中小学建筑结构的现状与加固对策研究——楼梯加固方法研究

吕 旭

（中国建筑第二工程局有限公司（沪），上海 200000）

中小学建筑结构的现状与加固对策研究
——楼梯加固方法研究

吕 旭

（中国建筑第二工程局有限公司（沪），上海 200000）

针对苏州市古城三区总计839幢中小学校舍的现状及加固情况，文章分别按结构形式、建造年代等方面进行数据统计分析，并从楼梯的震害类型及其分析、楼梯常用加固方法的优缺点及适用性、苏州市校舍楼梯的抗震缺陷类型、苏州市校舍楼梯加固方法的现状这4个方面对楼梯加固进行了详细阐述。通过原理可靠性、经济性和施工可行性方面的考虑，采用粘贴纤维复合材加固法加固楼梯。

中小学教学楼；抗震；楼梯加固

近年来，全球地震灾害频发，给人类带来了巨大的伤害和经济损失。尤其是2008年汶川地震给中国国民敲响了警钟，在救灾过程中，发现受灾地区存在大量中小学校舍受损严重，究其根本，在于前期设计建造过程中对抗震设防措施考虑不够完善。《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223—2008，规定中小学校舍的抗震措施应该按照高于本地区抗震设防烈度1度的要求，进行加强。从抗震鉴定方面考虑，设防烈度提高1度后，现有中小学校舍将会在不同程度上无法满足《建筑抗震鉴定标准》GB50023--2009要求，从严格意义上来讲，均应进行抗震加固。

其中房屋结构中楼梯作为重要的紧急逃生的竖向通道，在抗震加固研究中正受到越来越多的重视。文章在对苏州市古城三区（沧浪区、平江区、金阊区）总计839幢中小学校舍的现状及加固情况调研数据的基础上，对楼梯加固进行了探讨。

1 楼梯的震害类型及其分析

在险情发生时，建筑物内人员主要通过楼梯进行疏散。楼梯若发生破坏，会造成大量的人员伤亡并阻碍后期的救援工作。为保证它的安全性，楼梯不仅要有足够的承载力与整体性，同时还要确保非结构构件在以上极端情况下不会发生脱落。

1.1 梯板破坏

震害发生时，楼梯梯板板底位置的混凝土呈现大面积脱落、钢筋裸露现象，或者裂缝沿梯板宽度方向整条贯通的情况等（见图1）。在地震发生时，楼梯梯板相当于“K”型支撑构件，梯板底部受力主筋受压弯曲直至屈服破坏，最终造成梯板拉断。

图1 梯板裂缝均匀分布

1.2 楼梯平台梁破坏

梯梁侧面在两个梯板之间的混凝土开裂脱落（见图2）。地震发生时，楼梯相当于“K”型支撑构件。楼梯的两个梯段在楼梯发生层间侧移的时候，交替承受外部挤压，此时梯梁受力属于弯剪扭复合受力，导致平台梁在跨中发生剪扭破坏。

1.3 楼梯平台板破坏

平台板的纵向与横向均有较明显的裂纹（见图3）。地震发生时，楼梯在整体构造中属于斜向构件，与建筑物墙体一起作用，相当于“K”型支撑构件。而楼梯层间休息平台板，在整体构造中属于水平支撑，作用机理类似于“耗能梁”。此处吸收地震波能量，造成了震害。

图2 楼梯平台梁混凝土裂通

图3 平台板裂纹情况

1.4 楼梯小梯柱破坏

小梯柱柱端处出现柱头破损，混凝土碎裂脱落，梯梁端处纵筋外露，屈服破坏（见图4）。楼梯发生这种破坏，起因应该是混凝土的强度不够（小梯柱处），或者抗震设计时没有充分考虑到地震实际发生时此处的“柱端弯矩”等情况。

图4 楼梯小梯柱破坏

1.5 楼梯间填充隔墙破坏

横墙出现X型裂缝（见图5），楼梯间填充墙处构造措施处理不符合规范；楼梯踏步与墙体连接处出现裂缝，梯板与填充墙连接处，拉结构造措施处理不符合规范（见图6）。

图5 填充墙上的剪切裂缝

图6 连接处出现破坏

2 楼梯常用加固方法的优缺点和适用性

2.1 粘贴纤维复合材加固法

（1）优缺点。①优点：具有良好的耐腐蚀性能和耐久性能；不增加构件的自重和体积；高强高效；纤维复合材料布是一种柔性材料，可广泛适用于各种结构类型；施工便捷且施工工效高；②缺点：加固构件材质及强度有一定要求，存在一定的局限性，例如被加固的混凝土构件，强度等级不得低于C15，且不能为素混凝土构件；使用后的碳纤维布，不能直接暴露在有害介质或者阳光下，且所在环境温度不能长期处于60℃以上，对防护及防火要求较高，需增加一定的防护成本。

（2）适用性。本加固方法适用于受压、受拉、受弯构件，例如楼梯梯段板、平台梁、平台板等。被加固的楼梯构件的砼等级最低为C15，且砼表面的正拉粘结强度必须大于等于1.5MPa。在加固设计过程中，碳纤维布仅可计入拉应力计算。使用后的碳纤维布，不能直接暴露在有害介质或者阳光下，且所在环境温度不能长期处于60℃以上，对防护及防火要求较高。针对部分处于特殊工作环境下的楼梯构件，加固时必须采用专门的胶粘剂，并配合相应的特殊粘贴工艺进行施工。

2.2 粘贴钢板加固法

（1）优缺点。①优点：粘贴钢板加固的平台梁，抗裂性得到较大改善，同时提高了抗弯刚度。施工技术简单，粘贴钢板所使用胶粘剂，硬化速度快且强度也远高于加固结构砼强度，在缩短施工周期的同时，使加固材料与原结构形成整体受力，避免产生“应力集中”现象。粘贴钢板加固法，占用空间小且几乎不改变原有结构外形。可以使用明火，尤其适用对防火有特殊要求的结构，例如楼梯间加固施工；②缺点：由于钢板加固的刚性材料特点，胶粘工艺的施工效果对最终加固效果起到决定性作用，且粘贴钢板加固存在“应力滞后”现象。

（2）适用性。本方法适用于所处工作环境正常适宜且承受静荷载的受弯或受拉构件的加固，例如楼梯平台梁、平台板、梯段板等。被加固的楼梯构件的砼等级最低为C15，且砼表面的正拉粘结强度必须大于等于1.5MPa。加固后正常工作环境（杜绝化学腐蚀），应保证湿度最高为70%，温度最高为60℃，否则应增加防护措施。

2.3 外加预应力加固法

外加预应力加固法，被广泛应用于混凝土梁板柱的加固，是一种加固效果显著，同时费用低廉的加固方法。因为加固后对结构外观有影响，所以比较适用于一些重型结构或者大跨度结构的加固，但不适用于砼收缩徐变较大的建筑结构。

3 苏州市中小学建筑结构现状调查

3.1 中小学建筑基本情况

（1）苏州市古城三区839幢校舍的统计数据显示，80年代及80年代以后的建筑较多，占了78.1%。70年代以前的建筑也有相当一部分的比例，占了9.2%，各年代建筑所占比例详见图7。

图7 苏州市中小学校舍建造年代分布百分比

（2）该地区中小学校舍高度小于5m的建筑占33.6%，5～10m的建筑占21.0%，10～15m的建筑占比例最大，达到36.0%，超过15m的占9.4%。从层数分类来看，1层建筑居多，占39.6%；其次3层建筑占25.5%，然后2层建筑占18.8%，4层建筑占13.3%，5层及五层以上占2.8%。

（3）839幢校舍的统计数据显示，本地区中小学校舍的结构形式，大部分都是砌体结构，占73.2%；其次是钢筋混凝土结构，占24.3%；作为一座古城，也有部分木结构校舍，占2.4%，其中部分还是明清时期建造的历史保护性建筑，如平江实验中学的大成殿，苏州市第六中学的邓氏宗祠等（见表1）。

表1 苏州市中小学校舍结构形式统计表

3.2 抗震措施统计

①统计数据显示，839幢校舍中按乙类设防的建筑只有1.6%，丙类设防占36.3%，还有62.1%的建筑无抗震设防；②结构规则性。从统计结果看，绝大多数建筑为规则结构，占90.3%，不规则的只有9.7%；③抗震鉴定结论。统计数据显示，只有1.6%的建筑物满足6度乙类设防的要求，基本满足6度乙类的占22.3%，还有76.1%的建筑不满足6度乙类设防的要求；④单跨框架结构汶川地震的震害调查表明，单跨框架结构抗震性能差。本次839幢校舍的统计数据显示，有7.9%的校舍为单跨框架结构（见图8）；⑤外廊式建筑。通过对汶川地震的震害调查数据，显示外廊式建筑也不利于抗震。本次839幢校舍的统计数据显示，外廊式建筑占34.5%。

图8 单跨框架结构统计图

4 苏州市校舍楼梯加固方法的现状

由图9可知，粘贴纤维复合材加固法是苏州市校舍楼梯加固中最常用的方法。

5 粘贴纤维复合材加固法加固楼梯

5.1 加固原理

纤维复合材料加固楼梯，主要是利用纤维材料的抗拉性能强的特点，通过粘结物质，使得纤维复合材料与楼梯结构砼产生良好的粘结性，弥补楼梯受拉纵向钢筋和受剪、抗扭箍筋的不足，以提高楼梯抗弯剪扭的承载力。由于加固时采用封闭式“U形箍”，可以起到约束楼梯结构砼横向变形的作用，进而产生三向压应力，间接改善了结构砼的强度以及延展性，以达到提高楼梯抗震性能的最终目的。

图9 苏州市校舍楼梯加固方法现状

5.2 施工工艺流程

抗震措施施工工艺流程见图10。

图10 施工工艺流程

5.3 梯柱等受压构件正截面加固计算

（1）梯柱等轴心受压构件，可采用“环向围束法”进行加固（环向围束法：顾名思义，就是沿着构件全长，无间隔、环向、连续地粘贴纤维复合材料）；

（2）对楼梯轴心受压构件采用环向围束法进行加固的情况包括：①圆形截面柱（长细比）；②截面棱角经过圆化打磨的矩形（含正方形）截面柱（长细比、截面高宽比、截面高度）。

（3）对采用“环向围束法”进行加固的楼梯轴心受压构件，其正截面承载力，应符合下列规定：

对正方形和矩形截面柱：

5.4 梯柱等受压构件斜截面加固计算

①当采用条带型纤维复合材料，对梯柱进行受剪加固时，应粘贴成“环形箍”，且复合材料的方向，应与柱的纵轴线垂直；②对楼梯梯柱采用“环形箍”进行加固时，其斜截面受剪承载力，应符合下列规定：

6 结束语

随着抗震设防要求的提高，中小学校舍应作为重点设防类的乙类建筑进行鉴定加固。文章通过对苏州市古城三区中小学校舍抗震缺陷的汇总分析，建议采用粘贴碳纤维布法加固楼梯。以后工作的重点在于严格遵照相关标准和规范进行施工，减少后期加固压力，另外从增强结构的抗倒塌能力出发提高现有结构中楼梯的抗震能力。

[1]建筑工程抗震设防分类标准[S].GB50223-2008.

[2]混凝土结构设计规范[S].GB50010-2010.

[3]郝文宇.公路桥梁加固技术的研究[J].住宅与房地产,2016, (15):118.

[4]黄慧明.粘贴碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的正截面承载力试验研究[D].湖南大学,2001.

[5]张海东,翁晓虹,钱善青.苏州市中小学建筑结构的现状调查与抗震分析[J].苏州科技学院学报,2013.

[6]民用建筑可靠性鉴定标准[S].GB50292-1999.

[7]徐润甲.建筑结构鉴定和加固改造技术分析[J].住宅与房地产,2016,(15):103.

[8]混凝土结构加固设计规范[S].GB50367-2006.

[9]建筑抗震设计规范[S].GB50011-2010.

Study on the Present Situation and Reinforcement Measures of the Middle and Primary School Buildings——Study on Reinforcement Method of Stairs

Lv Xu
(China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd.,Shanghai 200000)

For the three ancient city of Suzhou City ,the status quo situation and reinforcement of total 839 primary and secondary schools, according to the structure, construction time and other aspects ,this essay analyses the data in summary,and this essay from the stairs damage types and their analysis, stairs advantages and disadvantages of various reinforcement methods and applicability of Suzhou campus stairs seismic defect types, stairs Suzhou school status this reinforcement method four aspects of the stairs and precast slab reinforcement were elaborated and adopted principles of reliability, economy and construction feasibility considerations were used to paste the fber reinforced composite reinforcement method stairs, plus the entire cast precast slab reinforcement layer method.

Primary and secondary school buildings; Seismic;Stairs reinforcement

TU3

A

1006-6012（2016）11-0161-03