外廊式砌体结构的抗震分析与加固

李文盛，代艳辉 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

5·12汶川地震中，大量学校建筑物倒塌造成了严重的人员伤亡和财产损失，这些引发了社会各界对学校建筑物抗震安全性的更多关注。为此，国家教育部及相关单位投入大量人力和物力对全国范围内现有中小学建筑物进行抗震评估、鉴定、加固，使其能够达到相应安全等级。调查发现，地震中受害最严重的均为采用典型外廊式结构型式的中小学教学楼。笔者通过对地震中外廊式结构建筑物的破坏现状进行描述，进而分析该种结构的受力特点，最后通过工程实例来说明增设外廊柱对结构整体抗震的影响。

1 外廊式砌体结构现状描述及分析

图1 教学楼平面布置图

图2 水平裂缝

砌体结构的主要结构材料——砌块的材质比较简单，且具有就地取材、稳定性好、隔声和保温隔热性较好、价格相对较低，可节省造价、施工难度相对较小的特点。由于砌体结构整体性较差，需要采取更多的抗震加强措施，如圈梁、构造柱等，故在高烈度的地震区，砌体结构教学楼等仍然是震害最严重的建筑［1］。据规定［2］，小学普通教室每间不小于50m2，中学普通教室每间不小于56m2，这种大开间、大采光窗的建筑抗震墙面积少不利于抗震。此外，中小学教室层高较高 （小学教室层高不低于3．1m，中学教室层高不低于3．4m），学校建筑物大多采用单面外走廊的形式，这种建筑形式对结构抗震性能造成如下不利影响：①单片墙体抗侧刚度小，冗余度低，变形能力弱，整体性不好，抗震性能较差，容易发生破坏。图1所示为典型教学楼平面布局，由于砌体结构长宽比较大，设计时往往只对横向重点考虑抗震验算，忽略了纵向的抗震验算。由于纵向通常设置了大面积的采光窗，导致立面墙体较少且不连续，相对纵墙面积少，墙体抗拉、抗剪强度低，因而在平行建筑长方向地震作用下，很容易受到破坏，主要表现为墙体出现水平裂缝 （见图2）、斜裂缝、“X”形裂缝 （见图3）等。图4所示为汶川地震中某栋中学教学楼破坏状况，可以看出其破坏方向并不是横向，而是处于纵向方向。②由于结构形成单跨悬挑的受力体系，造成建筑自重偏心作用很明显，同时，该受力体系在地震作用下，立面开洞较大处 （例如纵墙缺失的楼梯间）率先失效破坏，并迅速产生连锁倒塌效应。图5、图6所示分别为台湾 “9·21”集集地震中的2栋教学楼。图5所示教学楼设有外廊柱，且开窗面积较小，墙体连续，虽已建成30年，震后仅发生轻微损坏。图6所示教学楼走廊悬挑无柱支撑，窗间墙体亦不连续，虽建成不足5年，却在地震中倒塌［3］。因此，通过增设整排的外廊柱，可以使整个结构的超静定次数增加，结构抗震性能大为改善。

图3 X向裂缝

图4 教学楼纵向破坏

图5 有外廊柱教学楼

图6 无外廊柱教学楼

2 实例分析

在鉴定中小学建筑物时，根据不同情况可将建筑物分为3类，即完好类型 （不需任何处理可继续使用）、加固类型 （通过加固处理可正常使用）和拆除重建类型 （陈旧老化严重无加固价值）。

福建省闽侯县某小学教学楼，整体为5层，建筑总长为30．6m，进深为8．8m （走廊1．9m），层高3．6m （见图7）。地震设防烈度为7度，抗震设防类别为乙类，抗震等级为二级。由于该建筑物建造于20世纪90年代，受当时条件限制，各构件材料的实际强度等级均较低。经现场调查与检测，发现该建筑结构中各构件材料的实际强度等级分别为：砌块M10；砂浆M0．4；梁C15；柱C20。通过分析上述构件强度等级并依据文献 ［4］和 ［5］等相关规范进行鉴定，鉴定结果为该建筑物经加固处理后可正常使用，并以此为依据进行建模计算及后期的加固设计。首先根据鉴定结果并结合相关资料进行计算分析，运用通用的结构设计软件PKPM进行建模计算。由于砌体结构中墙体为主要受力构件，墙段的受压承载力与抗震性能跟建筑物的整体抗震能力直接相关，故提取模型中加固前与加固后的墙体的受压承载力计算结果、水平地震力计算结果进行对比分析 （分别选取图8、图9、图10、图11所示建筑物第1层的相关计算结果作为代表）。通过对加固前后各纵横墙墙段的受压承载力、水平地震力计算结果进行对比分析（见表1），发现加固后纵横墙墙段的受压承载力、水平地震力计算结果相对加固前均有很大幅度提高，由此说明外廊式砌体结构增设外廊柱对结构整体承载力与抗震能力的提高提供了较大帮助。

其次，进行加固方案设计。结合计算结果和相关资料，依据文献 ［6］和 ［7］，采用如下加固方案，即在外走廊一侧窗间墙段中间增加壁柱，粘贴钢筋网并喷射细石混凝土 （增大墙段抗压承载力），在悬挑梁端增设构造柱。

图7 教学楼平面图

图8 加固前1层墙体受压承载力计算图

图9 加固后1层墙体受压承载力计算图

表1 抗力分析结果

图10 加固前一层水平地震力计算结果

图11 加固后1层水平地震力计算结果

3 结 语

根据地震后学校建筑的现场调查结果，对其中普遍采用的外廊式砌体结构展开分析。通过对某小学教学楼的加固实例进行研究，发现砌体结构中的外廊柱能够分担部分走廊的竖向荷载，并使部分墙体破坏的时间延后，增强了砌体结构纵横向墙段的受压承载力、抗侧移刚度，从而提高砌体结构的整体抗震性能。该研究可以为今后学校建筑的设计和施工提供参考。

［1］林煌斌，曾琦芳 ．中小学教学楼的特点及地震灾害控制 ［J］．南方建筑，2006（12）：85-90．

［2］GBJ99-86，中小学校建筑设计规范 ［S］．

［3］张嘉祥，陈嘉基，吕国维，等 ．九二一集集地震学校建筑震害探讨 ［J］．土木技术，2000，（27）：98-116．

［4］GB50292-1999，民用建筑可靠性鉴定标准 ［S］．

［5］GB50023-2009建筑抗震鉴定标准 ［S］．

［6］JGJ116-2009，建筑抗震加固技术规程 ［S］．

［7］GB50367-2006，混凝土结构加固设计规范 ［S］．