校安工程中混合结构教学楼的加固设计和构造

2012-07-16吴劲恒

山西建筑 2012年30期

吴劲恒

(厦门市住宅设计院有限公司，福建厦门 361008)

0 引言

汶川地震后，为使学校校舍达到重点设防类抗震设防标准，并符合对多种自然灾害的防灾避险安全要求，国务院决定加快实施全国中小学校舍安全工程，对各级各类城乡中小学存在安全隐患的校舍进行抗震加固、迁移避险，提高综合防灾能力。其主要任务是集中重建整体出现险情的D级危房、改造加固局部出现险情的C级校舍，消除安全隐患。

据2008年调查，我国一些地区中小学校舍有相当部分达不到抗震设防和其他防灾要求，C级和D级危房仍较多存在;尤其是20世纪90年代以前和“普九”早期建设的校舍，问题更为突出。因此，需要进行加固改造或拆除重建的校舍数量不少。这就要求肩负着建筑安全设计的结构工程师们，不仅要有过硬的理论水平和设计能力进行新项目建设，还要有很强的分析能力和实践经验进行旧项目改造。

结构的加固改造，有其特有的设计理念和工作思路，不同于新建工程。现行规范中，加固方法和改造措施种类很多，只有根据具体项目的实际结构，综合考虑建筑的安全、功能、经济、环保等各方面要求，才能设计出实用性强、便于施工的合理方案。下面结合厦门海沧鳌冠小学教学楼的加固案例，就普通校安工程中加固改造项目的结构设计要点和实际构造措施进行简单的阐述和分析。

1 工程概况和抗震鉴定

1.1 工程概况

本项目为小学教学楼抗震加固工程，砖混与框架混合结构，设计建造于1994年，地点位于厦门市海沧区。建筑分东、西两座(见图1):东座4 层，平面长34.85 m，层高3.3 m，总高13.5 m，总建筑面积约1 246 m2;西座5层，平面长27.38 m，层高3.3 m，总高17.0 m，总建筑面积约1 322 m2见图2。

图1 1层～4层平面图

该建筑的结构安全等级二级，地基基础设计等级丙级，场地类别Ⅱ类。原设计抗震设防烈度为7度(近震)，抗震设防类别为丙类。现按抗震设防烈度7度(0.15g)，第一组，乙类设防类别进行抗震加固，抗震措施按8度设防考虑。

1.2 抗震鉴定

经专业检测单位进行抗震鉴定，得出主要结论为:

1)原建筑可不进行地基基础的抗震鉴定。

2)原建筑仍存在如下抗震措施不足之处:

a.采用两种结构体系共同承重，不利于抗震;

b.东座、西座房屋总高度及西座的层数均不满足鉴定标准的要求;

c.东座、西座的高宽比均不满足鉴定标准的要求;

d.墙体砌筑砂浆的抗压强度换算值部分不能满足鉴定标准的要求;

e.外墙四角、楼梯间四角未全部设置构造柱，不满足鉴定标准的要求;

f.建筑局部尺寸不满足鉴定标准的要求;

g.楼梯间休息平台梁下未设置钢筋混凝土构造柱，不满足鉴定标准的要求。

3)抗震承载力及变形验算结果:

a.原建筑综合抗震能力不满足;

b.原建筑部分混凝土梁及混凝土柱承载力不满足规范要求。

图2 5层平面图

图3 5层局部柱加固变更

2 概念设计和加固方案

2.1 概念设计

1)校舍抗震加固应注重概念设计，并以提高结构整体性、延性为目标。设计中应多方案比较，优先选用既能保持原结构完整性和稳定性，又能不扰动原建筑地基基础，且能避免截断(或开凿)主要受力构件的加固方案。

2)加固设计中，应采取成熟、可靠、安全、环保的技术和材料，以防不稳定技术和有害材料形成安全隐患。例如为减少结构胶对学生健康的影响，不宜采用粘贴碳纤维加固;为防止火灾下结构胶失效对结构安全的影响，不应采用粘钢加固。

2.2 加固方案

经过分析和比选，本工程基本加固方案如下:

1)针对砌体结构建筑综合抗震能力、砂浆抗压强度换算值、房屋总高度与高宽比、西座层数以及建筑局部尺寸等不满足鉴定标准的要求，采用板墙加固法。本方法实用可靠，施工简单，费用较低，但影响建筑使用空间。

2)针对房屋外墙四角、楼梯间四角、楼梯休息平台梁下未全部设置构造柱，不满足鉴定标准的要求，采用板墙加固法。

3)针对存在两种结构体系共同承重，不利于抗震的情况，分别对砌体和框架结构进行加固补强，提高结构整体性。

4)针对部分混凝土柱承载力不满足规范要求，采用外包型钢加固法。本方法费用稍高，但施工相对简单，基本不影响建筑空间。

5)针对部分混凝土梁承载力不满足规范要求，采用钢绞线网—聚合物砂浆面层加固法。本方法费用稍高，但施工简单，加固效果良好，不影响建筑空间。

3 整体分析和补充计算

3.1 整体分析

1)结构计算模型应符合加固过程和加固后结构的实际受力状态(承载或卸载)。

要特别注意以下几点:a.正确判别新增构件所承担的荷载;b.新增构件引起原有构件的受力变化;c.加固施工过程中结构构件内力的变化。

2)本工程结构整体分析采用PKPM系列软件中鉴定加固(JDJG)模块进行电算。

3.2 补充计算

PKPM鉴定加固设计程序应用时间短，还有不完善之处，且实际工程有些复杂构件尚无准确的简化模型，因此设计中不能过分依赖程序，对电算结果应分析判断后采用，必要时应辅以手算复核。本工程主要补充计算有如下几种方法。

3.2.1 板墙加固法——加固后楼层综合抗震能力指数

原墙厚240 mm，砂浆强度等级不大于M2.5，双面板墙加固2×70 mm。

1)根据《建筑抗震加固技术规程》第5.3.8条，双面板墙加固且总厚度不小于140 mm时，楼层抗震能力增强系数可按增设混凝土抗震墙加固法取值。

2)根据第 5.3.12 条和公式(5.3.10)，ηij=2.8，楼层抗震能力的增强系数

3)根据第5.1.4和第 5.3.7条，加固后楼层综合抗震能力指数，βs=ηwi·ψ1·ψ2·β0=3.8 ×1 ×1 ×0.28(最不利)=1.064 ＞1，满足要求。

3.2.2 外包型钢加固法——加固后柱整体承载力

柱四角外贴角钢∠75×5，角钢与外围的钢缀板－50×4焊接。

1)根据《建筑抗震加固技术规程》第6.3.4条，加固后角钢作为纵向钢筋、钢缀板作为箍筋进行计算，材料强度乘以规定的折减系数。2)根据第6.3.5条，柱加固后正截面受弯承载力My=My0+0.7·Aa·fay·h，斜截面受剪承载力 Vy=Vy0+0.7·fay(Aa/s)·h，经验算均满足要求。

3.2.3 钢绞线网—聚合物砂浆面层加固法——加固后梁新增钢筋承载力

梁底采用6×7+IWS金属股芯钢绞线(公称直径4 mm)补强，Ⅰ级聚合物砂浆抹面。

1)根据抗震鉴定报告，梁JL1宽250 mm，原底筋为HRB335级，配筋缺少240 mm2，不足的钢筋抗拉值为240×300=72 000 N。

2)根据《混凝土结构加固设计规范》第P.3.3条，新增梁底钢绞线网为6Φr4@40，抗拉强度设计值1 050 MPa，受拉钢绞线网的强度利用系数 ψrw=(0.8εcu·h/x － εcu－εrw，0)/(frw/Erw)=0.99。新增钢筋抗拉值π×22×6×1 050×0.99=78 300 N＞72 000 N，满足要求。

3.2.4 植筋加固法——植筋锚固深度

1)根据《混凝土结构加固设计规范》第12.2.2 条～12.2.5 条，植筋锚固深度设计值 ld≥ψN·ψae·ls=(ψbr·ψw·ψT)·ψae·(0.2·aspt·d·fy/fbd)。

2)C25混凝土中，HRB335钢筋的植筋锚固深度设计值，Φ12:ld≥1×1.1×1 ×1.1 ×(0.2 ×1 ×12 ×300/2.7)=323 mm，Φ14:ld≥1×1.1×1×1.1×(0.2×1×14×300/2.7)=377 mm，Φ16:ld≥1×1.1×1×1.1×(0.2×1×16×300/2.7)=430 mm。

3)植筋基本锚固深度也可查标准图集《07SG111-1》中相关表格。

4 现场变更和实际构造

4.1 现场变更

1)加固改造项目，特别是原结构设计资料不详的项目，设计人员应随时跟踪收集现场施工信息，并及时进行分析整理:a.对原建筑实际结构与设计假设不符的，应根据实际情况变更加固方案;b.对现场施工条件无法满足设计要求的，应根据现场情况改变加固方法;c.对已按设计要求完成施工的部位，应做好后续观测和资料归档，认真总结经验。

2)本工程在施工过程中，出现的主要变更有:a.西座5层平面中，半圆形结构的框架柱均位于4层悬挑梁外端，与下层柱无贯通。此部分柱原采用外包型钢法加固，后改为单面加大截面法加固(见图3)。b.2层Ⓓ轴外侧有一道高压线，与墙体平行且相邻1 m左右，影响施工操作，经申请无法移除。Ⓓ轴1层～5层墙体原均采用双面板墙加固，后将2层～5层改为内侧单面板墙加固，同时加大内侧板墙厚度。c.本工程属超高超层的抗震加固工程，且为两种结构形式混合的不利结构。在施工过程中，发现东、西侧两个半圆形附属框架结构存在以下不利情况:大部分框架柱上下层错位较严重，柱体混凝土开裂剥落较多，原柱体混凝土标号低材质疏松;实际结构抗震性能差，且不利于抗震加固措施的实施，如柱外包角钢无法上下贯通、柱体材质不利于植筋要求等。

建议拆除两个附属框架结构未获批准，后将上下层错位的柱改为加大截面法加固。

4.2 实际构造

1)抗震构造措施对于实现建筑抗震概念设计目标有着举足轻重的作用。加固改造项目中的抗震构造措施，既要满足现行规范的要求，也要符合原有建筑的实际情况。

图4 柱外包型钢改进大样图

2)本工程根据实际结构，改进了一些构造措施:a.根据原框架柱出现上下层错位，外包角钢无法贯穿楼板的情况，改进了外包型钢加固的楼层大样(见图4)。b.根据柱加大截面加固时，框架梁处部分柱筋不能上下层贯通的情况，改进了相应的楼层大样(见图5)。c.根据外包型钢加固时，原有砖墙导致柱角无法外包角钢的情况，改进了柱与砖墙相连接时外包型钢的楼层大样(见图6)。