西安地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固設計方法研究1

侯 衛(wèi) 周雪峰 郝 麗 申建光

1）西安工業(yè)大學建筑工程學院，西安 710032

2）中聯(lián)西北工程設計研究院，西安 710072

3）西安市建筑設計研究院，西安 710035

西安地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固設計方法研究1

侯 衛(wèi)1）周雪峰1）郝 麗2）申建光3）

1）西安工業(yè)大學建筑工程學院，西安 710032

2）中聯(lián)西北工程設計研究院，西安 710072

3）西安市建筑設計研究院，西安 710035

對震后中小學校舍進行抗震加固是我國各級政府在汶川地震后給工程技術(shù)人員提出的重要課題。本文針對西安地區(qū)中小學校舍的抗震加固設計進行了論述。對其存在的安全隱患，可依據(jù)抗震鑒定的結(jié)論及現(xiàn)場實地勘察，綜合考慮施工進度、施工復雜程度、工期等因素，選用相應的抗震加固設計方案。根據(jù)設計過程中出現(xiàn)的問題，本文還提出了工程建議，可為類似的工程設計、施工提供借鑒。

抗震加固 砌體結(jié)構(gòu) 設防目標 校舍安全

引言

地震中房屋建筑破壞與倒塌是造成人員傷亡的主要原因，汶川地震中許多學校建筑由于抗震能力不足，造成了校舍倒塌、學生死傷的慘痛教訓。因此，提高現(xiàn)有校舍建筑的抗震能力是減輕地震災害的有效措施，實踐證明凡在震前經(jīng)過抗震鑒定與加固的建筑，在地震中的損壞程度明顯輕于未加固的建筑。2009年4月國務院啟動了全國中小學校舍安全工程，其工作目標是：在全國開展中小學校房屋排查鑒定，對各級各類城鄉(xiāng)中小學存在安全隱患的校舍進行抗震加固、遷移避險，提高綜合防災能力建設，使學校校舍達到重點設防類抗震設防標準。為配合這一工程，住建部正式頒布實施了《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）和《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ 116-2009）》（中華人民共和國行業(yè)標準，2009），這兩本配套實施的標準是現(xiàn)有房屋建筑抗震鑒定與加固的重要技術(shù)依據(jù)。

目前，中小學校舍多以砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。早期建成的校舍多為砌體結(jié)構(gòu)，近幾年鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的校舍才日趨增多，但總體來說磚混結(jié)構(gòu)占的比例較大。不同結(jié)構(gòu)體系差異較大，框架結(jié)構(gòu)傳力明確，與砌體結(jié)構(gòu)相比在地震中表現(xiàn)出較好的延性，發(fā)生的震后災害較??；而砌體結(jié)構(gòu)是脆性性質(zhì)，易導致震后災害的發(fā)生，特別是學校建筑多為橫墻較少的建筑，當?shù)卣鹆叶容^高、地震作用很大，墻體不能勝任所承擔的地震力時，極易發(fā)生震害。震害多呈現(xiàn)脆性破壞，損失慘重。所以對砌體結(jié)構(gòu)的校舍建筑進行抗震加固，改善和提高其抗震能力具有重要的意義。本文針對西安地區(qū)（西安市設防烈度為Ⅷ度）砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固設計方法進行了探討。

1 多層砌體校舍典型安全隱患及分析

根據(jù)陜西省中小學校舍安全工程鑒定報告及現(xiàn)場勘察，西安市多層砌體校舍存在不同程度的安全隱患。校舍修建年代跨度很大，90年代后期的建筑進行過抗震設計，較新砌體結(jié)構(gòu)房屋基本只有少量細微裂紋，屬于基本完好或輕微破壞；而89建筑抗震設計規(guī)范（中華人民共和國國家標準，1989）以前的大量建筑物，未進行過抗震構(gòu)造措施的砌體結(jié)構(gòu)破壞較為嚴重，但無倒塌現(xiàn)象。其主要存在如下薄弱部位：

（1）砌筑砂漿采用混合砂漿。大量鑒定報告顯示砌筑砂漿含水泥量少，強度過低，達不到設計要求，也達不到規(guī)范最低要求，使墻體的承載能力存在安全隱患。

（2）門、窗角上墻體出現(xiàn)斜裂縫。門窗洞口四角由于截面突變在角部易于應力集中，若洞口兩邊未設置構(gòu)造柱，則過大的應力將導致門窗洞口角部普遍出現(xiàn)裂縫。

（3）預制板間、板在支座處均出現(xiàn)大量裂縫。樓板和屋蓋是地震時傳遞水平地震作用的主要構(gòu)件，其水平剛度對房屋抗震性能影響很大。當采用預制板時，整體性較差，板縫偏小而混凝土灌縫不夠密實，地震時板縫易于拉裂。西安市中小學校舍大量磚混房屋預制板間出現(xiàn)這種板縫，板與墻體頂部連接處也有被震松而出現(xiàn)水平裂縫。汶川地震中，預制板出現(xiàn)的另一個嚴重震害是，預制板端部擱置長度過短或無可靠的拉結(jié)措施，加之預制板強度相對偏低易折斷，導致預制板在沖擊荷載下易掉落或折斷（韓軍等，2008）。

（4）樓梯間的四角和梯梁下未按規(guī)范要求設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱。特別是梯梁直接放置于砌體墻上未設構(gòu)造柱時，樓梯間承重墻普遍出現(xiàn)斜裂縫，沿著梯梁角部斜著向下展開斜裂縫，在高烈度區(qū)，樓梯作為疏散通道，存在較大的安全隱患。懸掛式樓梯，支撐不可靠，樓梯梯板抗彎承載力不足，成為抗震薄弱部位，安全通道不安全。

（5）大梁直接支撐在兩端墻體上，在集中荷載作用下，無筋承重磚柱截面抗彎承載力和抗剪承載力不足，梁下墻體出現(xiàn)不同程度的斜向裂縫。橫墻間距過大，扶壁柱布置缺失。

（6）出屋面頂部突出物存在的安全隱患。出屋面女兒墻由于是單片墻，側(cè)向無約束，穩(wěn)定性差，又受到鞭梢效應影響，在歷次地震中都出現(xiàn)明顯的震害（趙恩平等，2009）。

（7）未布置圈梁構(gòu)造住，或布置不符合規(guī)范要求。

（8）單側(cè)外廊式結(jié)構(gòu)平面布置、質(zhì)量和側(cè)向剛度分布不對稱。部分砌體欄板沒有可靠拉結(jié)，形成安全隱患。

（9）懸挑走廊設計荷載較實際使用值小，計算方法與實際受力不完全吻合，以及受力鋼筋普遍下移，因此，懸挑走廊結(jié)構(gòu)安全可靠性普遍偏低。

2 建筑抗震加固的設防目標

加固規(guī)程中規(guī)定，抗震加固的目標是使現(xiàn)有建筑做到抗震安全、經(jīng)濟、合理、有效和實用，其中抗震安全指加固后的現(xiàn)有建筑在預期的后續(xù)使用年限內(nèi)，能夠達到不低于其抗震鑒定的設防目標。這個目標應該做到在僅增加少量投資的前提下，提高既有建筑物的綜合抗災能力，防止強震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空間，或不至于很快倒塌以提供足夠的逃生時間。如遭遇不可預見的特大地震，將倒塌的房屋數(shù)量和生命財產(chǎn)損失降到最低，將被動救災的費用降到最少。

3 加固方案的選擇

針對西安地區(qū)中小學校舍存在的安全隱患，抗震加固應依據(jù)抗震鑒定的結(jié)論及現(xiàn)場實地勘察，在考慮施工進度和復雜程度的同時，有針對性的選用對原結(jié)構(gòu)損傷小、施工便捷、工期短等易于實現(xiàn)的成熟加固方法，經(jīng)濟合理，避免千篇一律大面積地加固。

針對加固校舍的鑒定意見，主要是原結(jié)構(gòu)綜合抗震能力指數(shù)或墻體抗震承載力與規(guī)定值相差較大，故選用施工速度較快的鋼筋混凝土板墻加固（圖1）（中國建筑標準設計研究院，2003）。鋼筋混凝土板墻加固對墻體抗震能力的提高，是采用抗震能力增強系數(shù)的方式來表達的，墻體抗震能力增強系數(shù)計算公式為（中華人民共和國行業(yè)標準，2009）：

圖1 鋼筋混凝土板墻加固Fig. 1 Reinforcement for reinforced concrete wall

式中，ηpij為第i樓層第j墻體（或墻段）面層加固的增強系數(shù)；0η為基準增強系數(shù)；tw0為原墻體厚度（mm）；fvE為原墻體的抗震抗剪強度設計值（MPa）。

磚墻墻體面層加固的基準增強系數(shù)0η的影響因素包括：面層厚度、鋼筋網(wǎng)規(guī)格、單面加固或雙面加固?；鶞试鰪娤禂?shù)0η與面層厚度成正比，雙面加固比單面加固承載力高。水泥砂漿面層、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固原墻體的砂漿強度等級實測值越低，基準增強系數(shù)0η越大。等級實測值不宜高于M2.5，否則采用該方法對其承載能力的提高不明顯；而當采用鋼筋混凝土板墻加固時，原有墻體的砂漿強度等級不宜低于M2.5。

當采用樓層綜合抗震能力指數(shù)法驗算時，樓層的抗震能力增強系數(shù)按下式計算（中華人民共和國標準，2001）：

式中，ηpi為面層加固后第i樓層抗震能力的增強系數(shù)；Ai0為第i樓層中驗算方向原有抗震墻在1/2層高處凈截面的面積；Aij0為第i樓層中驗算方向面層加固的抗震墻j墻段在1/2層高處凈截面的面積；n為第i樓層中驗算方向上的面層加固抗震墻的道數(shù)。

加固后樓層的綜合抗震能力指數(shù)按下式計算：

式中，sβ為加固后樓層或墻段的綜合抗震能力指數(shù)；η為加固增強系數(shù)；0β為樓層或墻段原有的平均抗震能力指數(shù)，按照現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）規(guī)定的有關方法計算；1?、2?分別為體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)，應根據(jù)房屋加固后的狀況確定。

針對不同校舍的實際情況應選擇相應的增設抗震墻、外加圈梁-鋼筋混凝土柱、梁下扶壁柱、廊柱等加固方法。

4 加固設計實例

西安市某小學，建于1983年。原所有施工圖紙全部丟失，加固設計數(shù)據(jù)依據(jù)鑒定報告，該建筑為磚混結(jié)構(gòu)，地上3層，建筑物長55.64m，寬16.74m，層高3.3m，建筑總面積1894m2，建筑總高10.2m。樓板部分采用預制板。結(jié)構(gòu)承重方式為縱橫墻承重體系，平“凹”呈矩形，基礎為條形基礎，鑒定該建筑不滿足A類建筑抗震鑒定要求，需抗震加固，對基礎沒有加固要求，墻體依據(jù)鑒定報告為240mm。根據(jù)鑒定報告及現(xiàn)場踏勘，該建筑物設置了部分圈梁和構(gòu)造柱。根據(jù)鑒定報告結(jié)果：建筑物承重墻為燒結(jié)普通磚，磚參考評定強度均為MU7.5，砌體砂漿為混合砂漿，強度為M2.5。經(jīng)計算，墻體抗震承載力不滿足抗震鑒定標準要求。加固計算結(jié)果表明，在原結(jié)構(gòu)主體增設部分構(gòu)造柱和圈梁，采用鋼筋混凝土板墻加固后墻體基本能滿足抗震承載力要求（抗力與效應比）。加固平面如圖2所示。

圖2 加固平面圖Fig. 2 Plane view of reinforcement plan

由于該校舍校方對于建筑外立面有要求，故采用單面內(nèi)板墻加固，并結(jié)合樓面現(xiàn)澆層及鋼筋加強帶形成內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)形式，并注意了結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量的均勻性（住房和城鄉(xiāng)建設部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，2010）。對于屋面板部分，其上建筑構(gòu)造層次過多，大面積鑿毛非常困難，若處理不當，將達不到預期加固效果，還可能降低了原結(jié)構(gòu)的抗震能力。為此采用屋面板底黏貼碳纖維布、承重橫墻側(cè)預制板下加角鋼支撐的加固方法?？紤]到加固施工工期要求高，對于懸挑走廊增加廊柱，可采用施工速度快的鋼柱做法（見圖3）。

圖3 鋼廊柱做法Fig. 3 Steel pillar scheme

5 討論

中小學校舍抗震加固工作，具有年代跨度大、結(jié)構(gòu)形式復雜、工作量大、任務緊、加固設計比較復雜、施工現(xiàn)場配合任務比較繁重等特點。本文通過對西安市中小學校舍房屋勘察鑒定，以及存在的安全隱患進行的分析和加固方案的探討，針對高烈度地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)抗震加固設計有以下幾點啟示和建議：

（1）針對鑒定的結(jié)果和房屋的實際情況，確定采用房屋整體加固、區(qū)段加固或構(gòu)件加固以使房屋達到規(guī)定設防要求。如確定為抗震加固，那么其內(nèi)涵一定是結(jié)構(gòu)加固而非單個構(gòu)件補強，因此應首先考慮整體性結(jié)構(gòu)加固，盡可能的保留和利用原有構(gòu)件，減少不必要的拆除和更換，使加固措施發(fā)揮綜合效應。

（2）對結(jié)構(gòu)的加固，要進行“內(nèi)加固”或“外加固”的比較，綜合建筑、施工等方面的要求確定。

（3）加固后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、承載力和變形能力都發(fā)生了變化，當采用以提高承載力為主的方案時，要使承載力的提高超過因質(zhì)量、剛度加大導致地震作用的加大；當采用以提高變形能力為主的方案時，要衡量現(xiàn)有承載力是否達到了相應的最低要求。

（4）加固方法要便于施工，以減少對原結(jié)構(gòu)承載力的損傷。把握關鍵，突出重點，新舊結(jié)合面的處理至關重要，設計方法要與施工方法密切配合，采取有效措施使新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)連接緊密，形成整體效應。

韓軍，李英民，劉立平，鄭妮娜，王麗萍，劉建偉，2008. 5·12汶川地震綿陽市區(qū)房屋震害統(tǒng)計與分析. 重慶建筑大學學報，30（5）：21—27.

中華人民共和國國家標準，1989. 建筑抗震設計規(guī)范（GBJ11-89）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國國家標準，2001. 建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2001）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中國建筑標準設計研究院，2003. 國家建筑標準設計圖集（03SG611），磚混結(jié)構(gòu)加固與修復. 北京：中國計劃出版社.

中華人民共和國行業(yè)標準，2009. 建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ 116-2009）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國國家標準，2009. 建筑抗震鑒定標準（GB50023-2009）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

趙恩平，楊娜茵等，2009. 北京中小學校、幼兒園建筑抗震調(diào)查研究. 工程抗震與加固改造， 33（4）：94.

住房和城鄉(xiāng)建設部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，2010. 全國中小學校舍抗震鑒定與加固示例. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

Seismic Strengthening of School Buildings with Masonry Structure in Xi’an Region

Hou Wei1), Zhou Xuefeng1), Hao Li2)and Shen Jianguang3)
1) School of Architecture & Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China
2) China United Northwest Institute for Design and Research, Xi’an 710072, China
3) Xi’an Institute for Design of Architecture, Xi’an 710035, China

It is an important issue for engineers and technicians that how to improve earthquake resistant strengthening of the primary and secondary school buildings after Wenchuan earthquake. In this paper, some important factors, such as the influences of the construction progress, complexity and construction period are all taken into account in order to choose the corresponding seismic strengthening method which are based on the seismic qualification and on-the-spot survey of school buildings in Xi'an. Some suggestions in the project design are presented in this paper, which can be taken for example on similar engineering.

Seismic strengthening; Masonry structure; Potential safety concerns; Safty of school buildings

侯衛(wèi)，周雪峰，郝麗，申建光，2011. 西安地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固設計方法研究. 震災防御技術(shù)，6（2）：130—135.

陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2010K01-073），西安工業(yè)大學校長基金（XAGDXJJ-06026）

2010-12-27

侯衛(wèi)，男，生于1975年。碩士，西安工業(yè)大學講師。主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)抗震設計。E-mail:houwei75@163.com