某小學框架結構教學樓隔震加固關鍵技術研究

李貴文

（甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050）

1 項目的研究背景

在我國普及9年制義務教育階段，新建的農村中小學教學樓相當一部分為4-5層框架結構。5.12汶川8.0級特大地震和7.24岷縣漳縣6.6級大地震震害證明，框架結構房屋雖然其抗震性能總體優(yōu)于砌體結構，但結構受到當時設計規(guī)范的制約，結構整體抗震性能差、延性低、易發(fā)生脆性破壞、容易造成大量人員傷亡和財產損失的案例同樣較多。國家在2008年7月頒發(fā)的《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223-2008第6.0.8條將教育建筑中，幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂的抗震設防類別定為應不低于重點設防類（乙級）。2009年國務院發(fā)文強調確保校舍工程安全，要求對全國各中小學校舍啟動整體質量狀況調查和改造重建工作，9年多過去了，受到經(jīng)濟發(fā)展水平制約，西部欠發(fā)達地區(qū)校舍建筑抗震改造推進任然比較緩慢，不少校舍未達到國家現(xiàn)行的抗震設防要求；對中小學校舍抗震排查、建筑隔震改造、抗震加固，把學校建成最安全、家長最放心的地方成為學校和教育主管部門義不容辭責任，是推動和諧社會建設的基本保障。本研究項目通過采用建筑物基礎隔震技術對舊建筑進行基礎改造施工，通過橡膠支座的減震作用，減少上部結構的地震能量輸入，降低水平地震力對上部結構的剪切破壞作用，提高房屋的整體抗震性能。通過對工程實際案例的分析研究，對高烈度抗震設防地區(qū)中小學框架結構教學用房提高抗震安全性具有重要的參考和推廣價值。

2 研究對象的工程概況

該研究項目位于蘭州市西固區(qū)，為該區(qū)某小學四層全框架結構的教學樓，建筑物長40.90米，寬15.40米，平面布局為不規(guī)則矩形，建筑物地上四層，一至四層層高均為3.60米，五層為3.30米，設計室內外高差-0.45米，建筑物高度為14.150米，無地下室，工程總建筑面積2637.86平方米。2002年7月工程完成竣工驗收并交付使用，施工資料比較齊全。

圖1 一層建筑平面圖

圖2 建筑立面圖

工程原設計采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構體系，人工成孔大直徑灌注樁基礎，結構抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，為可進行工程建設的一般場地，建筑結構安全等級為二級，結構設計使用年限50年。設計特征周期0.45s，周期折減系數(shù)（框架0.80），結構阻尼比0.05，考慮偶然偏心影響，結構計算分析采用中國建筑科學研究院編制的“PKPM”系列之TAT軟件進行結構計算。

3 通過工程結構鑒定評估，判斷基礎加固的可行性

對建筑物進行結構鑒定與評估，是建筑物進行結構加固的依據(jù)，也是工程加固是否可以進行的首要問題，為掌握既有建筑結構的安全、適用和耐久性是否滿足正常使用要求，在改造加固前必須進行結構檢測評估加固的可行性。根據(jù)檢測結果，依據(jù)現(xiàn)行國家的、行業(yè)、地方的規(guī)范、標準，對既有建筑進行分析計算，評價原有結構的安全性和耐久性，編制加固施工技術路線圖。依據(jù)《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009條款，A類鋼筋混凝土房屋應進行抗震能力兩級鑒定，當符合第一級鑒定時，除9度地區(qū)外，不進行抗震驗算而評為滿足抗震鑒定要求；不符合第一級鑒定要求時，需要在第二級鑒定中采用屈服強度系數(shù)和綜合抗震能力指數(shù)的方法進行判斷。該工程為雙向全現(xiàn)澆框架結構，框架梁板柱為整澆節(jié)點，平面局部突出較小，且不大于該方向總長度的30%，立面局部縮進的尺寸不大于該方向水平總尺寸的25%，樓層剛度不宜小于其相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低不宜大于50%，平面內的抗側力構件及質量分布基本均勻對稱。經(jīng)現(xiàn)場回彈檢測，梁、柱、板均在C25以上，依據(jù)工程結構設計圖紙，框架梁、柱的縱向鋼筋和橫向箍筋的配置數(shù)量、加密區(qū)長度、錨固長度、鋼筋方式接頭均滿足二級框架的抗震構造設計的要求，角柱和樓梯間的框架柱箍筋均采用全高加密，框架柱最新截面為450×450，填充墻采用加氣混凝土砌塊、隔墻采用燒結粘土多孔磚墻，砌筑砂漿的強度等級為M5.0，300厚填充墻水平方向通長設置3φ6拉結鋼筋，200厚填充墻和100厚隔墻水平方向通長設置2φ6拉結鋼筋，拉結鋼筋的豎向排距均小于0.60米，隔墻長度大于4.0米在墻中設置了截面200×200的后澆構造柱，隔墻頂部與框架梁底部通過斜登磚填砌。通過以上項目鑒定評價，該房屋符合《建筑抗震鑒定標準》各項規(guī)定要求，可評為綜合抗震能力滿足要求的丙類建筑；如果采用建筑物基礎隔震技術，在下部結構與上部結構之間設置橡膠隔震支座，形成具有整體移動功能的隔震層，調整整個結構體系的自振周期，減少地震作用下輸入上部結構的水平作用力，使建筑物滿足乙類建筑的抗震設防要求。

4 既有建筑的隔震設計

建設場地抗震設防烈度為8.0度（基本地震加速度為0.20g），建筑場地為Ⅱ類三組，場地特征周期為0.45s，多遇地震時加速度峰值為70cm/s2，設防烈度下加速度峰值為200cm/s2，罕遇地震時加速度峰值為400cm/s2，本結構的建筑高度是14.15m，寬度是15.40m，高寬比是小于4，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）結構高寬比宜小于4的要求。建筑物原基礎形式為下柱大直徑人工成孔灌注樁基礎，采用的基礎穩(wěn)定性較好，本工程風荷載產生的最大水平剪力標準值為小于結構總水平力不超過結構總重力的10%，建筑上部結構特征適合采用基礎隔震措施。

隔震設計方案：在原有建筑基礎地梁與樁基礎樁頭之間增設層1.70米隔震層，通過截樁措施，在原樁頭與框架柱底之間增設疊層隔震橡膠支座，隔震支座有LRB500型和LNR500兩種型號，通過《隔震分析報告》得知，采用基礎隔震后，結構的周期延長了2倍多，地震作用大幅度減小；隔震加固后，結構的水平位移集中在隔震層上，基底剪力、層間加速度同樣大幅度減小，結構呈平動型；支座表面重力荷載代表值的豎向壓應力具體參數(shù)為12MPa（乙類建筑），隔震結構在多遇地震作用下的層間剪力比值為0.386（0.27＜0.386＜0.40），因此，上部結構的地震響應降低一度，框架結構的抗震性能得到改善；在罕遇地震作用下隔震支座水平變形值均小于隔震支座容許水平位移；隔震支座豎向抗壓承載力和抗拉承載力均滿足規(guī)范要求（包括風荷載作用），不會出現(xiàn)傾覆。隔震后水平地震作用計算的水平地震影響系數(shù)按（《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）12.2.5）中的公式：αmax1=βαmax/Ψ計算，其中β為水平向減震系數(shù)，對本工程其值為0.386；ψ為調整系數(shù)，對橡膠支座取0.80；得出隔震后水平地震作用計算的水平地震影響系數(shù)：αmax1=βαmax/Ψ=0.4825αmax=0.0772。

圖3 隔震支座平面布置圖

隔震后上部結構水平地震影響系數(shù)取0.08。隔震后設計后上部結構框架的抗震等級為二級（乙類建筑），采用隔震技術使上部結構的水平地震響應降低，房屋的抗震性能增大，結構的安全儲備增強，同時保證在風荷載和微小地震下上部建筑不產生微小振動，提高建筑的舒適性。

5 基礎隔震層構造設計

在建筑物基礎部分增加隔震層的關鍵技術首先要保證基礎下支墩（截樁后的樁頭下部分）、上支墩（截樁后的樁頭上部分）都要有足夠的水平剛度，為此本項目中在距離截樁后樁頂下方0.20米以下增設不小于0.25米的全現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板，底板的范圍必須延伸到隔震溝的外側，底板混凝土強度等級不低于C35，雙層雙向鋼筋網(wǎng)片的配筋率不得小于0.20%。在地梁標高處增設隔震層頂板，厚度不得小于0.18米，頂板四周與外墻地梁錨固，頂板混凝土強度等級不低于C35，雙層雙向鋼筋網(wǎng)片的配筋率不得小于0.20%，頂板與地梁之間通過化學植筋錨固。為方便支座安裝，在上支墩下方和下支墩上方安裝厚度不小于20毫米的鋼板墩帽，墩帽直徑要完全吻合與支墩，橡膠支座安裝完成后用角鋼將支座圍焊在墩帽上。支座施工完成后，隔震層凈高1.500米，能夠滿足日常檢修和維護要求。同時要求在建筑物四周設置寬度0.40米，深1.00米隔震溝，建筑物臺階、坡道、散水與建筑物之間設計能夠滿足建筑物水平移動要求的柔性變形連接，對穿過隔震層的水暖管道、電線電纜均采用柔性接頭過度，建筑物施工完成后，要做好隔震支座的防火封堵。

圖4 支座托換節(jié)點詳圖

6 基礎隔震脫換施工

該工程中的主要工藝流程為：切斷原建筑物供水、排水、暖氣管網(wǎng)和強弱電供電網(wǎng)絡；拆除一層地面的裝飾層、散水、素混凝土和灰土墊層、拆除原建筑物范圍內的防水地溝；開挖房心回填土至設計標高；施工基礎隔震層底板和隔震溝；安裝框架柱臨時支撐系統(tǒng)；截斷原有井樁；安裝橡膠支座下連接板；安裝隔震橡膠支座和上連接板；固定橡膠支座；地梁植筋，支隔震層頂板模板、綁扎隔震層頂板鋼筋；澆筑隔震層頂板混凝土；安裝隔震層內水、暖管網(wǎng)，布強弱電橋架和電纜；安裝隔震溝蓋板、恢復室外臺階。

1）該工程地處蘭州市西固區(qū)，天然地面2.00米以下地基土比較松軟，地基土的承載了較低，需要進行翻夯換填處理，處理后的3：7灰土和素土壓實系數(shù)均不得小于0.95，平板載荷實驗承載力特征值不得小于180MPa。

2）在基礎脫換施工前要進行臨時支撐系統(tǒng)承載機構設計，合理布置液壓伺服頂升控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)調試給結構施加頂升力。

3）利用鋼筋混凝土繩鋸將原建筑樁基礎截斷，絕對保證所有樁頂標高相對誤差不超過3毫米。

4）結構整體頂升，保證主體結構整體能夠同步頂升到設計標高后，利用環(huán)氧樹脂粘結下樁帽（下連接板）。

5）隔震橡膠支座的安裝是工程最關鍵的環(huán)節(jié)，其質量好壞將對整個加固改造工程的質量有著直接影響，要求用嚴格的測量手段來控制隔震墊的軸線位移，并保證隔震墊的平整度。在安裝完成后，要求隔震墊支座頂面水平誤差控制在0.8%以內，支座中心的水平位置和設計位置偏差值在5mm以內，支座中心的標高和設計標高偏差值在5mm以內。

6）隔震層頂板恢復施工時，要保證新增頂板與原框架地梁具有良好的整體性，在地梁和井樁上植筋后要進行承載力拉拔試驗，檢測合格后方可綁扎頂板鋼筋。

7）施工隔震溝時要求結構上部與周邊有不小于120mm的水平隔震縫，強弱電纜、供水、排水、供暖管線穿越隔震層應保證有一定長度的柔性段以滿足水平地震作用下的移動要求。

7 結語

隨著我國的快速發(fā)展，隔震技術應用在了新建的建筑中，但還有大批的建筑面臨著加固改造的問題，既有建筑隔震加固技術在以后的應用前景非常廣泛，相比于抗震加固會取的更大的經(jīng)濟效益和社會效益。本項目通過對技術方案的工程投資估算，改造施工的平方米造價為1250元（含稅），工程造價適中，建設單位能夠接受。但在隔震加固改造中施工技術方面都還存在不足，還有很多問題沒有解決，需要我們共同努力研究。