底框砌體結構抗震性能分析及工程改造實例應用研究

劉超

上海市虹口區(qū)教育事務服務中心 上海 200081

1 研究背景

我國大量既有建筑由于建造年代久遠、周邊環(huán)境變化等原因出現(xiàn)材料老化、結構構件開裂損壞等現(xiàn)象，而在城市更新過程中，伴隨著城市規(guī)劃的調整、設計規(guī)范的更新和使用需求的改變，也導致大量建筑需要進行加固修繕。

底框砌體房屋曾廣泛應用于全國中小城鎮(zhèn)的沿街建筑中，20世紀70年代至90年代，上海建造的沿街多層住宅中，大部分采用了底框砌體結構，如圖1所示。底框砌體房屋即底部一層或兩層采用鋼筋混凝土框架結構，上部為磚混結構的房屋，其造價較低且施工簡單，是多年前我國經(jīng)濟發(fā)展有限的形勢下一種特有的結構。經(jīng)過近年來的研究和震害觀察與總結，此類房屋存在結構體系差、抗震性能弱等缺點，目前在新建工程中已極少采用。同時，既有建筑中這類房屋急需進行結構安全鑒定與加固處理，相應的結構加固和改造方法的技術應用也亟待推廣。

圖1 上海市1990年建造的某底框砌體結構房屋

2 底框砌體結構的震害分類和受力特征分析

底框砌體結構底層為鋼筋混凝土框架結構，上部為磚混結構，屬于由兩種承重體系組成的混合結構。底部框架結構自重輕、耗能能力強，上部砌體結構受力特性與之相反，其變形能力和耗能能力較差，但抗側向剛度較大，整體形成下柔上剛的結構體系，不利于抗震。因此規(guī)范中對此類結構的剛度比、屈強比均作了明確規(guī)定，防止薄弱部位的出現(xiàn)。

在汶川地震中底框砌體結構的震害大致分為以下幾類[1]。

2.1 底部倒塌或完全倒塌

在地震作用下，底層框架結構側向變形較大，超過框架的極限變形能力，底層發(fā)生破壞倒塌。

2.2 底層框架柱柱端破壞

在地震作用下，磚墻達到極限強度并退出工作后，框架受到的水平剪力相應增大并達到屈服。因底層框架梁需承托轉換上部多層砌體的豎向荷載，底層框架梁截面尺寸較大，與底層框架柱未構成“強柱弱梁”，導致柱端先出現(xiàn)破壞。

2.3 底層樓板坍塌

底層樓板需傳遞上部砌體結構的水平地震剪力和地震傾覆力矩至底層框架，當樓板剛度較差或構造措施不足時，在地震作用下傳力時極易發(fā)生坍塌。

2.4 上部砌體倒塌

當?shù)讓觽认騽偠认噍^于上部砌體結構較大時，在地震作用下，上部砌體由于變形能力較差成為薄弱層，極易發(fā)生連續(xù)倒塌。

分析可見，上述震害大多由于底部框架與上部磚混在地震作用下無法協(xié)調受力，因此在采用底框磚混結構時，應注意底部縱橫方向布置一定的抗震墻，增加底層抗側向剛度；框架與磚混之間的過渡層樓板采用現(xiàn)澆或裝配整體式的剛性樓板，上部砌體內部縱橫墻體盡量連續(xù)，外部保證一定的窗間墻寬度等。

3 既有底框砌體房屋的加固改造

3.1 針對底框砌體結構的受力特性，其加固改造應遵循如下設計原則

3.1.1 為改善底部框架剛度較小的弱點，過渡層與底部框架的側向剛度比需滿足設計規(guī)范的要求，剛度沿高度分布盡量均勻，底部可對稱布置一定的抗震墻。

剛度比適宜取值范圍：

其中：為底框砌體結構第二層的側向剛度值，為底層的側向剛度值。3.1.2 加固后框架需滿足“強柱弱梁”，并避免形成短柱?！皬娭趿骸币螅?/p>

3.1.3 在改善薄弱部門的同時提高房屋的整體抗震能力。

3.2 底框砌體結構加固方式

底框砌體結構的加固在提高構件承載能力的基礎上，還需要更加側重于改善結構體系、增強整體抗震能力的加固，主要包括以下幾種方法。

3.2.1 提高構件承載力。對底部框架和上部砌體結構分別采用增大截面法、粘鋼法、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固等傳統(tǒng)加固方法提高框架梁柱和砌體墻體的承載能力。

3.2.2 加強構造措施。對上部砌體增設圈梁和構造柱、樓板增設鋼筋混凝土現(xiàn)澆層等方法可有效提高結構的整體性，間接提高房屋的抗震性能。

3.2.3 增設抗震墻。既有建筑原結構底層剛度較小或抗震墻布置不均勻時，可增設與原結構同類的抗震墻，提高底層框架的剛度和承載能力。增設的磚墻應嵌砌于框架柱間，滿足約束磚砌體的構造要求，并采取措施加強頂部框架梁的有效連接。如增設混凝土抗震墻，周邊應由梁或暗梁和端柱組成邊框。

3.2.4 增設減震技術。底層框架-抗震墻的縱向或橫向，可設置一定數(shù)量的鋼支撐或耗能支撐。不僅提高底層框架的側向剛度，而且可以改善抗震性能，同時便于協(xié)調過渡層與其下層的側向剛度比。增設鋼支撐或耗能支撐對結構自重影響較小，對結構基礎的要求低，便于施工。

3.2.5 采用隔震技術。在基礎頂面或底層框架柱的柱頂端設置橡膠支座等隔震構件，形成剛度遠小于其他樓層的隔震層，可有效延長結構的自振周期，減小上部結構的地震反應。

3.2.6 結構替換。許多既有底框砌體結構因為建造年代久遠，按照現(xiàn)行的抗震鑒定和加固規(guī)范，存在房屋超高、超層等結構超限的問題，同時因為混合結構受力形式復雜，實際受力可能與理論分析及軟件計算存在差別，加固效果可靠度存疑。因此，可采用結構替換的方法，將底框砌體結構完全轉換為單一結構形式，徹底解決房屋抗震性能較差等問題。

4 某底框砌體工程改造實例

4.1 工程概況

上海市新北郊初級中學的一棟綜合樓建于1995年，房屋原狀照片如圖2所示。結構形式為底框砌體結構，地上六層，無地下室，建筑面積約為1829m2，建筑高度為18.67m，平面布置為矩形，長約20m，寬約14m，平面布置如圖3、圖4所示。該綜合樓存在局部墻體滲水、樓板開裂等現(xiàn)象，房屋檢測單位對該棟建筑進行了抗震鑒定。

圖2 房屋原狀照片

圖3 房屋底層結構平面布置圖

圖4 房屋二層至屋面層結構平面布置圖

4.2 抗震鑒定情況

抗震鑒定結果顯示[3]，房屋高度超限，房屋層數(shù)超層，底層框架柱框架梁的混凝土強度低于最小值，上部砌體砂漿強度不滿足原設計強度的要求，墻體抗震受壓承載力不滿足計算要求。

4.3 改造方案的選取

根據(jù)《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009和《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固標準》DGJ08-81-2021中明確規(guī)定底框結構僅適用于丙類設防的情況[4-5]。根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008），幼兒園、中小學的教學用房和學生宿舍、食堂的抗震設防類別不應低于重點設防類，即抗震設防類別為乙類[6]。2004年版《建筑工程抗震設防分類標準》已明確規(guī)定過，人數(shù)較多的幼兒園和小學教學用房應提高抗震設防類別。在2008年汶川大地震發(fā)生后，中國地震局、住房和城鄉(xiāng)建設部均發(fā)文要求提高幼兒園、中小學等人員密集場所建筑的抗震設防類別。在2016版建筑抗震設計規(guī)范中，為增強對未成年人在突發(fā)地震時的保護措施，考慮國家的經(jīng)濟發(fā)展形式，并參考其他國家的相應規(guī)定，新增規(guī)定要求普通中小學和有未成年人的各類初級、中級學校的教學用房，其設防類別均應提高至重點設防類，即乙類以上，教學用房的范圍包括教室、實驗室、圖書室、微機室、語音室、體育館、禮堂等。該棟建筑為中學綜合樓，內部設有圖書館、閱覽室、心理輔導中心等教學輔助用房，綜上考慮其抗震設防類別應為乙類，需優(yōu)化原混合結構的結構體系。因此考慮采取結構替換的改造方案。

底框砌體結構替換為全框架結構：底層框架加固，二層至屋面層新增鋼筋混凝土框架梁柱，與底層原框架結構貫通，形成框架結構體系，原承重砌體根據(jù)建筑布局拆除或作為非承重的填充墻保留，同時底層框架根據(jù)抗震鑒定結果進行加固處理。

4.4 保留結構的加固處理

4.4.1 損傷修補。該工程框架梁的裂縫有兩種形式，一種為梁側面中部延伸至頂面和底面的棗核形裂縫，方向與梁軸線基本垂直，根據(jù)工程經(jīng)驗，分析此種裂縫可能是由于混凝土抗裂能力較弱在收縮時產生的，修補后不影響構件的正常工作。另一種位于柱端部附近，斜向上呈“八”字形發(fā)展，此種裂縫形態(tài)因承載力不足產生，為結構性裂縫，構件必須進行加固處理。

裂縫的修補措施如下，當裂縫寬度小于0.3mm時，對淺而細且條數(shù)很多的裂縫，采用環(huán)氧樹脂漿液和水泥漿液進行表面封閉；對細而深的裂縫，采用甲基丙烯酸酯類漿液或低黏度環(huán)氧樹脂漿液灌注。當裂縫寬度大于或等于0.3mm時，采用環(huán)氧樹脂漿液灌注。當裂縫寬度大于1.0mm時，采用微膨脹水泥漿液灌注修補。為保證新混凝土與原結構的可靠黏結，修補前，將缺陷周圍鑿毛，清理干凈后先在裂縫表面涂刷一層水泥漿界面劑。對于大面積缺陷、蜂窩、孔洞等，采用1∶2水泥砂漿或C20級的細石混凝土進行修補[7]。

4.4.2 地基基礎。被檢房屋所測測點的傾斜率和水平沉降差均滿足《地基基礎設計標準》（DGJ08-11-2018）中關于房屋傾斜率的規(guī)定。由于加固修繕后上部荷載未增加，無須進行基礎加固，短期內對房屋進行觀察使用，若房屋傾斜快速發(fā)展，則立即疏散、消險處理。

4.4.3 結構構件承載力不足的加固。按照國家現(xiàn)行規(guī)范和結構計算軟件的結果分析，不滿足設計承載力的框架梁分為兩種，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[8]，框架梁的承載力小于設計承載力，且介于設計承載力的90%～95%之間的截面，安全性等級評定為cu級，必須進行結構加固處理；框架梁的承載力小于設計承載力，但大于設計承載力95%的截面，其安全性等級可評定為bu級，屬于尚未顯著影響承載能力，可不采取加固措施。但考慮到該工程為教學輔助用房，供未成年人使用，且人數(shù)較為密集，為確保師生安全，對評級為bu級的構件仍考慮進行加固處理。

由于框架柱、框架梁的混凝土強度實測值較低，在滿足房間凈高的前提下，為確保加固效果，采用增大截面加固法。框架柱每邊各增大100mm～150mm，如圖5所示；框架梁根據(jù)計算要求在底邊或頂邊增加梁高，側邊增加梁寬，如圖6、圖7所示。加固構件材料采用摻粒徑5～10mm細骨料的混凝土灌漿料，強度等級為C40。新舊混凝土界面處理要求如下：增大截面構件的界面經(jīng)修整露出骨料新面后，尚應采用花錘、砂輪機或高壓水射流進行打毛，必要時也可鑿成溝槽。并且根據(jù)《建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50550-2010），當構件三面或四面均增大寬度時，還應在打毛的同時，鑿除截面的棱角[9]。根據(jù)工程經(jīng)驗，增大截面加固法在剔除浮漿層以后，基面鑿毛一般不平整的要求為1cm以內即可。

圖5 框架柱增大截面加固圖

圖6 框架梁增大截面加固圖

圖7 框架梁增大截面加固圖

4.4.4 結構替換的施工要點。針對本工程底框砌體結構替換為全框架結構的加固方案制定施工方案，自下而上完成新建框架柱，原結構梁作為水平臨時支撐構件保留，同時柱端加固并預埋新建框架梁鋼筋；框架柱完成后，自上而下逐層拆除原結構并新建梁板，結構梁下的承重磚墻拆除和加固前均設置臨時支撐。同時，為縮短結構體系形成的時間，保證加固效果，采用高強灌漿料混凝土，盡快完成結構轉換。

5 結束語

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，底框砌體結構已經(jīng)不適用于乙類以上的建筑，加固修繕從業(yè)人員應理解和掌握此類結構的受力特性，根據(jù)工程實際情況，采取結構替換或減隔震等方法，結合房屋的修繕提高其抗震性能。該工程的加固處理實例分析可為同類工程提供一定的參考借鑒。