既有磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的抗震性能鑒定研究

丁于強(qiáng)

DING Yuqiang

(柳州城市職業(yè)學(xué)院,廣西 柳州 545001)

2008年5·12汶川地震中坍塌的中小學(xué)教學(xué)樓引起了政府、社會(huì)和廣大教育工作者對(duì)中小學(xué)教學(xué)樓的抗震能力的關(guān)注。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)既有建筑物在地震中的倒塌情況做了調(diào)查[1],并做了部分既有建筑物的抗震能力研究工作[2-3]。廣西壯族自治區(qū)教育系統(tǒng)也組織過(guò)一次對(duì)中小學(xué)教學(xué)樓的安全排查工作，排查工作以定性為主,雖然取得了顯著成果,但缺少對(duì)教學(xué)樓抗震能力定量的分析。

本文根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB50023—2009)》[4],選取廣西柳州市某磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓進(jìn)行抗震鑒定,并通過(guò)二級(jí)鑒定對(duì)該教學(xué)樓抗震能力進(jìn)行核算,對(duì)抗震能力給出定量分析,得出抗震鑒定結(jié)論并為后續(xù)抗震加固提供依據(jù)。

1　工程概況

某小學(xué)教學(xué)樓位于柳州市雒容鎮(zhèn),現(xiàn)為4層磚混結(jié)構(gòu)。該建筑建于1992年,基礎(chǔ)形式不詳,原為3層，2000年加建第4層。該建筑平面形狀為“一”字形,東西長(zhǎng)48.94m、南北寬8.80m,建筑面積為1546.50m2,建筑總高度為15m,見(jiàn)圖1。該教學(xué)樓原始和加層施工圖、竣工圖全部遺失,設(shè)計(jì)資料無(wú)從考證。

圖1　教學(xué)樓立面圖

2　檢測(cè)目的

該教學(xué)樓已使用近30年,20世紀(jì)90年代末曾加蓋1層,且該教學(xué)樓所處地區(qū)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)已修改。為核實(shí)該教學(xué)樓工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,對(duì)該教學(xué)樓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)查勘及檢測(cè),并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果建立PKPM結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)模型仿真對(duì)該教學(xué)樓的安全性和抗震性能等做出鑒定并提出處理建議。按照教學(xué)樓所在地抗震設(shè)防烈度,教學(xué)樓所屬建筑物的類(lèi)別進(jìn)行靜荷載作用下承載力計(jì)算和地震作用下抗震能力驗(yàn)算。

3　現(xiàn)場(chǎng)查勘和檢測(cè)

3.1　現(xiàn)場(chǎng)查勘

現(xiàn)場(chǎng)查勘該建筑2～4層樓板為預(yù)制板,屋面板為現(xiàn)澆板,承重墻體均為240mm厚黏土燒結(jié)磚墻。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘及開(kāi)鑿檢查,承重墻體無(wú)明顯結(jié)構(gòu)裂縫,墻體砌筑質(zhì)量一般、砂漿不飽滿。

該建筑所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度,使用用途為小學(xué)教學(xué)樓，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50223—2008)》[5]該建筑為乙類(lèi)建筑物,抗震設(shè)防烈度應(yīng)提高1級(jí),故應(yīng)為7度。

該建筑后續(xù)使用年限為30年,為A類(lèi)建筑,采用A類(lèi)建筑鑒定方法對(duì)其進(jìn)行鑒定。在對(duì)其鑒定時(shí)要分為第一級(jí)鑒定(抗震構(gòu)造措施核查)和第二級(jí)鑒定(抗震承載力驗(yàn)算)。

3.2　檢測(cè)內(nèi)容

1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量繪制建筑平面圖,各部位構(gòu)件尺寸,檢測(cè)結(jié)構(gòu)整體傾斜率。

2)對(duì)該教學(xué)樓的主要建筑材料進(jìn)行原位檢測(cè)和強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定。如：承重墻體磚、砌筑砂漿、混凝土構(gòu)件。

3)對(duì)該教學(xué)樓混凝土構(gòu)造柱、圈梁設(shè)置情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4)對(duì)該教學(xué)樓的混凝土柱、梁截面尺寸、配筋情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

5)對(duì)該教學(xué)樓的基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測(cè)。

3.3　檢測(cè)結(jié)果

1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，繪制該教學(xué)樓建筑平面圖,見(jiàn)圖2。

圖2　教學(xué)樓一層平面圖

采用全站儀對(duì)該建筑整體傾斜率進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果表明該建筑屋面上各測(cè)點(diǎn),頂點(diǎn)位移最大值為23mm,整體傾斜率為1/626,未超出鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定側(cè)向位移安全性限值,四個(gè)角點(diǎn)的傾斜方向不具有一致性,該建筑未發(fā)生整體傾斜。

2)材料強(qiáng)度檢測(cè)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50344—2004)》[6]現(xiàn)場(chǎng)在每層隨機(jī)抽取部分承重墻體和混凝土構(gòu)件,鑿開(kāi)表面抹灰層,進(jìn)行原位檢測(cè)。該教學(xué)樓為磚混結(jié)構(gòu),且正在使用。為減少對(duì)該教學(xué)樓的影響,墻體砂漿強(qiáng)度采用貫入法檢測(cè)其強(qiáng)度[7],所檢測(cè)1～4層砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度的換算值在0.8MPa～1.8MPa之間；磚砌體抗壓強(qiáng)度采用回彈法檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度[8],抽樣從1～4層承重墻中抽取,燒結(jié)普通磚抗壓強(qiáng)度的平均值范圍在8.48MPa～11.27MPa之間,檢測(cè)單元抗壓強(qiáng)度平均值為7.8MPa；采用回彈法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗壓強(qiáng)度,混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度推定值在14.6MPa～20.1MPa之間。

3)構(gòu)造柱、圈梁設(shè)置情況

本次通過(guò)無(wú)損掃描構(gòu)造柱和圈梁的位置，在承重墻進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn),1～4層混凝土承重墻位置上未發(fā)現(xiàn)有構(gòu)造柱；在對(duì)結(jié)構(gòu)樓板與承重墻交接處進(jìn)行掃描,發(fā)現(xiàn)一、二層未設(shè)置圈梁,三、四層設(shè)有圈梁,圈梁截面尺寸為240mm×180mm。

4)鋼筋直徑檢測(cè)

本教學(xué)樓混凝土構(gòu)件內(nèi)部受力鋼筋直徑檢測(cè)采用鋼筋直徑檢測(cè)儀及局部鑿孔實(shí)測(cè)的方法檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示1～4層混凝土大梁底部鋼筋均為4根直徑為20mm的三級(jí)鋼，頂部為2根直徑為20mm的三級(jí)鋼,箍筋為一級(jí)鋼直徑8mm，間距200mm，混凝土柱每邊均為3根直徑為14mm的三級(jí)鋼。

5)地基基礎(chǔ)檢測(cè)

該建筑建于1992年,目前正在使用,受條件制約未對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖檢查和檢測(cè)。因上部結(jié)構(gòu)無(wú)明顯整體傾斜,且承重墻體未出現(xiàn)明顯不均勻沉降裂縫,故目前地基基礎(chǔ)處于正常工作狀態(tài)。

4　抗震能力鑒定

4.1　第一級(jí)鑒定：抗震措施核查

1)高度和層數(shù)：該建筑為4層,總高度為13.4m,層數(shù)和高度均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.1 A類(lèi)建筑砌體房屋的最大高度和層數(shù)限值規(guī)定。

2)結(jié)構(gòu)體系：該建筑平面體型規(guī)則,且豎向剛度沿建筑高度均勻分布，抗震橫墻的最大間距10.8m,符合《標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.2的要求。

3)承重墻體磚和砂漿實(shí)際強(qiáng)度：經(jīng)實(shí)際檢測(cè)磚強(qiáng)度等級(jí)為MU7.5,滿足《標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.3條第1款“磚強(qiáng)度等級(jí)不宜低于MU7.5”的規(guī)定；砂漿強(qiáng)度等級(jí)約為M1.0,滿足《標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.3條第2款“墻體的砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí),當(dāng)7度時(shí)超過(guò)二層不宜低于M1.0”的規(guī)定。

4)整體連接性構(gòu)造措施：墻體布置平面內(nèi)閉合,縱橫墻連接可靠；但樓梯間四角未設(shè)置構(gòu)造柱,不符合《標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.4-1“乙類(lèi)設(shè)防時(shí)A類(lèi)磚房構(gòu)造柱設(shè)置要求”的規(guī)定；內(nèi)、外墻圈梁布置部分符合《標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.4-2“A類(lèi)砌體房屋圈梁的布置和構(gòu)造要求”的規(guī)定；縱橫墻交接處咬槎較好,樓蓋、屋蓋支撐長(zhǎng)度均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》5.2.5“樓蓋、屋蓋構(gòu)件的最小支撐長(zhǎng)度”的規(guī)定。

5)易引起局部倒塌的部件及連接：承重的門(mén)窗間距大于7度時(shí)的0.8 m，無(wú)出屋面的樓梯間、電梯間等均符合規(guī)范相關(guān)規(guī)定。

由上述抗震措施核查可知,該建筑部分抗震構(gòu)造措施不符合《標(biāo)準(zhǔn)》第一級(jí)鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求,應(yīng)進(jìn)行第二級(jí)鑒定。

4.2　第二級(jí)鑒定：綜合抗震能力指數(shù)方法進(jìn)行抗震驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù),采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM2010—V3.1對(duì)該建筑抗震承載力進(jìn)行核算。設(shè)防地震分組為第一組，抗震驗(yàn)算應(yīng)按不低于本地區(qū)設(shè)防烈度的要求采用6°(0.05 g)，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，修整后的基本風(fēng)壓為0.3kN/m2。核算前根據(jù)第一級(jí)鑒定結(jié)果并結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.14-1“體系影響系數(shù)值”和表5.2.14-2“局部影響系數(shù)值”分別調(diào)整體型影響系數(shù)Ψ1、局部影響系數(shù)Ψ2。

樓面恒載和屋面恒載按實(shí)際取值,樓面活荷載取2.5kN/m2,屋面為不上人屋面,荷載取2.0kN/m2,砌體的砂漿強(qiáng)度、磚強(qiáng)度和混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、鋼筋數(shù)量、直徑等均以實(shí)際檢測(cè)為準(zhǔn)。

1)受壓承載力核算結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

承載力核算結(jié)果表明：1～3層部分承重墻體的抗力與荷載效應(yīng)的比值小于1.0,4層承重墻體的抗力與荷載效應(yīng)的比值大于1.0，故該建筑1～3層承載力不滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2)抗震鑒定結(jié)果

一層兩個(gè)方向的樓層平均抗震能力指數(shù)βi和樓層綜合抗震能力指數(shù)βci分別為,βi90=0.85、βci90=0.77,βi0= 0.53、βci0=0.48；

二層兩個(gè)方向的樓層平均抗震能力指數(shù)βi和樓層綜合抗震能力指數(shù)βci分別為βi90=0.86、βci90=0.70,βi0= 0.53、βci0=0.43；

圖3　一層墻受壓承載力計(jì)算圖

圖4　二層墻受壓承載力計(jì)算圖

圖5　三層墻受壓承載力計(jì)算圖

圖6　四層墻受壓承載力計(jì)算圖

圖7　一層第二級(jí)鑒定結(jié)果

圖8　二層第二級(jí)鑒定結(jié)果

圖9　三層第二級(jí)鑒定結(jié)果

圖10　四層第二級(jí)鑒定結(jié)果

三層兩個(gè)方向的樓層平均抗震能力指數(shù)βi和樓層綜合抗震能力指數(shù)βci分別為βi90=0.88、βci90=0.79,βi0= 0.53、βci0=0.48；

四層兩個(gè)方向的樓層平均抗震能力指數(shù)βi和樓層綜合抗震能力指數(shù)βci分別為βi90=1.35、βci90=1.42,βi0= 0.79、βci0=0.71。

第二級(jí)鑒定核算結(jié)果見(jiàn)圖7～10。

核算結(jié)果表明：1～3層90°、0°兩個(gè)方向樓層平均抗震能力指數(shù)和樓層綜合抗震能力指數(shù)均小于1.0；四層0°方向平均抗震能力指數(shù)和樓層綜合抗震能力指數(shù)亦小于1.0，故各樓層抗震能力不滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5　鑒定結(jié)論及加固建議

5.1　鑒定結(jié)論

1)第一級(jí)鑒定結(jié)果：承重墻磚砌體和砂漿的實(shí)測(cè)強(qiáng)度等級(jí)均不滿足抗震鑒定規(guī)范要求；整體連接性構(gòu)造措施部分滿足抗震鑒定要求；結(jié)構(gòu)體系、樓層高度和層數(shù)、易引起局部倒塌的部件及連接等鑒定項(xiàng)均滿足抗震鑒定要求。

2)第二級(jí)抗震鑒定結(jié)果：1～3層承重墻體的抗震能力指數(shù)大部分小于1.0,樓層綜合抗震能力指數(shù)和樓層平均抗震能力指數(shù)均不滿足抗震鑒定規(guī)范要求；4層A軸、B軸外墻抗震能力指數(shù)小于1.0,①～⑨軸承重墻體抗震能力指數(shù)大于1.0，樓層綜合抗震能力指數(shù)和樓層平均抗震能力指數(shù)均不滿足抗震《標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3)根據(jù)該建筑物第一、二級(jí)鑒定結(jié)果和承載力核算結(jié)果,評(píng)定該建筑的綜合抗震能力不滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB 50023—2009)》的要求,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗震加固,提高其綜合抗震能力。

5.2　加固建議

1)對(duì)1～4層承載力核算不滿足要求的墻段和抗震能力不滿足要求的墻體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，提高承載力和抗震能力。

2)按規(guī)范要求在內(nèi)外墻和縱橫墻交接處設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱,增強(qiáng)該建筑的整體連接性和構(gòu)造措施,提高其綜合抗震能力。