不同抗震设计的砖混结构校舍抗震性能对比＊

张利花,罗奇峰,胡群芳

(1.同济大学土木工程学院,上海 200092;2同济大学上海防灾救灾研究所,上海 200092)

0 引言

砖混结构构造简单、施工方便、造价低廉,在我国大部分地区均有应用。砖混结构中墙体是房屋的承重结构,也是抵抗水平地震力的唯一构件,而砖属脆性材料,抗震性能很差,若未经合理抗震设计,其抗震性能非常差,故未经抗震设计的砖混结构必须要对其进行抗震加固改造。

在中小学校舍中,尤其是农村中小学校舍,大部分都是砖混结构。汶川地震和玉树地震中,都有砖混结构出现倒塌或严重破坏的现象,究其原因,除了高烈度地区地震破坏作用大大超出设防烈度水准的原因以外,缺乏抗震设计也是部分老旧校舍倒塌或严重破坏的原因之一。

中原地区某县校舍鉴定汇总反映,砖混结构占该地区全部结构形式的99%。因此,对砖混结构校舍的抗震性能分析十分重要。本文就砖混结构三种工况,即未考虑抗震设计、考虑抗震设计和未考虑抗震设计但进行了抗震加固改造,对该地区一砖混结构校舍的抗震性能进行计算,并做对比分析。

1 砖混结构的抗震措施及抗震验算

(1)砖混结构的抗震设计

砖混结构的震害表明,其材料脆性导致抗震能力存在明显的不足。在进行砖混结构抗震设计时,必须从房屋高度、建筑与结构布置以及结构材料与施工上全面注意,其中一项重要构造措施是设置圈梁和构造柱等形成构件约束。

砖混结构平面布置宜规则、对称、刚度均匀,墙体布置宜连续、贯通。必须通过抗震计算判断抗震承载力是否足够,并分析、判断抗震薄弱环节。抗震设计应满足《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》等现行规范的规定[1]。

(2)砖混结构的抗震加固改造

砖混结构未采取抗震构造措施或抗震加固措施不满足要求时,需进行抗震加固改造。现阶段,国内常见的砖混结构抗震加固改造措施主要有增强房屋整体性的加固措施和对墙体的加固措施。也有学者提出了一种钢结构加固砖混结构的方法[2],但此方法尚未大量应用。

增加房屋整体性是砖混结构抗震加固中的重要也是比较普遍的加固措施,主要有砖房外加圈梁及钢拉杆、增设钢筋混凝土构造柱以及楼盖、屋盖加刚性面层。对墙体的加固措施,可提高墙体的承重能力,从而提高砖混结构的抗震性能,主要包括对面层的加固及增设抗震墙等方法[3]。

(3)采用PKP M软件对砖混结构的抗震验算

多层砌体房屋抗震强度验算是指水平地震作用下砌体墙片的抗震抗剪强度验算。在PKPM软件中,砖混结构的抗震验算首先按底部剪力法计算各层地震剪力,根据楼面结构刚度及墙体侧向刚度将地震剪力分配到每片墙体的每个墙段,然后根据导算的楼面荷载及墙体自重计算墙体的平均压应力,最后按墙体截面的抗震受剪承载力计算公式(1),验算各片墙体和墙段的抗震受剪承载力[4],以抗力与效应之比R/S的形式作为抗震验算结果。

2 某中小学砖混结构校舍抗震性能对比分析

中原地区某县中小学,存在大量砖混结构形式的教学楼、宿舍楼及办公室等,根据该县校舍鉴定汇总结果,砖混结构占全部结构形式的99%,其中圈梁、构造柱设置情况见表1。

表1 中原地区某县校舍抗震措施的设置情况

其中,建设年代在2000年前的砖混结构占55%,建设年代在2000年后的砖混结构占45%,圈梁、构造柱设置情况见表2、表3。

表2 中原地区某县2000年前建设的砖混结构校舍抗震措施的设置情况

工况一:未考虑圈梁、构造柱的抗震验算结果

表3 中原地区某县2000年后建设的砖混结构校舍抗震措施的设置情况

在砖混结构房屋中设置钢筋混凝土圈梁和构造柱,是提高房屋抗震性能的有效措施。构造柱与圈梁共同工作,对墙体横向、竖向加箍,阻止裂缝的扩展和延伸,约束墙体开裂后的进一步错位,增加房屋的整体抗震性能,从而提高砖混结构房屋抗倒塌能力[5]。现取中原地区某县一中小学砖混结构教学楼为例,进行抗震性能对比分析。

该教学楼为3层砖混结构,楼盖和屋盖采用预应力空心板,其上浇注40 mm厚C20钢筋混凝土叠合层,内外墙均采用普通粘土砖,基础采用MU10机砖,M5水泥砂浆砌筑,1～3层及120墙、女儿墙采用MU10机砖,M5混合砂浆砌筑。该地区设防烈度为Ⅶ度(0.15 g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。以PKP M软件对砖混结构做未考虑抗震设计、考虑抗震设计和未考虑抗震设计但进行了抗震加固改造,这三种工况的抗震验算分析,最终结果以抗力与效应之比R/S作为抗震验算数据,进行抗震性能对比分析。验算结果见图1～图4。

图1 一层平面图

图2 工况一未考虑圈梁、构造柱一层抗震验算结果

工况二:考虑圈梁、构造柱的抗震验算结果

图3 工况二考虑圈梁、构造柱的一层抗震验算结果

工况三:未考虑抗震设计但进行了抗震加固改造措施后的抗震验算结果

砌体结构房屋的抗震强度验算最后可归结为一道墙或一个墙段的抗震强度验算。以上述三种工况的抗震验算结果所得抗力与效应之比R/S为数据,工况一、工况三墙体抗力与效应之比R/S分别与工况二各对应墙体抗力与效应之比R/S作对比,并分别算出工况一、工况三墙体抗力与效应之比R/S占工况二各对应墙体抗力与效应之比R/S的百分比数值,再计算纵、横向墙体百分比的平均值,最终得到总平均值,其结果作为对以上三种工况抗震性能对比的依据,结果见表4、表5。

表4 工况一、三与工况二对应大片墙体抗震验算对比百分比

表5 工况一、三与工况二对应门窗间各段墙体抗震验算对比百分比

以上述同样的方法对中原地区某县中小学的砖混结构进行抗震验算及抗震性能对比分析,得到中原地区某县中小学的砖混结构工况一、工况三占工况二的抗震性能的百分比的整体现状,结果见表6。

表6 中原地区某县砖混结构校舍抗震性能的对比

其中,中原地区某县中小学的砖混结构建设年代在2000年前和建设年代在2000年后的砖混结构抗震验算及抗震性能对比结果见表7、表8。

表7 中原地区某县2000年前校舍砖混结构抗震性能的对比

表8 中原地区某县2000年前校舍砖混结构抗震性能的对比

3 讨论与结语

在我国很长一段时期内,砖混结构所占的比例还是相当大的,而且该类房屋在乡镇中小学所占比例也很大。本文通过抗震性能计算和对比分析,可初步得出以下结论:

(1)通过对比分析可以看出,在抗震构造措施工程量相差不大的情况下,工况三仍然达不到工况二的抗震性能,即未考虑抗震设计的砖混结构即使做了抗震加固改造措施,其抗震性能也达不到一开始考虑抗震设计的砖混结构的抗震性能;工况一的抗震性能最多只相当于工况二抗震性能的65%左右;尤其是在门、窗间墙段,工况一抗震性能最多仅相当于工况二抗震性能的55%左右,即工况一中单体墙段的抗震性能比工况二中单体墙段的抗震性能差很多,故未考虑抗震设计的砖混结构必须进行抗震加固改造。

(2)抗震验算对比说明,中原地区某县2000年前建的中小学砖混结构校舍,比2000年后建的抗震性能差很多,原因可归结于受不同设计标准、材料以及施工技术等方面的影响。在同等工程量下,2000年前建的砖混结构校舍在做抗震加固后,其抗震性能与2000年后建的校舍的抗震性能相差近15%左右。故对1980年代前建的砖混结构校舍建议拆除重建,2000年前的砖混结构校舍,如经抗震加固验算后能够满足现行规范要求的,可在进行加固改造后继续使用。

(3)考虑到教学楼的重要性,建议新建教学楼时,尽量采用混凝土框架结构形式,对于现有教学楼根据其建筑年限和抗震性能,按不同情况,制定改造计划,加固、改造或拆除旧的砖混结构教学楼。

[1] GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2] 熊鸳,胡松.一种用钢结构加固砖混结构的新方法[J].成都大学学报:自然科学版,2006,25(2):88-89.

[3] 吕西林,周德源,李思明,等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海:同济大学出版社,2002.

[4] 张宇鑫,刘海成,张星源.PKPM结构设计应用[M].上海:同济大学出版社,2006.

[5] 李同超,淳于铭,田宝国.浅谈砖混房屋的抗震加固[J].城市建筑与商业网点,2009(13):11-14.