預(yù)制板樓(屋)蓋整體性分析與加固措施

高 蘇，袁 鑫，孫 建

(1. 南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2. 蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096)

預(yù)制板樓(屋)蓋整體性分析與加固措施

高 蘇1，袁 鑫2，孫 建3*

(1. 南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2. 蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096)

針對(duì)地震中預(yù)制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)大量倒塌、預(yù)制板坍塌破壞相當(dāng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，對(duì)預(yù)制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性、坍塌原因進(jìn)行分析，得出水平剛度的不足是導(dǎo)致該類結(jié)構(gòu)破壞的重要原因。然后對(duì)預(yù)制板樓(屋)蓋整體性的增強(qiáng)措施進(jìn)行詳細(xì)介紹，并結(jié)合工程應(yīng)用，對(duì)各種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。最后重點(diǎn)介紹某縱橫墻承重的預(yù)制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的抗震加固方案，給出板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層加固的構(gòu)造做法，可供同類工程參考。

磚混結(jié)構(gòu)；教學(xué)樓；預(yù)制板；整體性；抗震加固

0 引言

20世紀(jì)60～90年代，我國(guó)建造了大量預(yù)制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)建筑。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，受地方經(jīng)濟(jì)條件的制約，預(yù)制板磚混結(jié)構(gòu)在廣大的農(nóng)村地區(qū)仍然被廣泛采用[1-3]。然而，在1976年唐山大地震以及2008年汶川地震中，該類磚混結(jié)構(gòu)震害相當(dāng)嚴(yán)重，預(yù)制板樓(屋)蓋大量坍塌，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失[4]。張敬書等[3]、趙西安[5]、屈文俊等[6]、王立成[7]、李碧雄等[8]、孫柏濤等[9]對(duì)該類磚混結(jié)構(gòu)的震害進(jìn)行了深入的調(diào)查研究與分析，指出磚混結(jié)構(gòu)倒塌的諸多原因，比如：圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置問(wèn)題、縱橫墻拉接問(wèn)題、預(yù)制板與墻體連接問(wèn)題等。在這些研究的基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)預(yù)制板樓(屋)蓋的水平剛度對(duì)磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進(jìn)行分析，對(duì)其破壞的本質(zhì)原因進(jìn)行揭示，然后結(jié)合具體工程對(duì)預(yù)制板樓(屋)蓋的不同加固措施進(jìn)行分析對(duì)比，并重點(diǎn)介紹板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的構(gòu)造做法。

1 預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性分析

1.1樓(屋)蓋整體性

在多層磚混結(jié)構(gòu)房屋中，樓(屋)蓋作為水平構(gòu)件，直接承受豎向荷載，并將其傳遞至各墻體；在水平地震作用時(shí)，樓(屋)蓋還將水平地震剪力傳遞至各墻體，水平剪力分配方案與樓(屋)蓋的水平剛度有關(guān)。

預(yù)制板樓(屋)蓋施工時(shí)，相鄰預(yù)制板之間的板縫一般采細(xì)石混凝土后澆填實(shí)，板頂現(xiàn)澆素混凝土或水泥砂漿面層，板底通常有抹面層，因而預(yù)制板樓(屋)蓋本身具有一定的整性性。然而，在長(zhǎng)期服役過(guò)程中或地震發(fā)生時(shí)，預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性會(huì)因各種因素[10]受到不同程度的損傷和破壞，比如：預(yù)制板過(guò)大的變形引起板頂水泥砂漿或素混凝土面層、板底抹面層順板縫方向開裂；預(yù)制板混凝土和板縫后澆細(xì)石混凝土收縮量不同或板塊受力不均勻，引起板縫后澆混凝土開裂。

1.2樓(屋)蓋坍塌原因

為對(duì)預(yù)制板樓蓋的水平剛度作近似分析，選取某典型磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓[6]的一間教室為計(jì)算單元，如圖 1所示，該計(jì)算單元長(zhǎng)L、寬B，預(yù)制空心板等效厚度為t。寬度B范圍內(nèi)共有n塊預(yù)制板，預(yù)制板的兩端簡(jiǎn)支于橫墻上。

(a)平面圖 (b)計(jì)算模型

(1)

式中：L、B分別為計(jì)算單元的長(zhǎng)度和寬度；t為預(yù)制空心板的等效厚度；n為計(jì)算單元寬度范圍內(nèi)預(yù)制板的數(shù)量；E為預(yù)制板混凝彈性模量；I為計(jì)算單元1-1截面的慣性矩；q為作用于樓蓋的水平均布荷載。

進(jìn)一步可以得到，在水平地震作用下，預(yù)制板樓蓋的跨中水平撓度與整體式樓蓋的跨中水平撓度之比為：

(2)

式中：f1表示整體式樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度；fn表示預(yù)制板數(shù)量為n時(shí)，樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度。

從式(2)可以看出，相對(duì)于整體式樓蓋而言，預(yù)制板樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度f(wàn)n隨預(yù)制板塊數(shù)n的增長(zhǎng)呈二次方增長(zhǎng)；表明n越大時(shí)，樓蓋水平剛度越小，整體性越差。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，縱墻與樓蓋往往連接在一起，對(duì)樓蓋起到一定的支撐作用。因此，當(dāng)樓蓋的水平撓度較大時(shí)，縱墻將承擔(dān)較大的平面外水平地震剪力，在豎向荷載及水平地震剪力組合作用下，縱墻往往由于強(qiáng)度不足或延性不夠而發(fā)生破壞，導(dǎo)致房屋損壞甚至樓蓋整體倒塌。

由以上分析可見，水平剛度的不足是地震中預(yù)制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)倒塌的重要原因，為此，應(yīng)從提高預(yù)制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性入手，在本質(zhì)上改進(jìn)磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 預(yù)制板樓(屋)蓋整體性加固方法

2.1加固方法概述

2.1.1板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層

根據(jù)JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》[11]，當(dāng)預(yù)制板樓、屋蓋不滿足抗震鑒定要求時(shí)，可采用增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層的方法對(duì)其進(jìn)行加固。現(xiàn)澆層的厚度不應(yīng)小于40mm，鋼筋的直徑不應(yīng)小于6 mm，其間距不應(yīng)大于300 mm。此外，尚應(yīng)采取措施加強(qiáng)現(xiàn)澆層與原有樓板、墻體的連接，如：

(1)現(xiàn)澆層的分布鋼筋應(yīng)有50%穿過(guò)墻體。另外50%的鋼筋，可通過(guò)插筋相連，插筋兩端的錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于插筋直徑的40倍；也可錨固于現(xiàn)澆層周邊的加強(qiáng)配筋帶中，加強(qiáng)配筋帶應(yīng)通過(guò)穿過(guò)墻體的鋼筋相互可靠連接。

(2)現(xiàn)澆層宜采用L形錨筋或錨栓與原樓板相連，錨筋、錨栓應(yīng)通過(guò)鉆孔并采用膠粘劑錨入預(yù)制板縫內(nèi)，錨固深度不小于80～100 mm。

(3)施工時(shí)，應(yīng)去掉原有裝飾層，板面應(yīng)鑿毛、涂刷界面劑，并注意養(yǎng)護(hù)。

2.1.2板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層

在預(yù)制板樓(屋)蓋的底面，安裝雙向鋼筋網(wǎng)和抗剪銷釘，再噴射聚合物改性水泥砂漿，和鋼筋網(wǎng)形成聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層，與預(yù)制板共同受力[12]，以提高預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性和承載力。噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層包括：與預(yù)制板表面相結(jié)合的界面劑涂層、粘結(jié)層和保護(hù)層之間的鋼筋網(wǎng)、連接鋼筋網(wǎng)與預(yù)制板的錨筋或錨栓、聚合物改性水泥砂漿層。聚合物改性水泥砂漿層的厚度、鋼筋網(wǎng)的規(guī)格以及新老構(gòu)件之間的連接措施與板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層類似。

2.1.3板底粘貼碳纖維布

碳纖維在各類結(jié)構(gòu)的加固工程中已有廣泛應(yīng)用。根據(jù)磚混結(jié)構(gòu)中預(yù)制板樓(屋)蓋的破壞特點(diǎn)，可沿板縫方向或垂直板縫方向在板底粘貼碳纖維布：沿板縫方向粘貼碳纖維布可提高單塊預(yù)制板的受彎承載力[13]，但對(duì)于樓(屋)蓋整體性的加固效果不明顯；而垂直板縫方向粘貼碳纖維布時(shí)，一定程度上限制了預(yù)制板在地震過(guò)程中的相對(duì)位移，能起到增強(qiáng)其整體性的作用，但不能提高單塊預(yù)制板的承載力。因此，可在兩個(gè)方向同時(shí)粘貼碳纖維布，既可提高預(yù)制板的承載力，又增強(qiáng)了預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性。

2.1.4板底粘貼鋼板網(wǎng)

與板底粘貼碳纖維布類似，為了提高預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性，可在板底粘貼雙向鋼板網(wǎng)進(jìn)行加固；對(duì)于橫梁傳力的預(yù)制板樓(屋)蓋，可在橫梁與橫梁之間、橫梁與橫墻之間設(shè)置型鋼剪刀撐。這種方法既能增強(qiáng)預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性，又可提高預(yù)制板的承載力，通過(guò)設(shè)置型鋼剪刀撐，保證了縱橫向地震作用的水平傳遞[10]。

2.1.5板端增設(shè)角鋼支撐

預(yù)制板在墻上或梁上的支撐長(zhǎng)度一般為80～100mm，考慮到施工誤差，支撐長(zhǎng)度可能更小，加上預(yù)制板之間的連接構(gòu)造措施不能被可靠保證，在地震的反復(fù)作用下預(yù)制板容易脫落，造成樓(屋)蓋的坍塌。鑒于此，可采取增設(shè)角鋼支撐的方法進(jìn)行處理[14]：在預(yù)制板端采用∟125×80×8和規(guī)格為M12或M14對(duì)拉螺栓或錨栓，利用粘鋼膠使鋼板和混凝土結(jié)合在一起，使得預(yù)制板與墻、梁的連接得到加強(qiáng)，一定程度上增強(qiáng)了樓(屋)蓋的整體性，但對(duì)水平剛度的提高并不明顯。

2.2加固方法對(duì)比分析

以上關(guān)于預(yù)制板樓(屋)蓋整體性的加固方法適用于不同情況，這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)及工程應(yīng)用如表 1所示。其中，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的加固方法盡管在實(shí)際加固改造工程中已有應(yīng)用，然而尚未見文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行介紹，因此下文結(jié)合某工程實(shí)例對(duì)該方法的構(gòu)造做法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 工程實(shí)例

3.1工程概況

江蘇某中學(xué)教學(xué)樓為3層外廊式磚混結(jié)構(gòu)如圖 2所示，該教學(xué)樓建于1986年，長(zhǎng)43.64 m、寬6.54 m(不包括走廊寬度[17])、高10.80 m，層高均為3.60 m，建筑面積為1195 m2。縱橫墻承重，墻厚240 mm，橫墻間距9.30 m，樓(屋)蓋采用預(yù)制空心板，建筑四角、樓梯四角、縱橫墻交接處均設(shè)置構(gòu)造柱，各層樓蓋、屋蓋處內(nèi)外墻均設(shè)置圈梁。該工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1 g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。該教學(xué)樓按A類建筑進(jìn)行抗震鑒定，即后續(xù)使用年限為30年。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該教學(xué)樓的砌體墻、混凝土構(gòu)件未見明顯結(jié)構(gòu)性損傷，少量墻體出現(xiàn)空鼓；房屋四周散水完好，未發(fā)現(xiàn)墻體沉降裂縫及地基不均勻沉降的跡象；最大傾斜量13 mm，傾斜率1.33‰。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M2.5。綜合考慮該樓抗震措施的不滿足項(xiàng)，采用PKPM軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震承載力簡(jiǎn)化驗(yàn)算。根據(jù)GB 50023-2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[17]，該宿舍樓不滿足A類建筑抗震鑒定要求，不滿足項(xiàng)包括墻體抗震承載力，樓(屋)蓋類型和墻體局部尺寸。

圖2教學(xué)樓外觀

3.2抗震加固方案

3.2.1墻體加固

針對(duì)墻體抗震承載力不足及墻體局部尺寸不滿足規(guī)范要求等問(wèn)題，擬采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層對(duì)墻體進(jìn)行雙面加固，加固平面如圖3所示?？v橫墻交接處的做法見圖 4a、b，樓面處及頂部做法見圖 4c、d，內(nèi)外墻基礎(chǔ)做法見圖 4e、f。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層加固平面布置

圖4 墻體加固詳圖

3.2.2預(yù)制板樓(屋)蓋加固

對(duì)于預(yù)制板樓(屋)蓋不滿足規(guī)范要求，采用板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層進(jìn)行加固，既增強(qiáng)了樓(屋)蓋的整體性，又提高了承載力，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的做法如圖 5所示。

圖5 預(yù)制板樓(屋)蓋加固詳圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)預(yù)制板樓(屋)蓋的水平剛度對(duì)磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的影響、預(yù)制板樓(屋)蓋在地震作用下發(fā)生破壞的本質(zhì)原因等進(jìn)行分析，結(jié)合具體工程對(duì)增強(qiáng)預(yù)制板樓(屋)蓋整體性的不同加固措施進(jìn)行對(duì)比，得出相應(yīng)結(jié)論。

磚混結(jié)構(gòu)中預(yù)制板樓(屋)蓋水平剛度的不足是地震中預(yù)制板大量坍塌的重要原因，應(yīng)從提高預(yù)制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性入手，從而在本質(zhì)上改進(jìn)既有磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在預(yù)制板板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層、板底粘貼雙向碳纖維布或鋼板網(wǎng)可有效地提高預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性及水平剛度，在預(yù)制板板端增設(shè)角鋼支撐可顯著增大預(yù)制板的支撐長(zhǎng)度，預(yù)制板不易因墻體變形而脫落。

各種加固方法各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在針對(duì)具體工程時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇最適宜的方案，應(yīng)盡量減小對(duì)原建筑的影響，降低加固費(fèi)用，且施工較易，工期較短。綜合對(duì)比下，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層為較優(yōu)選擇，該方法既可提高預(yù)制板樓(屋)蓋的整體性及水平剛度，又可提高其承載力。

該教學(xué)樓加固工程已經(jīng)竣工服役，加固效果良好，為今后預(yù)制板樓(屋)蓋砌結(jié)構(gòu)的加固提供了參考。

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AnalysisandStrengtheningMeasuresofIntegrityofFloorandRoofSystem

GAO Su1, YUAN Xin2, SUN Jian3*

(1. College of Construction Engineering, Nantong Vocational University, Nantong Jiangsu 226007, China;2. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou Jiangsu 215009, China;3. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In consideration of a large number of brick-concrete structural buildings involving precast slab floor and roof system collapsed and the precast slab seriously damaged in the earthquake, this paper analyzed the horizontal stiffness, integrity, and the collapse reason for the precast slab floor and roof system, and it was deduced that the insufficient horizontal stiffness was the vital reason for the failure of this kind structure. Then the measures to strengthen the integrity of the precast slab floor and roof system were introduced in detail, and the advantages and disadvantages of the measures were compared combining with practical engineering. The paper finally stressed on the seismic strengthening scheme for a brick-concrete structural teaching building comprising precast slab floor and roof system, and then the formation for the method of spraying cement mortar modified by polymer combined with steel fabric, which provided as a reference for similar engineering.

brick-concrete structure; teaching building; precast slab; integrity; seismic strengthening

TU731.2

A

1009-7961(2017)05-0062-06

2017-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508368)；江蘇省建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015ZD78)；江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(ZD1401)

高蘇(1979-),女,江蘇徐州人,講師,碩士,主要從事結(jié)構(gòu)工程及建筑結(jié)構(gòu)加固改造研究。*為通訊作者。

(責(zé)任編輯:孫文彬)