某中學(xué)教學(xué)樓的安全鑒定與抗震加固

馬 琛 王洪良

（1.濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

中小學(xué)教學(xué)樓是人員密集且使用頻繁的場(chǎng)所，中小學(xué)生是國(guó)家和社會(huì)的未來(lái)，也是最優(yōu)社會(huì)價(jià)值和最為脆弱的社會(huì)成員[1]。中小學(xué)建筑在我國(guó)的數(shù)量巨大，當(dāng)教學(xué)樓的抗震性能不足時(shí)，其受到較大地震沖擊作用后，不可避免地造成巨大破壞，并給師生的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的威脅。以汶川地震、玉樹(shù)地震和甘肅積石山地震為例，教學(xué)建筑在地震波作用下的受損程度與其是否滿(mǎn)足建筑抗震規(guī)范密切相關(guān)[2-3]?？紤]到使用學(xué)校建筑的重點(diǎn)人群，提高和加強(qiáng)中小學(xué)教學(xué)樓的抗震設(shè)防烈度顯得尤為重要，在充分評(píng)估結(jié)構(gòu)物的安全性能后，采取必要的抗震加固措施具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 工程概況

山東省濟(jì)南市某中學(xué)教學(xué)樓修建于2000年，為4層框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為1188m2，平面為規(guī)則矩形，平面寬度為6.6m，平面長(zhǎng)度為180m，建筑高度為14.4m，每層結(jié)構(gòu)高度均為3.6m。結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式，樓蓋、樓板、梁柱均采用現(xiàn)澆混凝土施作，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，其中樓蓋的厚度為140mm，樓板的厚度為120mm，主梁截面尺寸為250mm×600mm，次梁截面尺寸為200mm×300mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，鋼筋材料強(qiáng)度均為HRB400，混凝土保護(hù)層厚度為35mm，采用磚砌墻體，墻體的厚度為240mm，磚墻強(qiáng)度等級(jí)為MU5.0，首層柱軸壓比為0.49，二層柱軸壓比為0.36，三層柱軸壓比為0.24，四層主軸壓比為0.17。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為II 類(lèi)，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)。受到建筑修建時(shí)期的資金限制，建筑設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度不足，同時(shí)，為提高建筑為抗震性能和危險(xiǎn)排查的需要，需要將建筑物抗震設(shè)防烈度6 度提高到7 度，因此，需要對(duì)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢測(cè)和評(píng)估，并采取必要的抗震加固措施，提高其抗震設(shè)防烈度。

2 基于超聲回彈檢測(cè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全鑒定

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試方法

為全面檢查和評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性能，運(yùn)用超聲回彈檢測(cè)的方法對(duì)混凝土承重構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)?；貜椃ㄊ腔诨炷帘砻嬗捕扰c強(qiáng)度之間的相關(guān)性來(lái)推算混凝土的抗壓強(qiáng)度，即回彈儀彈簧驅(qū)動(dòng)的重錘在撞擊混凝土表面時(shí)，由于混凝土的表面硬度使得的初始動(dòng)能被部分回彈，回彈能量的大小直接反映在重錘被反彈回來(lái)的距離值上，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越大，回彈值也越大，結(jié)構(gòu)存在缺陷或強(qiáng)度不足時(shí)，其回彈值也越小[5-6]。試驗(yàn)采用的混凝土回彈儀為ZC-A3 型回彈儀，標(biāo)稱(chēng)動(dòng)能為2.207J，彈擊拉簧剛度為7.85N，彈擊錘沖擊長(zhǎng)度為75mm，彈擊拉簧工作長(zhǎng)度為61.5mm，彈擊錘與彈擊桿硬度為HRC59～63，彈擊桿端部球面半徑為25mm，測(cè)試時(shí)對(duì)同一構(gòu)件同一測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)試16 個(gè)回彈值，并剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，取中間10個(gè)進(jìn)行平均，得到測(cè)區(qū)的平均回彈值Rm。

超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本原理是振動(dòng)機(jī)械波在不同物體介質(zhì)中的傳播速度不一，與材料的強(qiáng)度或力學(xué)性能之間具有明顯的相關(guān)性，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)且強(qiáng)度高時(shí)，超聲波在構(gòu)件內(nèi)的傳播速度快，而當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低或者存在空洞裂縫等缺陷時(shí)，超聲波在構(gòu)件內(nèi)的傳播路徑增加，傳播時(shí)間加大，導(dǎo)致其傳播速度降低[7]。試驗(yàn)采用的超聲波裝置系統(tǒng)如圖1 所示，圖中的發(fā)射換能器和接收換能器可以互換，均為主頻48kHz 的窄帶壓電陶瓷換能器，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為ZBLU510非金屬超聲波檢測(cè)儀，采樣周期為0.05μs～400μs，頻帶寬度為10kHz～250kHz，增益精度為0.5dB，發(fā)射脈寬為20μm～20ms。

圖1 超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的裝置系統(tǒng)

對(duì)回彈數(shù)據(jù)與超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可計(jì)算得到卵石做粗骨料和碎石做粗骨料的被測(cè)構(gòu)件混凝土單軸抗壓強(qiáng)度[8-9]，見(jiàn)式（1）和式（2）。

式中fcu-被測(cè)構(gòu)件的混凝土立方體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；V-混凝土的實(shí)測(cè)超聲波速度，m/s；Rm-混凝土的回彈值，MPa。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

圖2 為基于超聲回彈法得到的各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度值。

圖2 基于超聲回彈法得到的各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度值

由圖2 可知，主梁的實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為36.5MPa，合格率為98%；樓板的實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.9MPa，合格率為97%；柱子的實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為37.2MPa，合格率為95%；次梁的實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.6MPa，合格率為97%；樓蓋的實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.8MPa，合格率為87%。所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值均大于立方體單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，力學(xué)性能滿(mǎn)足安全要求。

3 基于有限元分析的結(jié)構(gòu)抗震加固分析

3.1 結(jié)構(gòu)抗震加固分析模型的建立

為提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，提出兩種不同的抗震加固方案，分別為工況A：增加框架柱，在結(jié)構(gòu)的走廊方向增設(shè)一排框架柱，框架柱的位置在每間教室的中部，框架柱的混凝土等級(jí)為C35，截面尺寸為300mm×450mm；工況B：增設(shè)隔震墊，其主要原理是通過(guò)在柱基礎(chǔ)中增設(shè)隔震墊后提高結(jié)構(gòu)的自振周期，采用“一柱一支座”的布置方法，隔震鋼支座壓應(yīng)力限制為12MPa，支座直徑為400mm，共在20個(gè)柱體布置鉛芯支座。

基于有限元分析方法對(duì)兩種不同抗震加固工況進(jìn)行時(shí)程分析。借助ETAB2022 模擬分析軟件建立結(jié)構(gòu)的三維分析模型如圖3所示，計(jì)算時(shí)樓面活荷載取值為2.0kN/m2，結(jié)構(gòu)自重按容重2.5kg/m3取值，樓期間和走廊活荷載取2.5kN/m2，為更真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在地震波的彈塑性反應(yīng)，時(shí)程分析選取了EL 地震波進(jìn)行模擬，其時(shí)程曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 中學(xué)教學(xué)樓數(shù)值模擬計(jì)算三維模型

圖4 EL-Centro地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

3.2 結(jié)構(gòu)抗震加固計(jì)算結(jié)果分析

圖5 為不同抗震加固方法下結(jié)構(gòu)X 向?qū)娱g位移隨樓層高度的變化曲線(xiàn)。

圖5 結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移隨樓層高度的變化

由圖5 可知，不同工況下，結(jié)構(gòu)X 向?qū)娱g位移均隨著樓層的增加呈現(xiàn)非線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，其中工況A的X向?qū)娱g位移從2.95mm 增至13.49mm，增幅為357%，工況B的X向?qū)娱g位移從15.76mm增至20.25mm，增幅為28%，原結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g位移從4.93mm增至16.14mm，增幅為227%。在相同樓層位置，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，工況A的X 向?qū)娱g位移減小，而工況B 的X 向?qū)娱g位移增加，以第4層為例，工況A和工況B的X向?qū)娱g位移分別為原結(jié)構(gòu)的0.82 倍和1.22 倍，這是因?yàn)椴捎每蚣苤庸坦r增大了結(jié)構(gòu)剛度，而采用隔震鋼支座加固則有更大的彈性變形能力，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，整體位移增加。

圖6 為不同抗震加固方法下結(jié)構(gòu)Y 向?qū)娱g位移隨樓層高度的變化曲線(xiàn)。

圖6 結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移隨樓層高度的變化

由圖6 可知，與X 向?qū)娱g位移變化規(guī)律相似，在不同工況下，結(jié)構(gòu)Y 向?qū)娱g位移均隨樓層的增加呈現(xiàn)非線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，其中工況A 的X 向?qū)娱g位移從2.36mm 增至10.09mm，增幅為327%，工況B 的X 向?qū)娱g位移從4.5mm增至13.17mm，增幅為193%，原結(jié)構(gòu)的X 向?qū)娱g位移從3.69mm 增至12.46mm，增幅為237%。與X向?qū)娱g位移不同的是，工況B相對(duì)應(yīng)原結(jié)構(gòu)的層間位移大幅度降低，相同樓層位置，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，工況A的Y 向?qū)娱g位移減小，而工況B 的Y 向?qū)娱g位移增加，以第4層為例，工況A和工況B的Y向?qū)娱g位移分別為原結(jié)構(gòu)的0.8倍和1.05倍。由此表明，采用框架結(jié)構(gòu)的抗震加固技術(shù)，結(jié)構(gòu)在X向和Y向的層間位移均較大，采用隔震鋼支座的抗震加固技術(shù)則容易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間扭曲。

圖7 為不同抗震加固方法下結(jié)構(gòu)層間剪力隨樓層高度的變化曲線(xiàn)。

由圖7可知，不同抗震加固工況下的結(jié)構(gòu)層間剪力隨著樓層高度的增加均呈非線(xiàn)性增加，其中工況A 的層間剪力從700kN 減至230mm，減少了67%，工況B 的層間剪力從600kN 減至220kN，減少了63%，原結(jié)構(gòu)的層間剪力從210kN 減至50kN，減少了76%。相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，工況A 的層間剪力略有增加，而工況B 的層間剪力則大幅度減小，以第4 層為例，工況A 和工況B 的層間剪力分別為原結(jié)構(gòu)的1.16倍和0.35倍。這是因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)的主要借助自身的剛度進(jìn)行抗震消能，而隔震鋼支座具有較好的彈性變形能力，通過(guò)形變勢(shì)能消耗地震能量，其剪切變形較大，但其剪應(yīng)力較小。綜合考慮兩種不同的抗震加固工況，采用框架柱結(jié)構(gòu)的抗震加固技術(shù)后結(jié)構(gòu)的層間剪力增加不大，層間位移減小，且采用柱底隔震鋼支座的方式需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升，工作量龐大，因此，確定采用增加框架柱結(jié)構(gòu)為最優(yōu)的加固方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某中學(xué)教學(xué)樓為研究對(duì)象，運(yùn)用超聲回彈實(shí)測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并基于有限元分析方法對(duì)不同加固措施的建筑抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)構(gòu)的層間位移、層間剪力的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）超聲回彈實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值均大于立方體單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值35MPa，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿(mǎn)足安全要求。

（2）結(jié)構(gòu)X向和Y向?qū)娱g位移均隨著樓層高度的增加呈非線(xiàn)增加，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，采用框固技術(shù)可以減少X 向和Y 向的層間位移，而采用隔震鋼支座的抗震加固則反之。

（3）不同抗震加固工況下的結(jié)構(gòu)層間剪力隨著樓層高度的增加均呈非線(xiàn)性增加，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)，工況A的層間剪力略有增加，而工況B 的層間剪力則大幅減小。