以永州为例浅析中小学砌体教学楼加固施工技术

孙明+贺治宇+李欢

摘要：根据砌体结构房屋在抗震上存在问题，结合新版中国地震动参数区划图的抗震设防要求，以湖南省永州市的中小学砌体教学楼为研究对象，分析现有砌体结构加固技术存在的优势和弊端，提出使用价格低廉，抗震加固效果好，施工简便易于实施的托换技术加固砌体教学楼，尽可能减少了加固施工对原有建筑使用空间与功能的影响，为类似抗震加固工程提供参考。

Abstract： According to the earthquake-resistant problems of masonry structure， combining the requirements for seismic resistance in new seismic ground motion parameter zonation map of China， taking masonry teaching building in primary and secondary schools at Yongzhou city in Hunan province as an example， analyze the pros and cons of exist strengthening technology， using low cost， earthquake-resistant well， simple and convenient underpinning construct technique to strengthening masonry teaching building， reduce the influence of space and function for old building in strengthening construction， offer a reference of similar earthquake-resistant strengthening construction project.

關键词：教学楼；加固；托换技术

Key words： teaching building；strengthening；underpinning technique

中图分类号：TU398+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0104-02

0 引言

在我国，砌体结构因其材料易于就地取材、施工工艺简单方使、造价低廉等优点，在建国后被大量使用在住宅、学校和办公用房中。但是砌体结构的传力路径单一、容易发生脆性剪切破坏，与依托钢筋混凝土承重的框架结构、框架剪力墙等结构形式相比，抗震储备水平低，承重墙在地震作用下形成贯通裂缝，大幅降低承载能力、整体性、安全性和可修复性[1]，甚至彻底破坏、倒塌。

1976年的唐山大地震中有90%的砌体结构房屋倒塌[2]；2008年汶川地震中超过70%的砌体结构房屋倒塌，靠近震中的北川、映秀等区域砌体房屋倒塌率接近90%[3]；2010年玉树地震导致玉树县的所有学校中70%的校舍发生倒塌，砌体平房损毁倒塌率超过90%[4]。

有鉴于现行规范在抗震设防要求中存在不足之处，2015年5月15日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布2015年第15号中国国家标准公告，发布强制性国家标准《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），于2016年6月1日起正式实施。新的《中国地震动参数区划图》已是我国第五代地震动参数（烈度）区划图，相较于之前四代区划图的最大变化就是取消了不设防地区。仅湖南一省行政辖区内，过去不需要考虑抗震设防的株洲、永州、怀化、衡阳、湘潭5市及浏阳等48县区内，所有的建设工程均需要按地震动峰值加速度0.05g，地震基本烈度6度进行抗震设防设计和施工。

考虑到地震的不可预测性和突发性，加之我国一般建筑设计使用寿命为50年，对于新增抗震设防地区而言，除了对新建建筑要严格执行国家规范进行设计、施工以外，也需要未雨绸缪，防患于未然，对已投入使用但未进行抗震设防设计的建筑结构，尤其是相对脆弱的砌体结构房屋进行结构加固处理，才可以在灾难来临时保障国家和人民群众的生命安全。

现以永州市的中小学砌体教学楼为研究对象，分析适用的加固施工技术，为其它存在类似情况的砌体结构抗震加固工程提供参考。

1 砌体结构研究现状

砌体结构抗震加固主要从整体和局部两个方面考虑[5]，一是对设计上不满足构造要求的房屋进行整体加固以避免地震倒塌；二是对承载能力不满足规范要求的构件或局部结构进行加固。

教学楼内房间以教室为主，开间和进深跨度大，而且平时作为学生上课的场所，只有假期可以进行施工，工期紧张。所以有必要根据新增抗震设防地区中教学楼结构特点和经济发展水平，研究一种施工方便、工期短的加固方法，在减少对原结构承载损伤的同时，并且综合考虑造价、环境影响和加固效果提高以取得最大的效益。

吴昊等[6]结合汶川地震中砌体结构教学楼大量发生“强梁弱柱”式破坏的震害特点，提出以结构破坏机制控制为目的的抗震加固设计思路，采用常规的钢筋网水泥砂浆面层对纵向窗间墙进行三面加固并采取锚固措施，通过对破坏位置的控制使结构能够形成有效的抗倒塌机制，该加固方案能够改善结构的抗震性能和实现对结构宏观破坏机制的有效控制。

孙立春等[7]采取外加圈梁-构造柱与钢筋网砂浆面层相结合的方法加固某砌体办公楼，以此提高墙体的抗剪承载力和结构的整体延性，通过结构计算软件PKPM证明砌体结构的抗震性能大为改善。

周芬娟等[8]基于将砌体结构的抗震加固与节能改造相结合的思路，采用聚合物保温砂浆与钢筋网相结合的方法对砌体砖墙进行了加固改造，通过低周反复加载试验分析其抗震加固效果。并阐述了聚合物保温砂浆钢筋网加固方法的施工过程，并与常用的钢筋网水泥砂浆面层加固效果进行了对比分析，结果表明该方法施工效果良好，加固作用明显。endprint

Wight等[9]通过对新西兰的多处加固后的老旧房屋在地震中中的表现进行分析并通过试验验证，研究发现预应力筋加固后砌体结构的抗震性能要明显强于普通砌体结构。

王洪涛等[10]针对一地处高烈度区的砖混结构学校建筑进行了隔震加固技术的应用。考虑到老建筑结构参数的不完整，通过实地测试得到精确的动力特性，建立层剪切模型对采用组合基础隔震技术的砌体房屋进行了罕遇地震响应校核，证明砌体结构采用隔震加固技术提高了上部结构的地震安全性，以经济、有效的结构变动达到了现行规范的抗震设防要求。

2 现状分析

目前在墙体的一侧或者两侧采用增加钢筋网砂浆面层和钢筋混凝土面层的加固是最常用的加固方法，但是这种施工方式需要腾空房屋，需要现场喷射混凝土或砂浆，对环境影响大，施工周期长，无法在短时间内完成。

在墙体的一侧或者两侧贴预制钢筋混凝土板，通过特殊的连接措施保证新老结构之间的协同工作，相对于砂浆面层加固方式，生产效率更高，施工周期短，对周围环境影响小，但是会减小8%-10%的使用面积。

碳纤维布和预应力筋加固技术其成本较钢筋混凝土板墙等加固技术可以大幅度降低，且加固不减少使用面积，对结构影响小，施工对环境影响較小，减低了噪音和扬尘，但是对上部结构干扰较大。所以在建筑物下部或层间设置隔震支座来成为一种新的加固方式。

隔震装置可以吸收和阻断地震能量，通过延长结构振动周期减少上部结构的层间反应。且这种加固方式只在建筑物的下部或局部施工，不影响上部建筑正常使用。然而一般底部隔震技术都用于高烈度设防地区，对于新增抗震设防地区而言，其设防目标是最基本的6度设防，而且其中很多县市位于经济不发达区域，相对技术力量薄弱，加之需要加固的建筑数量巨大，对施工技术要求高且造价不菲的底部隔震法难以推广。因此，迫切需要根据新增抗震设防地区已建砌体结构房屋特点，使用价格低廉，抗震加固效果好，施工简便易于实施的加固技术。

3 托换技术加固理念

托换技术是指通过对原有结构的改造改变原结构受力体系，使原结构的传力途径发生变化，降低不可靠结构构件的内力，保证改变后的结构整体安全可靠、既有结构构件在新体系下的安全可靠的一种改造方法[11]。

通过增加梁柱形成新的承重框架，将原结构所承担的荷载由墙体转移到梁和柱子，使教学楼从砌体结构变为框架结构，可以避免砌体结构抗震上的不足，从根本上解决教学楼抗震问题。加固工程与新建工程的最大差别在于要考虑已有结构对施工的影响。教学楼加固后承重体系由板—墙—基础改为板—梁—柱—基础。

4 托换技术施工要点

新增梁的作用是代替墙体承重，为了提供施工空间，在浇筑梁之前必然要先拆墙，原墙体支撑的楼板就会存在安全隐患。为了保证结构安全并降低施工难度，降低成本，提高支撑钢管件的周转率。结构设计采取了钢板与墙体为主的过渡支撑体系。施工前先在室内搭建满堂支架，然后只拆除圈梁下400mm高的墙体，在墙体与圈梁之间放置强度为Q235B的钢板支撑，在钢筋混凝土梁、柱没达到设计强度之前，结构承重体系为混凝土楼板—钢板支撑—墙—基础。待梁柱浇筑养护完毕后，钢板支撑留在梁中作为承重结构的一部分，并提高梁的强度。

在拆除墙体施工前，必须设置卸载支撑脚手架架支撑屋面板及楼板，使用扣件式钢管支撑体系将结构构件承受的荷载有效地传递到基础，保证其他结构构件在拆除作业时不受影响。考虑教学楼实际情况，需搭设满堂红扣件式钢管支撑架。

新增梁、柱需要通过植筋与原结构基础、圈梁、楼板紧密相连，组成新的承重体系。为防止植筋成孔作业与原结构已有钢筋冲突，影响构件之间的连接，在植筋作业前应凿除原构件混凝土保护层，检测探明现有钢筋位置。钢筋植入后需校正方向，保证钢筋与孔壁间距均匀，胶结剂固结前不得碰触植入钢筋。植筋结束后养护一天，待现场测试抗拔承载力检验合格后方可进行下一步施工。

由于加固工程要保留原有外墙、屋面板、楼板，无法使用泵送商品混凝土进行浇筑作业。同时在已有楼板、屋面板、墙体使得搅拌混凝土面临各种阻碍，施工空间狭窄，所以可采用干混自密实混凝土作为新增混凝土构件材料。

5 结语

通过使用托换技术加固教学楼，可以解决施工空间狭窄、工期紧张的问题，尽可能减少加固对原有使用空间的影响，是一种行之有效的砌体结构房屋抗震加固措施，值得在新增抗震设防地区类似建筑的加固项目中推广和深入研究。

参考文献：

[1]吴昊.砌体结构教学楼抗震性能及地震破坏机制控制研究[D].西南交通大学，2013.

[2]李英民，韩军，刘立平，等.“5.12”汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2009，41（5）：606-611.

[3]王威，周颖，梁兴文，等.砌体结构在2008汶川大地震中的震害经验[J].地震工程与工程振动，2010，30（1）：60-68.

[4]邵楠.青海玉树地震建筑震害浅析[J].工程抗震与加固改造，2011，33（4）：136-140.

[5]王坤雪.中小学建筑砌体结构中小墙肢抗震加固方法的研究[D].合肥工业大学，2013.

[6]吴昊，赵世春，许浒，吴刚.基于破坏机制控制的砌体结构教学楼抗震加固设计研究[J].土木工程学报，2014（03）：12-18，58.

[7]孙立春，王斌，郑澔.某砌体结构办公楼的抗震加固和接建设计[J].建筑结构，2013（S1）：768-770.

[8]周芬娟，单玉川，金成，张建胜.砌体砖墙抗震加固与节能改造一体化的试验研究[J].建筑结构，2015（09）：73-75，30.

[9]Wight G，Ingham J，Wilton A.Innovative seismic design of a post-tensioned concrete masonry house. Canadian Journal of Civil Engineering [serial online].November 2007，34（11）：1393-1402.Available form： Academic Source Premier， Ipswich， MA. Accessed October 31，2011.

[10]王洪涛，施卫星，汪洋，何斌.砖混结构组合基础隔震加固设计及应用[J].工程抗震与加固改造，2016（01）：105-112.

[11]张爱彬.托换技术砌体结构加固改造设计与应用[J].工程建设与设计，2015（01）：44-46，50.endprint