中小學(xué)砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固設(shè)計(jì)實(shí)踐研究

盛知文

摘 ?要：抗震加固設(shè)計(jì)的有效性直接影響后續(xù)校舍抗震加固的質(zhì)量。該文通過研究抗震設(shè)計(jì)和抗震加固的相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及工程文獻(xiàn)資料，系統(tǒng)地介紹校舍抗震加固的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析常見砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固的受力特征和抗震加固抗震驗(yàn)算公式并提出抗震加固設(shè)計(jì)中可能存在的問題及解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；校舍；抗震設(shè)計(jì)；抗震加固；受力特征

中圖分類號(hào)：TU352.11 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）14-0112-04

Abstract： The effectiveness of seismic strengthening design directly affects the quality of seismic strengthening of subsequent school buildings. By studying the relevant codes， standards and engineering documents of seismic design and seismic strengthening， this paper systematically introduces the design process and key points of seismic strengthening of school buildings. This paper focuses on the mechanical characteristics and seismic checking formula of seismic strengthening of common masonry structures， and puts forward the possible problems and countermeasures in seismic strengthening design.

Keywords： masonry structure; school building; seismic design; seismic strengthening; stress characteristics

汶川大地震發(fā)生一周年后，國(guó)務(wù)院正式啟動(dòng)了以抗震加固、提高綜合防災(zāi)能力為目標(biāo)的中小學(xué)校舍安全工程。對(duì)現(xiàn)有校舍建筑進(jìn)行加固改造，是增強(qiáng)校舍建筑抗震承載力和減輕地震災(zāi)害的有效措施。

1 ?中小學(xué)校舍抗震加固設(shè)計(jì)的一般要求

對(duì)于校舍抗震加固設(shè)計(jì)來(lái)說，首先應(yīng)選擇具有合法資質(zhì)條件的設(shè)計(jì)單位，其次設(shè)計(jì)單位在對(duì)學(xué)校加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以抗震鑒定報(bào)告為基礎(chǔ)，再次加固設(shè)計(jì)時(shí)要滿足相關(guān)的規(guī)范，最后校舍加固的設(shè)計(jì)文件要標(biāo)注工程的后續(xù)使用年限，設(shè)計(jì)中選用質(zhì)量符合國(guó)家規(guī)定的建筑材料、建筑構(gòu)配件和設(shè)備等，保障抗震加固后的校舍安全。

2 ?中小學(xué)校舍抗震加固設(shè)計(jì)最優(yōu)方案確定

2.1 ?抗震加固設(shè)計(jì)原則

中小學(xué)校舍抗震加固設(shè)計(jì)除了要滿足一般要求，還要滿足以下設(shè)計(jì)原則：抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)布置的合理性，包括新增構(gòu)件的布置要滿足建筑的剛度和構(gòu)件沿高度分布均勻等規(guī)則性要求；地震作用傳力途徑要清楚；對(duì)抗震薄弱層進(jìn)行復(fù)核，既要復(fù)核原抗震結(jié)構(gòu)的薄弱層又要復(fù)核加固后形成的新薄弱層；對(duì)于不同類型的承重結(jié)構(gòu)、不同類型連接部位加固的承載能力與變形能力要高于其他一般部位。在加固設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮抗震加固施工的方便。由于地基基礎(chǔ)加固難度較大，所以在加固設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少加固地基基礎(chǔ)施工的工作量①。

2.2 ?抗震加固設(shè)計(jì)的依據(jù)

除了抗震鑒定報(bào)告是抗震加固設(shè)計(jì)的依據(jù)以外，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》[1]等國(guó)家的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也是抗震加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2.3 ?抗震加固技術(shù)

抗震加固如果從廣義上講，一般有2種方式。一種是直接加固，是指直接增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承受外部作用的能力，例如鋼筋混凝土套加固、鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固和鋼構(gòu)套加固等。另一種是間接加固，主要是指通過改變結(jié)構(gòu)受力體系和結(jié)構(gòu)使用用途。如果從加固結(jié)構(gòu)類型考慮，中小學(xué)校舍抗震加固，主要有砌體結(jié)構(gòu)加固、混凝土結(jié)構(gòu)加固和木結(jié)構(gòu)加固技術(shù)等②。

當(dāng)前砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固主要方法：①水泥灌漿加固。該方法主要用于臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)的墻體，非有害墻體裂縫修補(bǔ)。②增設(shè)鋼筋混凝土墻加固。該方法主要用于抗震承載力不足和開間較大的砌體結(jié)構(gòu)。③鋼筋混凝土外加層加固。該方法主要適用于磚柱承載力不足時(shí)。④外包鋼加固。該方法主要用在磚柱預(yù)制板端部連接加固[2]。

2.4 ?抗震加固方案確定

抗震加固方案確定是一個(gè)綜合比較的過程。在確定方案時(shí)首先要查閱以往校舍建筑建設(shè)的相關(guān)資料和圖紙，熟悉抗震鑒定報(bào)告，了解校舍建筑實(shí)際情況。其次，要知道相關(guān)抗震加固的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。接著，還要依據(jù)鑒定結(jié)果、工程實(shí)際情況處理好相關(guān)關(guān)系。例如結(jié)構(gòu)施工的選擇方式，如果使用建筑內(nèi)部加固便于保持外立面效果不改變，但加固工作對(duì)校舍的正常使用影響較大，加固完以后也會(huì)減少教室的使用面積。選用外部加固雖然對(duì)校舍的正常使用影響較小，但是橫向綜合抗震能力相差較大時(shí)就起不到應(yīng)有的加固效果[3]?？傊?，在選擇抗震加固方案要在確保達(dá)到抗震設(shè)防要求的前提下，盡量選擇設(shè)計(jì)方便、施工方便、加固工作量較少，對(duì)原有結(jié)構(gòu)破壞最少，對(duì)校園環(huán)境影響最小，成本最低的加固方案。

3 ?砌體結(jié)構(gòu)的中小學(xué)校舍抗震加固

3.1 ?加固砌體結(jié)構(gòu)的受力特征

由于抗震加固后的砌體結(jié)構(gòu)大多屬于組合截面或組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)Ganz.H.R、Tomazevic.M、Lutman.M和國(guó)內(nèi)專家對(duì)砌體抗震性能研究可知，在一般情況下，砌體結(jié)構(gòu)加固前和加固后受力性能變化較大③。加固后受力變化較大的主要原因：一是由于加固以后的砌體結(jié)構(gòu)主要由2部分組成，一部分是原有砌體結(jié)構(gòu)，另一部分是新加砌體結(jié)構(gòu)。新增加的砌體結(jié)構(gòu)可能和原有砌體結(jié)構(gòu)的材料相同也可能不同，這就導(dǎo)致了由于材料的不同在受荷載以后其受力和變形不同步。二是由于加固以后的砌體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件屬于二次受力結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。二次受力是特殊的受力特性，新舊兩部分存在應(yīng)力超前和應(yīng)力滯后的現(xiàn)象，受力十分復(fù)雜。因?yàn)樵Y(jié)構(gòu)在加固荷載增加之前和加固施工的過程中就已經(jīng)受力，加固后增加的荷載由新舊2部分共同承擔(dān)。這樣就導(dǎo)致了加固后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變的不同③。

3.2 ?砌體結(jié)構(gòu)加固方法

一般來(lái)說，砌體校舍加固方法的選擇應(yīng)根據(jù)校舍抗震鑒定結(jié)論而定，當(dāng)層數(shù)超限值時(shí)，可以采用降低層數(shù)法、改變房屋的用途重新鑒定的方式和重新建立新的結(jié)構(gòu)體系加固。當(dāng)校舍建筑的整體性不滿足要求時(shí)，可以通過加固墻體、增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱等方式，提高校舍建筑的整體性。當(dāng)綜合抗震能力指數(shù)或墻體承載力不滿足要求時(shí)，如果差值較大即可采用鋼筋板墻進(jìn)行加固也可按照加強(qiáng)構(gòu)造措施而不對(duì)墻體進(jìn)行加固的方法進(jìn)行加固，如果差值較小可以采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層進(jìn)行加固等。

3.3 ?砌體結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)

砌體結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)的過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，這里結(jié)合砌體校舍加固設(shè)計(jì)的實(shí)際情況和現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，分別介紹砌體結(jié)構(gòu)校舍加固設(shè)計(jì)中常見加固方法的設(shè)計(jì)計(jì)算分析、構(gòu)件加固的節(jié)點(diǎn)和一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

一般來(lái)說，依據(jù)抗震加固相關(guān)規(guī)范，加固方案確定后砌體結(jié)構(gòu)校舍的加固設(shè)計(jì)計(jì)算可以選用抗震綜合能力指數(shù)法和構(gòu)件承載力抗震驗(yàn)算的方法。當(dāng)砌體校舍屬于A類建筑時(shí)優(yōu)先選用抗震綜合能力指數(shù)法進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)計(jì)算分析，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，加固后的簡(jiǎn)化的綜合抗震能力指數(shù)？茁S公式如下

式中：η表示加固增強(qiáng)系數(shù)；？漬1和？漬2分別表示為體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)；？茁0表示為樓層或墻段原有的平均抗震能力指數(shù)④。當(dāng)計(jì)算得到綜合抗震能力指數(shù)？茁S≥1.0，則加固后樓層或者是墻段滿足抗震加固規(guī)范的要求，否則要重新進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。當(dāng)砌體校舍屬于B類建筑時(shí)，應(yīng)采用構(gòu)件承載力抗震驗(yàn)算的方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算分析，其驗(yàn)算公式如下

S≤？漬1？漬2RS/？酌RS， ? ? ? ? ? ? （2）

式中：S表示地震作用效應(yīng)；RS表示構(gòu)件加固后的抗力；？酌RS為抗震加固后的承載力調(diào)整系數(shù)[4]。當(dāng)砌體校舍構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算滿足式（2）要求時(shí)，加固后的砌體校舍構(gòu)件滿足要求，否則要重新進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。在工程中常見的砌體抗震加固設(shè)計(jì)如下。

1）當(dāng)抗震鑒定時(shí)計(jì)算得到的綜合抗震能力指數(shù)與規(guī)定值相差較小，或者只有個(gè)別樓層與規(guī)定值略有差別時(shí)，這時(shí)選用水泥砂漿或鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固，對(duì)于采用這種加固方法在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)要注意原墻體的砂漿強(qiáng)度等級(jí)實(shí)測(cè)值不宜大于M2.5，面層砂漿的強(qiáng)度等級(jí)宜為M10，面層的厚度水泥砂漿面層不宜小于20 mm，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿不宜小于35 mm。鋼筋網(wǎng)直徑宜為4 mm或6 mm等。當(dāng)為A類校舍時(shí)，通常用綜合抗震能力指數(shù)法進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算，在分析時(shí)采用式（1），將加固增強(qiáng)系數(shù)η換成墻體或墻段面層加固增強(qiáng)系數(shù)ηpij，

， （3）

式中：ηpij表示第i樓層第j墻體或墻段面層加固的增強(qiáng)系數(shù)；η0為基準(zhǔn)增強(qiáng)系數(shù)；tw0加固前墻體厚度，mm；fVE表示加固前墻體的抗震抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。將ηpij代換式（１）的η，計(jì)算得到墻段或者墻體加固后的抗震綜合能力指數(shù)。結(jié)合抗震綜合能力指數(shù)得出，當(dāng)滿足式（4）時(shí)墻段或者墻體抗震加固后符合要求，當(dāng)滿足式（5）時(shí)墻段或者墻體抗震加固后不符合要求。

式（6）（7）（8）中：Ai0為第i樓層中驗(yàn)算方向原有抗震墻在1/2層高處凈截面的面積；Aij0為第i樓層中驗(yàn)算方向面層加固的抗震墻j墻段的1/2層高處凈截面的面積；n為第i樓層中驗(yàn)算方向上的面層加固抗震墻的道數(shù)。當(dāng)為B類校舍時(shí)，加固后墻體的抗震承載力驗(yàn)算通常采用抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的方法。由于砌體校舍在地震破壞時(shí)主要是由水平地震作用引起的，那么對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)來(lái)說，主要表現(xiàn)的是墻體水平剪力承載力不足而引起的破壞，因此在對(duì)砌體校舍抗震加固承載力驗(yàn)算時(shí)主要驗(yàn)算的是墻體的水平剪力承載力是否滿足規(guī)范要求。結(jié)合式（2），考慮設(shè)計(jì)因素將公式中所有的作用都換成設(shè)計(jì)值。這時(shí)把式（2）中的作用效應(yīng)S換成墻體水平作用剪力設(shè)計(jì)值V，把加固后構(gòu)件抗震的抗力RS換成加固后墻體剪力承載力設(shè)計(jì)值VS得到

式中：η為驗(yàn)算墻體的加固增強(qiáng)系數(shù)；VR0為驗(yàn)算構(gòu)件原有的受剪承載力設(shè)計(jì)值。對(duì)于選用水泥或者是鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固墻體的加固設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)詳圖如圖1、圖2所示。

2）當(dāng)原有結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力指數(shù)或墻體抗震承載力與規(guī)定值相差較大時(shí)可采用板墻加固方法。該法在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)要注意，首先只有原墻體砌筑的砂漿的實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)不低于M2.5時(shí)，才可采用此方法；其次新增墻體的混凝土強(qiáng)度宜采用C20和板墻加固應(yīng)自下而上連續(xù)，板墻應(yīng)有基礎(chǔ)且原磚墻相同埋深；最后板墻中設(shè)置相互可靠拉結(jié)的集中配筋帶，可不另設(shè)圈梁構(gòu)造柱。板墻加固設(shè)計(jì)時(shí)，靜力荷載由原磚墻承受，板墻僅承受地震作用。加固后的抗震驗(yàn)算也采用抗震綜合能力指數(shù)法和抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的方法。驗(yàn)算公式同式（4）（5）（7）（8）（12）。鋼筋混凝土板墻加固設(shè)計(jì)部分常用節(jié)點(diǎn)詳圖如圖3所示。

3.4 ?抗震加固設(shè)計(jì)在砌體結(jié)構(gòu)校舍中存在的問題及解決對(duì)策

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，抗震加固設(shè)計(jì)在砌體結(jié)構(gòu)中存在的問題主要有以下幾方面。

1）在抗震性能驗(yàn)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員過于依靠pkpm軟件。例如對(duì)砌體結(jié)構(gòu)墻體抗震驗(yàn)算時(shí)，一般直接依據(jù)軟件驗(yàn)算的結(jié)果，判定墻體抗震的承載力是否滿足要求。由于軟件本身的參數(shù)較多，在建筑抗震等級(jí)的設(shè)置時(shí)，軟件不會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)的總高度調(diào)整抗震等級(jí)[5]，只能是設(shè)計(jì)人員自己在軟件中修改，可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員未調(diào)整抗震等級(jí)導(dǎo)致驗(yàn)算結(jié)果錯(cuò)誤。對(duì)于這種情況設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)抗震概念設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)真核查軟件參數(shù)的設(shè)置，抽取部分構(gòu)件進(jìn)行手算，檢驗(yàn)驗(yàn)算的準(zhǔn)確性。

2）在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)，加固方案選擇不合理。例如，在砌體校舍抗震鑒定中發(fā)現(xiàn)局部墻體的抗震承載力不足，而對(duì)該墻體采用混凝土板墻加固，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致加固以后的墻體剛度與周邊墻體的剛度相差較大，加固后的墻體延性較差，抗震能力較差。對(duì)于這種情況，首先應(yīng)該選擇多種抗震加固方案，比較各種方案的利弊從中選擇最合適的加固方案，其次在抗震加固設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)，要重視局部加固方案的抗震驗(yàn)算，防止由于加固以后的局部構(gòu)件的剛度過大，使建筑的其他未加固的部位變成受力薄弱構(gòu)件，影響建筑的整體抗震能力，降低了加固效果。

3）在新增混凝土抗震墻設(shè)計(jì)時(shí)，忽略新增墻體與原有砌體墻體的搭接處理。新增混凝土抗震墻設(shè)計(jì)時(shí)，若和原有建筑砌體墻相接，由于和原有砌體墻是2種不同的材料，加固以后二者變形不一致，這樣就會(huì)使二者相接處出現(xiàn)裂縫，因此在與原有砌體墻相接處，用水泥砂漿鋼筋網(wǎng)進(jìn)行搭接處理，增加原有墻體的變形能力，提高抗震加固設(shè)計(jì)效果。

4）在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)忽視了施工因素。在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)要考慮，當(dāng)?shù)厥┕ぜ庸唐髽I(yè)的施工水平，采用與施工水平一致的加固設(shè)計(jì)方案。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

除此之外，砌體校舍抗震設(shè)計(jì)時(shí)，受地方政府抗震加固資金的限制，在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選用低成本的加固設(shè)計(jì)方案?？傊?，在抗震加固設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員確定一個(gè)在滿足加固經(jīng)濟(jì)條件要求的前提下，同時(shí)滿足工期和簡(jiǎn)單施工工藝要求的設(shè)計(jì)方案。在精選的設(shè)計(jì)方案指導(dǎo)下進(jìn)行加固施工圖的設(shè)計(jì)，這樣可以提高設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

注釋：

① 童曉蕾.中小學(xué)校舍抗震加固及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

② 袁海軍，姜紅.建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定與加固手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

③ 吳昊.砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗震性能及地震破壞機(jī)制控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

④ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)：GB50023—2009[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

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