某多层框架结构教学楼的抗震加固工程技术

盛宝平 万 巍

0 引言

我国是地震高发国家，地震造成的人员伤亡，居世界首位。同时，我国地震区也分布较广。2008年5月12日四川省汶川发生了里氏8.0级的强烈地震，造成了大量房屋的倒塌，给当地造成了巨大灾难。其中校舍建筑的破坏最为严重。

作为人员较为密集的公共建筑，校舍建筑布置的需要一般均采用大开间，外挑走廊，为了满足教室采光，要求填充墙体开大窗洞。以上做法造成此类结构体系整体性较其他相同结构差。

为了最大限度保护师生的生命安全，建设部对抗震相关的一系列规范进行了及时的修订:其中规定幼儿园、中小学的教学用房、宿舍以及食堂抗震设防类别不应低于重点设防类，即不低于乙类。同时对若干结构抗震的构造措施加以修订，提高了结构抗震能力的要求。

同时，国务院启动了中小学的校舍安全工程，要求用1年～3年时间改造好全国范围内的有质量隐患的建筑。在教育部、建设部的统筹安排下，上海市对校舍进行了安全排查，组织相关人员对不符合要求校舍进行抗震加固设计。本文以上海浦东新区“校舍安全工程”中某多层框架结构教学楼抗震加固设计为例，做了一些探讨。

1 框架结构的震害情况

5·12汶川地震后，相关结构研究人员随即展开了对震害情况的调查［2］，框架结构房屋，由于其所用建筑材料延展性比砌体结构要好，地震力能得到有效的抵御和释放，因此抗震性能较好，此结构校舍较少发生整体垮塌，但由于材料、施工质量以及建筑布局不合理等原因，部分结构构件也发生了一定程度的破坏。

主要震害如下:

1)柱子端部剪切破坏。

在部分框架柱头、柱底，在水平地震作用下，成为受压、剪、弯构件。在柱刚度变化处，由于主拉应力破坏而形成45°斜裂缝，严重时表现为局部混凝土崩裂、钢筋屈服外露。柱头比柱底震害严重。

2)柱墙交接处产生竖向裂缝。

由于钢筋混凝土柱与砖砌填充墙体材料刚度相差较大，再加上施工时未采取有效的拉接，造成地震时变形难以协调，因此在地震力作用下，在两种材料交接的柱边形成明显的竖向裂缝。

3)梁底水平裂缝。

与竖向裂缝相似，由于施工质量较差，砌筑墙未与梁底挤紧，造成在地震力作用下形成明显的水平裂缝。

4)填充墙体中部的斜裂缝及交叉裂缝。

该裂缝是典型的墙体在承受平行于墙体的地震力时剪切破坏的特征。从现场调研来看，高墙破坏重于矮墙，薄墙重于厚墙，填充的横墙破坏大于填充的纵墙。

5)楼梯间的破坏。

钢筋混凝土框架结构中的楼梯破坏较为普遍。楼梯踏步板出现受拉裂缝，严重时，楼梯板被完全拉断。部分楼梯休息平台梁板，地震时被上下踏步板剪坏。

2 房屋结构概况及抗震鉴定分析

2.1 建筑结构概况

本教学楼为5层框架结构，建筑面积约为1 200 m2，1层～4层层高为3.400 m，5层层高为5.100 m，檐口标高为19.500 m，预制楼(屋)面板，填充墙体材料为240厚粘土实心砖，基础采用钢筋混凝土墙下条形基础，条基基底标高为－1.900 m，主要用途为教室及办公室。房屋抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度(0.1g)第一组，Ⅳ类场地。

根据现场实测，房屋现有混凝土强度推荐值为C20，现有混凝土保护层有较好的护筋能力。教学楼填充墙现有砂浆强度等级推荐值为M2.7，砖强度等级推荐值为MU10。

房屋各单元结构布置与原设计相符。现有梁及柱截面尺寸和配筋情况与原设计图纸相符，实测现有楼板厚度基本满足原设计要求。

各种荷载取值如下:

活荷载:教室以及办公室取2.0 kN/m2，卫生间取2.0 kN/m2，走廊、楼梯间过道取3.5 kN/m2，非上人屋面取 0.5 kN/m2;恒荷载:预制楼面取4.5 kN/m2，预制屋面取5.5 kN/m2;墙体荷载:原有240厚粘土砖墙体，考虑双面20 mm厚抹灰的重量，荷载取值为5.4 kN/m2;风荷载:基本风压取0.55 kPa，地面粗糙程度为C类;梁柱荷载:考虑梁柱构件表面粉刷层的重量，梁柱构件自重容重近似取26 kN/m3。教学楼一层结构布置图见图1。

2.2 抗震鉴定结果

根据GB 50023-2009建筑抗震鉴定标准的要求，按照后续使用年限40年(B类建筑)，对教学楼的结构构造进行评估。

以下几项不满足要求:

1)原有结构设计中，框架结构采用的抗震等级为三级，根据新修订的抗震规范，校舍建筑抗震设防类别提升为“重点设防类”，框架结构抗震等级应提高到二级。

2)一层框架柱配筋不足，实配钢筋/计算钢筋值普遍小于0.65，最小值为 0.35。

3)结构在多遇地震作用下最大层间位移不满足要求。部分楼层X方向的最大层间转角不满足要求，一层为1/511，二层为1/470，均大于规范要求的1/550。

4)结构第二震型的扭转系数为0.6，周期比为0.93，由此可以判定存在一定程度的扭转效应。

5)部分纵向框架梁顶、底通长钢筋配筋不足，部分柱加密区箍筋肢距不满足规范要求，为抗震薄弱环节。

6)房屋填充墙和框架柱无拉筋，连接构造措施低于规范要求。一楼有部分墙体有变形开裂现象。

3 加固方案

根据校舍砌体结构震害分析以及对本教学楼的抗震鉴定结论，提出以下加固方案:

1)对框架柱采用加大截面的方法进行加固处理:

能有效解决框架柱配筋不足的问题，同时增加了柱子的整体刚度，能较有效地降低结构在多遇地震的作用下的最大层间位移，见图2。

2)设置钢丝网水泥网砂浆面层:

对建筑各单元边角部、楼梯间、主要通道两侧及存在明显裂损的填充墙做钢丝网水泥面层加固，增强墙体自身的拉结。防止地震时填充墙的开裂，崩塌。强化地震时楼梯间作为地震时快速疏散通道。

3)在建筑物端部设置剪力墙肢:

能有效降低结构在多遇地震作用下的最大层间位移，消除原有结构的扭转效应。同时也降低了原有框架柱的轴压比。

4)采用CFRP加固原有结构纵向框架梁:

原有设计中，结构的纵向框架按照连接横向框架的拉梁设计，导致纵向框架梁配筋不足。用CFRP材料对此部分梁顶、梁底进行加固，补强薄弱部位。图3为梁顶和柱连接处加固节点。图4为楼层梁面中间支座粘CFRP构造。

5)出屋面小房的加固:

对于出屋面小房等房屋局部突出物，此类突出物的刚度远小于下部主结构，在地震的过程中会产生“鞭梢效应”。此部分结构加固经常被设计人员所忽视，留下安全隐患。本设计对出屋面小房内侧四周加设钢丝网水泥砂浆面层进行整体加固，提高其抗侧力刚度，防止其脱落伤人。

4 结论及抗震加固技术建议

根据中国建筑科学研究院开发的PKPM系列软件JDJG模块，同时考虑原结构中施工缺陷、钢筋锈蚀等不利因素的影响，对房屋结构加固后的情况进行建模计算分析，结果如下:

1)加固后结构的最大层间位移角为1/847，满足规范要求。

2)结构的前两个震型的平动系数大于扭转系数，周期比为0.83。可以判定加固后结构的扭转效应不明显，满足要求。

3)原有配筋不足的梁、柱经过以上加固处理后，均满足现行规范的要求，效果良好。

加固此类房屋应注意的问题:

1)尽可能保持原有结构的功能。作为教学活动的载体，对校舍建筑进行加固处理的初衷是为了更好的服务于教学，加固时应采用“人性化设计”，最大限度地保证教室、主出入口、楼梯间、外走廊的活动空间。

2)应尽量不破坏原有结构的整体性，采取有效措施保证新增结构构件和原有构件的连接，杜绝由于加固施工而造成结构新的不规则。

3)加固设计应充分考虑成本。加固设计应采用高效、经济、施工方便的方法。原则上，加固成本不得超过新建相同结构成本。结构加固势必会破坏原有建筑、电气及给排水的设置，加固设计施工时应尽量考虑到未来的装修、修缮，各个专业协调配合，一步到位。防止以后建筑、电气、给排水等专业的重复设计、施工。

［1］ 张熙光，王骏孙，刘慧珊.建筑抗震鉴定加固手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［2］ 任晓崧，翁大根，吕西林.四川灾区砌体结构房屋震害与中小学建筑的抗震设计［J］.工程抗震与加固改造，2008，30(4):71-76.

［3］ GB 50023-2009，建筑抗震鉴定标准［S］.

［4］ JGJ 116-2009，建筑抗震加固技术规程［S］.

［5］ 胡 敏.校安工程建筑抗震鉴定与结构加固［J］.山西建筑，2011，37(8):28-29.