現(xiàn)有底框砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于乙類建筑的加固實(shí)踐

■ 李自強(qiáng) Li Ziqiang

1 項(xiàng)目簡況

上海市公用事業(yè)學(xué)校凱旋路校區(qū)位于上海市凱旋路，內(nèi)有教育樓、食堂、實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生宿舍樓、變電站、門衛(wèi)等多幢房屋。根據(jù)國務(wù)院辦公廳、上海市政府辦公廳等政府部門關(guān)于中小學(xué)校舍安全工程實(shí)施方案的通知(簡稱校安工程)，本校屬分類分部實(shí)施對象，因此根據(jù)上海市教育局的統(tǒng)一部署，由區(qū)教育局校舍基建管理站委托同濟(jì)大學(xué)建設(shè)工程抗震鑒定委員會對校舍進(jìn)行抗震鑒定，對各房屋結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能作出綜合評價(jià)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223-2008)教育建筑中，幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，同時(shí)按照建設(shè)年代劃分，確定本次抗震鑒定范圍為：教育樓、食堂及浴室、學(xué)生宿舍樓1#樓、2#樓共4幢房屋，形成《上海市公用事業(yè)學(xué)校(凱旋校區(qū))校舍結(jié)構(gòu)抗震鑒定報(bào)告》。其中學(xué)生宿舍樓1#樓為底層框架-抗震墻砌體房屋結(jié)構(gòu)體系，平面整體近似呈“L”形，東西向長20.64m、南北向長28.04m，共6層，總建筑面積約為2 580m2，房屋底層層高為5.0m，2~6層層高均為3.0m，室內(nèi)外高差為0.3m，總建筑高度20.3m，底層為體育活動用房，以上各層主要作為學(xué)生宿舍使用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第7.1.2條，乙類建筑不應(yīng)采用底層框架-抗震墻砌體房屋，《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023-2009)第7.1.1條也明確指出底部框架磚房結(jié)構(gòu)適用于丙類設(shè)防的磚房，在其條文解釋中也指出內(nèi)框架磚房、底層框架磚房抗震能力較差，這類房屋僅適用于丙類設(shè)防的情況，因此本幢房屋具有其特殊性，本文將就此展開。

2 抗震鑒定

2.1 鑒定內(nèi)容

本次抗震鑒定主要內(nèi)容有：①結(jié)構(gòu)情況的檢測與復(fù)核；②房屋相對不均勻沉降趨勢與傾斜情況的檢測；③房屋主要結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的檢測；④房屋損傷狀況的檢測；⑤房屋使用荷載的調(diào)查；⑥不考慮地震作用下房屋結(jié)構(gòu)安全性的分析與評定；⑦房屋結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定；⑧對可能存在的問題提出處理建議。

2.2 學(xué)生宿舍樓1#樓現(xiàn)狀

學(xué)生宿舍樓1#樓采用底層框架磚房結(jié)構(gòu)，底層柱網(wǎng)尺寸主要為3.4m×5.6m、3.4m×7.4m或3.4m×1.8m，框架柱截面尺寸主要為370mm×490mm 或370mm×370mm，2層樓面縱橫向框架梁截面尺寸主要為250mm×650mm、240mm×500mm 或240mm×560mm等。2層樓面板采用縱向布置120mm 厚預(yù)制混凝土板。2~6層采用磚混結(jié)構(gòu)，主要采用縱墻承重，端部設(shè)部分橫墻承重，各層承重磚墻厚240mm，采用標(biāo)準(zhǔn)黏土磚和混合砂漿砌筑，各軸縱墻在樓屋面大梁下方設(shè)有突出墻面的扶壁磚柱，截面尺寸為370mm×490mm。北側(cè)②~⑧軸部分橫墻間距在3.4~17m之間，橫向?yàn)閮?nèi)廊式布局，中央設(shè)1.8m寬走廊，走廊兩側(cè)進(jìn)深為5.6m；南側(cè)①~②軸部分橫墻間距為20.4m(圖1、2)。各層樓屋面大開間部位橫向設(shè)截面尺寸為240mm×500mm 或250mm×650mm 的混凝土大梁。各層樓屋板主要采用縱向布置的120mm厚預(yù)制混凝土板。各層四周承重磚墻頂設(shè)有截面尺寸為240mm×560mm 的混凝土圈梁，內(nèi)墻未設(shè)置圈梁，上部結(jié)構(gòu)未設(shè)混凝土構(gòu)造柱。房屋基礎(chǔ)采用柱下混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度為室外地坪下1.1m。

2.3 主要鑒定結(jié)果

(1)材料強(qiáng)度檢測結(jié)果表明，房屋混凝土強(qiáng)度綜合評定為20.1MPa，達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C18 的要求；2層砂漿強(qiáng)度評定為1.4MPa，3~6層砂漿強(qiáng)度評定為1.5MPa，低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級M7.5(75#) 和M5(50#) 的要求；磚強(qiáng)度等級綜合評定為MU10，達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級MU10(100#)的要求。

(2)不考慮地震作用下，房屋底層框架結(jié)構(gòu)的部分框架梁柱承載力不足，且

2 層和3層有部分墻段不能滿足豎向受壓承載力的計(jì)算要求。

(3)房屋外觀和內(nèi)在質(zhì)量、結(jié)構(gòu)形式、房屋高度、總層數(shù)、抗震橫墻間距、框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密構(gòu)造、側(cè)向剛度比值、樓屋蓋形式、構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)置、墻段實(shí)際尺寸最小距離等不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023-2009)關(guān)于 A 類建筑底層框架磚混結(jié)構(gòu)房屋要求。

(4)房屋底層部分框架梁柱不能滿足抗震抗剪承載力計(jì)算要求，2~4層均有部分墻段不能滿足抗震抗剪承載力計(jì)算要求。

(5)房屋采用底層框架磚混結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)抗震性能較差，且總高度和總層數(shù)均超過規(guī)范限值要求，已無法滿足乙類建筑的抗震性能要求。

(6)房屋各層采用預(yù)制混凝土板，未設(shè)混凝土整澆層。

(7)底層框架結(jié)構(gòu)部分的框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密構(gòu)造等部分滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求，且部分框架梁柱抗震承載力不足。

(8)房屋上部磚混結(jié)構(gòu)部分抗震橫墻間距、構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)置、墻段實(shí)際尺寸最小距離等不能滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求，且2~4層部分墻段抗震承載力不足。

3 加固方案確定

本幢建筑建于1986年，原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防，現(xiàn)處正常使用期間；在不遭受地震影響時(shí)，有部分構(gòu)件不滿足承載力要求，同時(shí)抗震鑒定結(jié)果認(rèn)為：在遭受預(yù)期地震影響，其綜合抗震能力不足，且與其建筑功能要求的設(shè)防類別不匹配，需要進(jìn)行抗震加固。由于本幢建筑結(jié)構(gòu)體系不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范對乙類建筑的要求，即使加固后仍然面臨此問題，因此在方案設(shè)計(jì)階段尋找多種途徑的解決方法。對于此類問題可供選擇的解決方法有：

(1)改變使用功能，使建筑的抗震設(shè)防類別成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，即丙類。

(2)改變結(jié)構(gòu)體系，由原來的底層框架-抗震墻砌體結(jié)構(gòu)改建成全框架結(jié)構(gòu)或全砌體結(jié)構(gòu)。

(3)在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固，以滿足乙類建筑除結(jié)構(gòu)體系外的相關(guān)抗震設(shè)防要求。

(4)拆除重建。

對于方案(1)，從項(xiàng)目伊始校方一再強(qiáng)調(diào)，由于正處入學(xué)人數(shù)高峰期，且受校址周邊條件約束，無法擴(kuò)建，本宿舍樓的建筑功能必須保留，因此無法通過改變建筑使用功能來改變建筑抗震設(shè)防類別以滿足抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)體系的要求。

對于方案(2)，改變結(jié)構(gòu)體系為全框架結(jié)構(gòu)體系，須在2層以上磚壁柱位置處改為框架柱，沿建筑外輪廓及平面內(nèi)部分位置框架柱間增加框架梁，同時(shí)加固3層及以上樓層原壁柱間次梁，以滿足框架梁的設(shè)計(jì)要求。此加固涉及磚壁柱拆除變框架柱、預(yù)制板支承圈梁變框架梁、施工期間樓板層層托換等復(fù)雜過程，經(jīng)初步估算，施工及措施費(fèi)用已超過新建同類型建筑造價(jià)的60%~70%以上，尚不包括原附屬設(shè)施的更新以及拆除過程中不可預(yù)見的原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的替換，因此不被校方采納。另外改變原結(jié)構(gòu)體系為全砌體結(jié)構(gòu)的方案，需要在底層大空間處增加砌體抗震墻，同時(shí)減小周邊外墻的開洞面積，由于影響到校方一再希望保全的使用功能，故此方案不可行。

對于方案(4)拆除重建，由于校舍與周邊民居凈距較近、目前已不滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于退界和日照要求、為歷史遺留問題，一旦重建就必須按現(xiàn)行規(guī)范的要求執(zhí)行，因此在不影響周邊民居的前提下，此棟樓不能建造；且拆除重建即使能滿足規(guī)劃要求，但造價(jià)過大，已遠(yuǎn)超出批準(zhǔn)預(yù)算的允許，不具備拆除重建可能性。

綜合上述分析，唯方案(3)在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固，以滿足乙類建筑除結(jié)構(gòu)體系外的相關(guān)抗震設(shè)防要求可行。針對實(shí)際情況，設(shè)計(jì)方對于本幢宿舍樓抗震加固的基本思想是：從實(shí)際出發(fā)，在保持建筑本來面目及建筑功能完整性的前提下，對不考慮地震影響時(shí)承載力不足的部分進(jìn)行加固，同時(shí)按現(xiàn)行規(guī)范對乙類建筑的抗震設(shè)防要求進(jìn)行抗震加固，在原有基礎(chǔ)上提高本幢建筑的抗震性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、抗倒塌性，提高結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力，以便在地震發(fā)生時(shí)最大程度地保證教師學(xué)生的生命安全。

3 加固設(shè)計(jì)

本地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期為0.9s，本幢建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，按設(shè)防烈度8度采取抗震措施，抗震鑒定為A類建筑，后續(xù)使用年限為30年。

加固設(shè)計(jì)采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列“砌體鑒定加固設(shè)計(jì)軟件”的JDJG計(jì)算軟件和“砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)軟件”的QITI計(jì)算軟件。針對該樓抗震鑒定存在的主要問題，抗震加固采取以下主要措施：

(1)對于鑒定報(bào)告指出的材料強(qiáng)度低于原設(shè)計(jì)值的，加固設(shè)計(jì)取值不高于鑒定結(jié)果值。

(2)房屋原設(shè)計(jì)采用底部框架-砌體抗震墻結(jié)構(gòu)，抗震性能比較差，故按8度設(shè)防烈度要求對底層框架增設(shè)混凝土抗震墻，提高底層剛度，從嚴(yán)要求，使得上部結(jié)構(gòu)與底部結(jié)構(gòu)剛度比不大于2.0，不小于1.0，而非7度抗震時(shí)的剛度比不大于2.5、不小于1.0。計(jì)算結(jié)果顯示：X方向剛度比為1.39，Y方向剛度比為1.30。鋼筋混凝土抗震墻按II級抗震等級采取抗震構(gòu)造措施，并按加強(qiáng)部位、約束邊緣構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)；同時(shí)對底層框架梁、柱采用增大截面并加大配筋并按抗震等級I級采取抗震構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和承載力(圖3、4)。

(3)根據(jù)鑒定報(bào)告，對原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度偏低、實(shí)際局部最小距離和抗震受剪承載力偏低的墻體采用鋼筋網(wǎng)片水泥砂漿加固。

(4)根據(jù)鑒定報(bào)告，房屋上部磚混結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)未設(shè)置構(gòu)造柱，對原砌體磚柱采用外包混凝土加固等代構(gòu)造柱的方法提高整體性。

(5)根據(jù)鑒定報(bào)告，房屋上部磚混結(jié)構(gòu)僅外墻設(shè)置圈梁，現(xiàn)在對未設(shè)置圈梁的內(nèi)墻采用新增圈梁的方法提高上部結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能(圖5~7)。

(6)對原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度偏低的大梁，采用黏貼碳纖維布進(jìn)行加固。

(7)原上部結(jié)構(gòu)橫墻間距較大，采用板面新增整澆層方法提高樓蓋的整體性和結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(8)對新增剪力墻部位的基礎(chǔ)進(jìn)行增大截面加固，使得原混凝土條形基礎(chǔ)能滿足承載力的要求。

圖5 2~6層新增圈梁及壁柱加固平面圖

最終，后續(xù)審查和咨詢部門也認(rèn)可此加固基本思想和加固方法。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過“校安”工程中一棟結(jié)構(gòu)體系不適用于現(xiàn)行抗震規(guī)范的現(xiàn)有建筑的加固設(shè)計(jì)，展示了抗震鑒定、加固方案比較、加固思想形成、加固設(shè)計(jì)主要方法等過程。對于現(xiàn)有的、正在使用的校舍工程，由于受建造年代缺少抗震設(shè)計(jì)的限制，甚至結(jié)構(gòu)體系不符合現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，且現(xiàn)有建筑必須繼續(xù)履行當(dāng)前功能時(shí)，現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)思想是通過合理設(shè)計(jì)、適當(dāng)加固，在原有基礎(chǔ)上提高現(xiàn)有建筑的抗震性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，提高結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力，以達(dá)到加固目的?！靶０病惫こ虒⒃诩榷ǚ秶鷥?nèi)深入展開，本項(xiàng)目的加固實(shí)踐可為同類型工程提供有益的參考。