设计方案，同时给出了多层砌体结构抗震加固设计建议。关键词 校安工程 多层砌体结构 震害 抗震鉴定 抗震加固设计The Design of Seismic Strengthening on a Teaching Building of Altitude-exceeded Multi-storied Masonry 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 schools 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 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 masonry structure.Keywords: safety engineering of school building; multi-storied masonry structure; earthquake disaster; seismic evaluation; seismic strengthening design1 引言我国是地震高发国家，地震造成的人员伤亡，居世界首位。同时，我国地震区也分布较广。2008年5月12日四川省汶川发生了里氏8.0级的强烈地震，造成了大量房屋的倒塌，给当地造成了巨大灾难。其中校舍建筑的破坏最为严重。作为人员较为密集的公共建筑，校舍建筑布置的需要一般均采用大开间，外挑走廊，为了满足教室采光，要求填充墙体开大窗洞。以上造成此类结构体系整体性较其他相同结构差。为了最大限度保护师生的生命安全，建设部对抗震相关的一系列规范进行了及时的修订：其中规定幼儿园、中小学的教学用房、宿舍以及食堂抗震设防类别不应低于重点设防类，即不低于乙类。同时对若干结构抗震的构造措施加以修订，提高了结构抗震能力的要求。同时，国务院启动了中小学的校舍安全工程，要求用1-3年时间改造好全国范围内的有质量隐患的建筑。在教育部、建设部的统筹安排下，上海市对校舍进行了安全排查，组织相关人员对不符合要求校舍进行抗震加固设计。本文以上海浦东新区“校舍安全工程”中某多层框架结构教学楼抗震加固设计为例，做了一些探讨。2 框架结构的震害情况5.12汶川地震后，相关结构研究人员随即展开了对震害情况的调查3、4，框架结构房屋，由于其所用建筑材料延展性比砌体结构要好，地震力能得到有效的抵御和释放，因此抗震性能较好，此类校舍未发现整体垮塌的现象，但由于材料、施工质量以及建筑布局不合理等原因，部分结构构件也发生了一定程度的破坏。主要震害如下：1）柱子端部剪切破坏由于部分校舍结构体系布置存在缺陷，造成整体刚度不均匀，在地震力作用下变形不协调，在部分柱子端部形成剪力集中，造成柱头或柱脚发生剪切破坏CzJ，主要表现为局部混凝土崩裂、钢筋屈服外露332柱墙交接处产生竖向裂缝由于钢筋混凝土柱与砖砌填充墙体材料刚度相差较大，再加上施工时未采取有效的拉接，造成地震时变形难以协调，因此在地震力作用下，在两种材料交接的柱边形成明显的竖向裂缝333梁底水平裂缝与竖向裂缝相似，由于砌筑工艺的不规范，砌筑墙未与梁底挤紧，造成在地震力作用下形成明显的水平裂缝334墙体中部的“X”形(或“八字”形)裂缝和斜裂缝“X”形(或“八字”形)裂缝和斜裂缝在内外隔墙上均大量图5框架结构填充墙处裂缝存在，是典型的墙体在承受平行于墙体的地震力时剪切破坏的特征从现场调研来看，高墙破坏重于矮墙，薄墙重于厚墙。5、楼梯间的破坏3 房屋结构概况及抗震鉴定分析本次校舍安全工程抗震加固设计主要针对5.12汶川地震多层砌体结构校舍震害情况以及2009年新编制的建筑抗震鉴定标准(GB50023-2009)以及建筑抗震加固技术规程（JGJ116-2009）进行。3.1建筑结构概况本教学楼为5层砖混结构，建筑面积3382m2，层高为3.500m，檐口标高17.500m，预制楼（屋）面板，墙体材料为240厚粘土实心砖，基础采用钢筋混凝土墙下条形基础，主要用途为教室及办公室。根据现场实测，教学楼现有砂浆强度等级一三层为M3.2，四、五层砂浆强度等级为M4.2，砖强度等级为MU10，砼强度等级为C25。房屋抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度（0.1g）第一组。各种荷载取值如下：活荷载：教室以及办公室取2.0kN/m2，卫生间取2.0kN/m2，走廊、楼梯间过道取3.5kN/m2，非上人屋面取0.5kN/m2；恒荷载：预制楼面取4.5kN/m2，预制屋面取5.5kN/m2；墙体荷载：原有240 厚粘土砖墙体，考虑双面20mm 厚抹灰的重量，荷载取值为5.4kN/m2；风荷载：基本风压取0. 55kPa，地面粗糙程度为C类；梁柱荷载：考虑梁柱构件表面粉刷层的重量，梁柱构件自重容重近似取26kN/m3。3.2抗震鉴定结果根据建筑抗震鉴定标准(GB50023-2009)（以下简称为鉴定标准）的要求，后续使用年限30 年（A类建筑），对教学楼的结构构造进行评估。以下几项构造不满足要求：1）由于此教学楼的横墙间距大多为8.1m，横向抗震墙较少，同时本建筑为乙类建筑，根据鉴定标准第5.2.1条，房屋的最大高度不应超过16m，最大层数不应超过5层，此项不满足规范要求。2）教学楼的高宽比为2.6，超过鉴定标准不宜大于2.2的要求。3）部分大梁底部为扶壁砖柱支撑，不满足要求。4）楼（屋）盖为预制板，不满足鉴定标准规定的“宜采用现浇或装配整体式楼、屋盖”。5）绝大多数应该设置构造柱的部位未设置构造柱，所有构造柱的拉结钢筋以及马牙槎的设置不满足要求。6）房屋的易倒塌部位，如承重外墙尽端至门窗洞边的距离、非承重外墙尽端至门窗洞边的距离、内墙阳角至门窗洞边的距离不满足鉴定标准规定的最小值。根据中国建筑科学研究院开发的PKPM系列软件JDJG模块以及现场检测数据，对房屋结构建模计算分析，验算结构在地震力作用下的承载能力，建模时，适当考虑了原结构中施工缺陷、钢筋锈蚀等不利因素的影响，结果如下： 1）地基及基础：上部结构整体变形不大，无明显沉降开裂，可评定地基基础无明显静载缺陷。2）上部承重构件：承重墙：教学楼一四层部分墙体抗震承载力不足，抗力与荷载效应比在0.651.00 之间；同时一四层部分墙体受压承载力不足，抗力与荷载效应比在0.590.98之间。具体情况见附图2、3。3）主梁：经计算教学大楼各层主梁基本满足现行规范要求，大梁计算抗力与效应之小于1。 4）楼（屋）板：经计算教学楼楼（屋）面板配筋及挠度基本满足现行规范要求。图2 一层墙体受压验算结果（抗力效应比）（Fig.2 Results of pressure capacity calculation of 1st.floors walls (R/S)）4 加固设计方案根据校舍砌体结构震害分析以及对本教学楼的抗震鉴定结论，提出以下加固设计方案： 1）设置钢丝网水泥砂浆面层:由于原有部分纵、横墙抗震承载能力不满足要求，对不满足的墙体增加钢丝网水泥砂浆面层，设置墙体时应注意均匀布置，防止由于新增面层造成的结构刚度不均。设置钢丝网水泥砂浆面层时，应充分考虑建筑外立面，如计算要求外立面必须设置面层，宜全高布置。 2）设置钢筋混凝土板墙:教学楼结构主体高度为17.5m，大于鉴定规范所规定的16m的高度限值，为高度超限砌体结构。按建筑抗震加固技术规程（JGJ116-2009）（以下简称为加固规程）5.1.3第1条，对原结构应该采取高于一般房屋的承载力且加强墙体约束的有效措施。本工程所采用的做法是采用双面钢筋混凝土板墙作为结构抗震墙肢以增加结构抗震能力。钢筋混凝土板墙设置在房屋外墙四角，大房间内外墙交接处，隔开间横墙与外墙交接处，楼梯间四角等位置。同时也对房屋易倒塌部位进行了加强。采用钢丝网水泥砂浆面层和钢筋混凝土板墙加固后，一层墙体的抗震抗力效应比见图3： 图3 一层墙体加固后抗震验算结果（抗力效应比）（Fig.3 Results of anti-seismic calculation of 1st.floors walls after seismic strengthening (R/S)） 3） 设置构造柱:根据鉴定结果，本项目构造柱的设置的数量以及构造均不满足要求。根据加固规程第5.2.2条，当墙体采用钢筋混凝土板墙加固时，如在墙体交接处增设相互可靠拉结的配筋加强带时，可代替构造柱的作用。 4）设置外廊悬挑梁端部增设钢筋混凝土柱:本教学楼结构是外廊式，外走廊下悬挑大梁外挑1.8m，此类单跨建筑横向偏心受力，外廊侧倾覆力矩较大，纵向质心、刚心偏离，地震时扭转较为严重。在汶川地震中，不少类似建筑挑梁下部窗间墙受损严重；部分外廊受竖向地震力作用直接掉落，同时带动和其相连接部位破坏，致使教学楼逃生通道丧失。 在悬挑梁外侧加设纵向一排通长的钢筋混凝土柱，并在纵向柱顶设置一排拉梁，能使结构横向大梁从单跨变成两跨，同时增加了结构纵向的刚度。将外廊这一安全通道的可靠性大幅提高。教学楼结构的高宽比也得以相应降低。为了保证新增柱子不会因为自身沉降导致对原有结构产生不利影响，柱基础采用纵横向条形基础和原有结构墙下条基连成一体。由于原有悬挑梁受力模式变化，也对其采用加大截面法进行加固.新增混凝土柱与原有悬挑梁及走廊板应可靠连接。5）设置混凝土叠合层和圈梁：本教学楼以及相当多的砌体结构校舍，楼（屋）盖采用预制板，在施工阶段预制板的优势非常明显，但抗震能力却相对较弱。预制板和砌体纵、横墙、大梁连接节点往往整体性较差，地震时候常常因为在墙体的搁置长度不够而被震落；同时其平面内刚度无法达到现浇楼板的刚度，地震时水平力无法较为均匀的分配到墙体，造成墙体的不协调变形。为了增加楼板和墙体的整体性，本项目屋面和部分楼面设计采用了45厚配筋细石混凝土整浇层加固，利用整浇层的穿墙钢筋增加了对内、外墙的拉结，增加了楼（屋）盖的整体性和平面内刚度，同时楼（屋）面板的竖向承载能力也得到了大幅的提高。在没有设置整浇层的楼盖，在预制板板底和梁、墙交接位置设置通长封闭的角钢支托，角钢支托通过螺栓和纵横墙锚固。支托的作用相当于圈梁将楼面板和墙体拉结起来，增加了结构的整体性；同时支托给预制板提供了附加的搁置长度，降低了其震落的可能性。 6）对楼梯间、出屋面小房的加固 在5.12汶川地震中，楼梯间的破坏现象非常严重。为逃生通道，楼梯间的破坏往往是灾难性的，它会阻止逃生行为，加剧人员的伤害。为了防止地震时楼梯间内梯梁（板）和休息平台组成的K型构件将墙体压溃，本设计对楼梯间内侧四周加设钢丝网水泥砂浆面层进行加固。 对于出屋面小房等房屋局部突出物，此类突出物的刚度远小于下部主结构，在地震的过程中会产生“鞭梢效应”。此部分结构加固经常被设计人员所忽视，留下安全隐患。本设计对出屋面小房内侧四周加设钢丝网水泥砂浆面层进行整体加固，提高其抗侧力刚度，防止其脱落伤人。5、结论及抗震加固设计建议512汶川地震造成了巨大的损失，房屋的震害也给工程设计人员敲响了警钟。正确认识震害发生的机理，通过较为合理的方法评估鉴定抗震较为不利的多层砌体结构形式，并采取经济、有效的方法对抗震不利结构进行加固，减少人身、财产损失迫在眉睫。本文以上海“校舍安全工程”中某多层砌体结构教学楼抗震加固设计为例，提出此类结构抗震加固设计的一些粗浅的看法。1)设计应增加原有结构的整体性 震害研究表明，大部分震害和多层砌体自身的“离散性”有关，不同种类结构构件连接界面、以及相同构件的连接界面的连接强度不足是多数震害产生的原因。大部分加固措施也都是针对增加结构整体性来考虑的。例如：设置混凝土叠合层和圈梁是为了增加楼（屋）面自身的整体性以及楼（屋）面和纵、横墙之间整体性的措施；砖墙新增钢丝网水泥砂浆面层或者板墙是提高墙体自身整体性的措施。2)设计应提高原有结构的延性 砌体结构的延性远远小于钢结构以及钢筋混凝土结构，即其安全储备远远小于两种其他结构。设计时应适当提高此类结构的设防等级。同时理论上也可采用计算分析的角度来检验结构的变形能力，保证混凝土楼板和砌体之间的变形协调，相关砌体结构设计软件以及鉴定加固设计软件亟待开发。3）设计应保持原有结构的规则性 平、立面不规则的砌体结构，震害较为问题较严重。加固设计中，为了提高楼层的抗侧移刚度，钢丝网水泥砂浆面层或者是钢筋混凝土板墙应均匀布置，防止由于加固造成结构新的不规则。4）超限建筑结构处理 对于超高、层数超过限制，高宽比超限等建筑，在计算满足要求的同时，应采取相应的构造措施，降低墙体应力，防止其在大震时发生脆性破坏。5）加固设计应充分考虑成本 加固设计应采用高效、经济、施工方便的方法。原则上，加固成本不得超过了新建相同结构成本。结构加固势必会破坏原有建筑、电气及给排水的设置，加固设计施工时应尽量考虑到未来的装修、修缮，各个专业协调配合，一步到位。防止以后建筑、电气、给排水等专业的重复设计、施工。参考文献(References): 1 张熙光，王骏孙，刘慧珊. 建筑抗震鉴定加固手册 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Beijing: China Architecture & building Press,2009(in Chinese)作者简介：万巍（1979），男，工学硕士，工程师。上海宝山铁力路2510号宝钢工程技术集团有限公司（201900）。E-mail：lilacwan163.com. 电话 13761737890