北京地区中小学校舍抗震加固工程

2019-11-12閤东东李兴旺韩龙勇

城市与减灾 2019年5期

閤东东李兴旺韩龙勇

引言

我国中小学学生在校人数约2亿，校舍近40万所。中小学校舍属于公共建筑，人员密度大，加之中小学生属于自救互救弱势群体，若校舍的结构抗震性能不足，一旦遭遇大地震，造成的人员伤亡不可估量。国内外历次地震给我们带来了惨痛的教训，2008年5月12日，汶川发生8.0级特大地震，造成直接经济损失1200亿美元，死亡失踪8.7万多人，根据震后调查，在这次地震中四川省学生死亡人数达5335人，伤者达1.6万人，倒坍的校舍达到6898间；2010年4月14日晨青海省玉树县发生多次地震，震级最大为7.1级，80%的小学和50%的中学校舍在此次强震中严重受损，共207名学生在地震中遇难。

汶川地震后，国家启动全国中小学校舍安全工程，对各级各类中小学校舍进行排查、检测、鉴定和抗震加固。对《建筑工程抗震设防分类标准》进行修订，将中小学校舍的抗震类别由原来的一般设防类提高到重点设防类（由丙类提高到乙类）。

我国中小学校舍结构形式以砌体结构和钢筋混凝土框架结构为主。砌体结构由砖或砌块通过砂浆粘结作用砌筑而成，与其他结构形式对比，砌体结构的自重大，侧向刚度大；砖砌体呈脆性，其抗拉和抗剪强度都很低，强震作用下，易发生脆性剪切破坏，延性极差；砌筑砂浆和砖之间的粘结力较弱，无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度低，抗震及抗裂的性能较差；采用手工方式砌筑，砌筑质量难以保证。框架结构一般采用单跨外带悬挑走廊的结构形式，或者在走廊一侧增加框架柱构成两跨或三跨框架结构。框架结构刚度较小，为柔性结构，强震作用下水平位移大，易造成非结构构件破坏和节点区域的破坏。

北京市中小学校舍调查

自2008年7月10日，北京市教委、市住建委、市规划委、市发改委、市财政局联合启动中小学校舍的排查鉴定工作后，截至2009年年底，全市共完成1799所中小学1470万平方米校舍的排查鉴定，鉴定结果如图1所示。

图1 中小学校舍检测鉴定结果

北京市中小学校普遍存在的易发生震害的因素有以下几个方面：

1.建筑开间很大，层高一般较高，横墙间距太大；

2.结构形式不合理，如有些校舍采用单边走廊甚至单边外挑走廊，这类校舍在地震中极易发生倒塌，在汶川地震中，这类校舍倒塌损坏严重；

3.结构的抗震构造措施缺失及不满足规范要求，如砌体结构，70年代建筑没有设置圈梁及构造柱，80年代建筑虽设置了圈梁，但构造柱缺失或太少，90年代建筑圈梁及构造柱的主筋配置及箍筋布置不满足要求等；

4.钢筋混凝土结构出现强梁弱柱，特别是柱筋不足、箍筋不符合加密要求，抗震构造措施不满足抗震要求的建筑物约占43.8%，是建筑抗震改造加固必须重点解决的问题；

5.部分北京市中小学校砌体结构校舍楼梯间不满足抗震要求，楼梯间是灾害逃生通道，大震中楼梯间破坏坍塌必然造成大量伤亡；

6.北京市中小学校砌体结构校舍材料强度值偏低，特别是砌筑砂浆强度一般都小于M2.5，部分校舍历史久远，质量更难以保证。

砌体校舍抗震加固工程

提高砌体校舍抗震能力的常用加固方法主要包括钢筋网砂浆面层加固法、板墙加固法、外加圈梁-钢筋混凝土柱法、隔震加固法等。

1.钢筋网砂浆面层加固。钢筋网砂浆面层加固钢筋网采用呈梅花状布置的锚筋、穿墙筋固定于墙体上；钢筋网四周采用锚筋、插入短筋或拉结筋等与楼板、大梁、柱或墙体可靠连接。该方法工艺简单、施工简便、造价较低，但对墙体承载力的提高有限。

以北京市六十一中20号教学楼为例，该楼建成于1993年，共3层，建筑面积2356m2，横墙承重，未设置圈梁构造柱，采用预制楼板。经现场检测，一至三层砌体强度等级分别为MU10、MU7.5和MU10，砂浆强度分别为M2.5、M5.0和M2.5。后续结构使用年限为40年，采用钢筋网砂浆面层加固，加固平面图和节点分别如图2和图3所示。经综合考虑地基土固结承载力的提高、钢筋网砂浆面层基础下地基压力的扩散等因素后，未对地基基础进行加固。

图2 结构加固平面图

图3 纵横墙交接处钢筋网砂浆面层加固节点

2.板墙加固法。板墙加固法适用于原砖墙有一定承载能力，但由于层数较多而需要大幅度提高墙体抗震承载力的情况。板墙加固法是这几种方法中应用最为广泛的，造价略高于面层加固法。

《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—2009）第5.3.7条规定：抗震加固设计中，砌体结构采用双面夹板墙的方法改变结构体系时，板墙的厚度至少达到每面70mm、共计140mm厚。北京市建筑设计研究院有限公司结合北京地区的土质条件，经过试验与数值模拟论证，提出每面增设60mm、共计120mm的板墙，即可视为达到砌体结构改变体系的条件。结构加固设计中，由于存在开挖和回填量大、地下管线复杂、地基承载力加固困难等因素，地基和基础加固一般是难度最大、造价最高、工期最长的一个环节，地基基础加固的造价经常达到总的结构加固成本的30%以上。根据我国规范和工程经验，随着建筑使用年限的增加，其地基承载力一般会有所提高；对北京地区而言，多数情况下地基承载力经多年压实作用后的提高幅度可达1.2倍。因此，如果能充分利用地基承载力的提高来减少或避免地基基础的加固，则可以大幅度地缩短加固工期、降低加固成本。对大多数典型的中小学校舍，多数墙体每面增设70mm板墙时，增加的重量刚好超过考虑压实系数后的地基承载力，需要进行地基和基础加固。而多数墙体每面增设60mm板墙时，增加的重量一般会小于考虑压实系数后的地基承载力，可不再进行地基基础加固，这样就明显缩短了工期、降低了加固工程造价，造价可减小20%～30%。

以北京市六十一中学公寓楼为例，该楼建成于1993年，2003年加建两层，地上共4层，建筑面积1435m2，横墙承重，未设置圈梁构造柱，采用预制楼板。经现场检测，砌体强度等级为MU10，一至四层砂浆强度分别为M5.0、M7.5、M7.5和M5.0。对大部分承重墙体采用现浇钢筋混凝土双面板墙加固（图4），部分墙体采用现浇钢筋混凝土单面板墙加固（图5、图6），采用喷射混凝土施工工艺进行施工。

3.外加圈梁-构造柱加固。砌体结构抵抗罕遇地震的能力主要依靠其整体性和延性，因此当砌体结构整体性不足时，需采用针对性的措施进行加强。砌体结构保证整体性和延性的措施主要包括：圈梁构造柱的设置、楼屋盖的形式及横墙间距的缩小等。当砌体结构圈梁构造柱不足时，可采用增设圈梁、构造柱、钢拉杆的方式进行加固。但该方法的缺点是对墙体本身的承载力无明显提高。

图4 结构加固平面图

图5 纵横墙交接处板墙加固节点

图6 板墙加固现场绑扎钢筋

4.隔震技术加固。采用隔震技术对老旧建筑进行加固，可以减少输入上部结构的能量，将原来由建筑结构构件塑性变形吸收地震能量，转变为由隔震层产生大变形并吸收地震能量，降低地震对上部结构的破坏，达到提高建筑结构抗震能力的目的。基础隔震加固时，一般仅对建筑结构基础部分施工，不影响上部结构的功能和正常使用，是一种经济适用的抗震加固技术，特别适用于高烈度区需加固的中小学校舍。

图7 西藏中学男生宿舍楼隔震支座布置图

图8 隔震加固施工步骤

以北京西藏中学男生宿舍楼为例，该楼为建于1985年的砌体结构，地上共6层，建筑面积为2564m2。该建筑为砌体结构，基础为条形基础，地上承重墙体1～3层采用100#红机砖、100#混合砂浆砌筑，4层以上墙体采用75#红机砖、75#混合砂浆砌筑，楼板为预制圆孔板，圈梁、构造柱及现浇楼板的混凝土设计标号均为200#。场地类别为II类场地，设计地震分组为第一组，后续使用年限40年。橡胶隔震支座设置在砌体房屋上部结构与基础之间受力较大的位置，如纵横向承重墙交接处等，该建筑的标准层平面和隔震支座布置如图7所示。

基础隔震技术应用在砌体结构加固工程中，墙体托换是重要环节，隔震支座施工难度较大。本工程采用双夹梁式托换，双夹梁由墙体两侧的纵向托梁和横向抬梁构成，横向抬梁的作用有两个：一是对两侧托梁的拉接作用；二是通过砖墙的“内拱效应”承担大部分竖向荷载，然后传给两侧纵向托梁，最后转换成隔震支座处的集中荷载。而托梁下的隔震支座，因其竖向刚度非常大，可作为整个墙梁构件的竖向支座。施工工序为：水准测量→室内外土方开挖→施工放样控制标高→上、下横向抬梁定位及墙体开洞→隔震层上、下部托梁及横向抬梁施工→待上、下托梁混凝土强度达到100%后支撑特制千斤顶→设置竖向位移监测点及监测器→隔震支座设计位置处构造柱及墙体切割→隔震支座安装就位→隔震支座下支墩施工→隔震支座上支墩施工→切割隔震层墙体，实现结构体系转换→砌筑隔震沟、挡土墙→浇筑底层楼板，主要工序施工现场照片如图8所示。

混凝土框架结构校舍抗震加固工程

汶川地震中，钢筋混凝土框架结构校舍的抗震性能明显低于预期，中小学建筑中柱距一般较大，梁截面较大，容易导致强梁弱柱；以往的常规设计中未考虑楼板的影响，也导致了梁的抗震承载力高于柱承载力；框架结构相对较柔，易产生大的变形，地震作用下附属结构的破坏也导致了很多人员伤亡；框架结构的框架柱同时是抗侧力构件和承重构件，框架柱破坏后容易出现倒塌。钢筋混凝土房屋的结构体系和抗震承载力不满足要求时，可选择下列加固方法：

1.直接加固原构件的方法。当原框架结构的梁柱承载力不足或抗震构造措施不足，但侧向刚度可满足要求时，可以对原框架构件采用增大截面、粘贴碳纤维/钢板、外包型钢等方法。当侧向刚度不足，可采用增大截面的方法。

2.提高楼层综合抗震承载力的加固方法。直接对框架构件进行加固的方法成本较高，因此多数情况下框架结构采用增设抗震墙/翼墙、钢支撑、消能支撑等方法进行抗震加固。在校舍加固工程当中，针对校舍抗震构造措施不满足乙类建筑抗震设防标准，而抗震构造措施的提高在部分情况下极难通过加固技术实现，并且构造措施的加固会极大破坏室内环境，学校无法正常上课的情况，以提高校舍抗震承载能力为主导，可以通过采用消能减震技术大幅提高结构的综合抗震承载力，消能减震子结构大部分位于校舍外部，并不影响学校的内部使用功能，也大大减少了对学校环境的破坏。以下为使用消能减震子结构进行加固的四个典型案例：

1.以北京十一学校初中部教学楼抗震加固为例，该教学楼建成于2000年，为5层现浇钢筋混凝土框架结构，建筑面积7000m2，按照规范要求建筑后续使用年限定为50年。经现场检测、原有图纸核查、抗震鉴定验算，该结构抗震构造措施及抗震承载力验算均不满足国家相关规范要求，需进行抗震加固。最终选用增设金属剪切型阻尼器（外贴式）加固方案，结构首层阻尼器平面布置如图9所示。结构每层设置14个阻尼器，全楼共设置70个阻尼器，两个方向的附加阻尼比分别为3.7%和4.5%。阻尼器消能方向的初始刚度值为75kN/mm，屈服荷载为150kN，屈服位移2.0mm。阻尼器极限位移为60mm，极限荷载约为237kN。

图9 结构首层阻尼器平面布置图

图10 加固前示意图

图11 加固后示意图

图12 阻尼器安装大样

图13 1-1剖面大样

如图10～图13所示，在原框架边柱外侧增设短墙，用于阻尼器安置；边梁外侧加宽，用于约束短墙，边梁加宽部分，通过键槽、植筋、角钢卡件等与原边梁连接；短墙与阻尼器直接设置柔性连接；

为减小新老结构连接设计的难度，限制单个阻尼器的出力上限为250kN。同时，为避免因边梁加固造成结构出现“强梁弱柱”形式的破坏，对边梁加宽区域的配筋进行了严格控制。加固施工及施工完成后建筑立面照片详见图14～图15。

图14 加固施工中

图15 加固后建筑立面

图16 十一学校采用金属剪切型阻尼器加固

图 17 采用VFD加固的丰台实验学校

图18 安装消能子结构的平谷区第一职业学校

2.另一个例子是北京十一学校高中教学楼，该楼采用钢筋混凝土框架结构，高度为23.46m，共6层，平面尺寸为19.2m×99m，底层层高5.46m，其他各层层高均为3.6m。框架柱采用了C30混凝土，大部分尺寸为600mm×600mm。加固采用的剪切型钢板阻尼器初始刚度为9.5×107N/m，初始屈服力为190kN，屈服后刚度为3.27×106N/m，极限位移70mm，一共设置了84个剪切型钢板阻尼器。在室内采用了与钢支撑组合布置的方式（图16），对于边框由于建筑立面的限制，采用与初中部教学楼相同的外贴式。

3.丰台实验学校综合楼采用钢筋混凝土框架结构，高度为13.47m，共4层（第5层为局部塔楼），平面尺寸为 40m×20m，底层、2～4层层高分别为4m和4.5m。框架柱采用了C30混凝土，大部分尺寸为450mm×450mm。采用外贴消能子结构方式加固（图17），共设置了34个黏滞流体阻尼器（VFD），阻尼系数为3×105N.s/m，速度指数为0.35。

4.平谷区第一职业学校综合实验楼1号楼始建于1996年，采用钢筋混凝土框架结构，地上共5层，四层为轻质彩钢屋顶，仅在周围有框架柱，顶部直接座彩钢屋顶，五层为局部塔楼，布置于建筑两端，混凝土强度等级为C30。采用外贴附加消能子结构方式进行加固，分别在1～3层共布置66根屈曲约束支撑（图18）。