某中学教学楼抗震加固设计与施工技术探讨

李 凯

（甘肃泓文建筑设计有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在《建筑抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）、《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023-2009）、《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116-2009）中，对中小学建筑抗震设计提出了更高的要求。很多学校都在对教学楼进行核查，对不符合要求的，都在陆续有效地加固现有建筑，提升结构安全性，以求防患于未然。本文以某教学楼为例，介绍合理的加固设计和施工技术，为中小学建筑抗震加固施工提供借鉴。

1 抗震加固方案应遵循的原则

在设计教学楼的抗震加固方案时，应充分考虑安全、实用、合理、经济等方面的因素，遵循以下原则：（1）应该与当地抗震鉴定所的报告相结合，合理制定抗震加固方案，并正确选择部分构件加固、区段加固以及建筑整体加固的施工技术，使建筑拥有更强的整体性，保证各个构件能够承受更强的力，在整体上提升建筑的抗震能力；（2）仔细比较各种施工方案的优劣，与先进的施工方法相结合，保证原结构与加固部件之间的可靠连接，协同工作[1]；（3）在考虑新增部件和加固的过程中，应对其可能产生的不利影响进行减少或消除，从整个建筑结构的综合抗震能力出发，既对薄弱部位的抗震构造进行加强，又要使产生新薄弱部位的情况得到避免；（4）当加固设计与原结构所用的材料相同时，应将原结构材料的实际强度作为加固材料最低强度标准。

2 建筑结构抗震加固设计

2.1 柱加固设计

基于原框架存在柱配筋数量少、轴压比过大等情况，决定使用增大截面的方式开展教学楼加固设计，对柱的截面进行增大并不会对建筑的使用和功能产生影响[2]。结合边柱和中柱的差异，分别采用在三边和四边对截面进行增大的方法，进而保证新加箍筋和纵筋都能够使构造设计和结构设计满足要求。为了使新旧混凝土能够更好地发挥出作用，每隔30mm处使用U型箍连接一次原结构与新加纵筋，在原柱内进行U型箍植筋。在柱内楼层标高处增设纵筋，楼板上下使用角筋贯穿，因为不能破坏框架梁，中部纵筋需要适当弯折，在能够贯通时应尽量贯通，不能贯通的应将下端种筋植入梁内，并使用短筋补足断开削弱的钢筋。

2.2 梁加固设计

教学楼3层、4层X方向框架梁，因为原结构缺少足够的配筋以及跨度较大，改建后准备作为图书室和教室使用，可能需要较大的荷载，利用碳纤维加固需要较高的费用投入，并且也增大了对应框架柱的截面。所以，经过对比判断，决定采用对梁的截面进行增大的方法，这种加固方法在处理梁柱节点方面较为简单。

对梁进行加固需要增设较大数量的纵筋，而增加截面只存在有限的宽度，需要分两排完成纵筋布置，从而为混凝土浇捣构建有利条件，同时应该利用U型箍植筋的方式连接原梁与新加构造腰筋和纵筋。对于配筋需求较少的Y方向和X方向梁，应该利用粘贴碳纤维的方式加固，如图1所示。部分梁支座处缺乏足够的负弯矩承载力，可以将现浇楼板当做梁的翼缘，同时为了施工更加方便，可以将碳纤维粘贴在梁顶楼板，从而避免因节点柱打断而产生锚固处理问题。

图1 梁碳纤维加固示意

3 抗震验算

3.1 加固设计的抗震验算

与国家的相关标准相结合，对影响构造的因素进行综合分析，准确评定抗震能力的指数，相关验算公式如下：

（1）楼层平均抗震能力指数：

式中：

i——第i楼层；

β——横向或纵向墙体平均抗震能力指数；

A——横向或纵向抗震墙在1∕2层高处的总净截面面积，其中只包括高宽比小于4的墙段截面面积；

Ab——平面建筑面积；

ξ0——横向或纵向抗震墙的基准面积率；

λ——烈度影响系数。

横 墙：ξ0i=0.0237，Ai∕Abi=0.22×8×5∕（11×3.3×11）=0.022，λ=0.7，βi=1.319。

纵墙：ξ0i=0.0183，Ai∕Abi=（0.9×9+3+2.7+3×1.1）×0.22∕（11×3.3×11）=0.0118，λ=0.7，βi=0.711。

（2）楼层综合抗震能力指数：

式中：

βci——第i 楼层的横向或纵向墙体综合抗震能力指数；

ψ1——体系影响系数；

ψ2——局部影响系数。

ψ1=1.0，房屋尽端设楼梯间项，ψ2=0.8，横墙βci=1.055，纵墙βci=0.57。与计算结果相结合，证明横墙抗震承载力达到了相关加固标准以上，纵墙抗震承载力低于相关加固标准，纵墙抗震主要通过构造来满足[3]。

3.2 验算建筑结构整体抗震性能

在该教学楼抗震加固工程中使用PKPM软件，结合新的改建设计，将荷载布置在原结构模型上，使用JCCAD程序验算地基基础，使用SATWE程序验算上部结构。因为不会在较大程度上改变其功能，主要是隔墙位置产生变化，新建设计与原建筑的总荷载值相差不大。与原地勘报告相结合，修正后拥有100kN∕m2的地基承载力，在计算导荷后，地板拥有85kN∕m2的平均反力，结合检测结论，该工程不需要加固地基基础。对于上部结构的验算，只有部分指标能够满足相应的规范要求，如平均层间位移、最大层间位移、剪重比以及周期比等。但第三层以及底层大部分框架柱的轴压比都比相应的规范限值大，已经严重缺乏承载力。计算建筑层间弹性位移，Y方向和X方向的最大层间位移角分别为1∕447和1∕411，都没有达到相关的规范要求。建筑四层及以下的箍筋、梁的纵筋以及框架柱大部分都无法满足规范要求。所以，该工程抗震加固施工主要围绕柱、框架梁开展，对梁截面以及柱截面进行适当加大，并采用碳纤维加固的方式处理配筋不足的梁。

4 施工技术

4.1 裂缝修补施工

在裂缝修补施工的准备阶段，应彻底清除墙面抹灰层，并用工具标注出墙体裂缝存在的具体位置，需要先修补存在裂缝的墙体，才可以开展后续施工。在裂缝修补施工中应严格遵守以下施工规范：（1）使用压力灌浆法修补墙体裂缝，将定量的胶质悬浮液融入纯水泥浆中制作灌浆液，从而使浆液拥有更好的黏合能力和可灌性，对建筑砌体强度进行增强；（2）使用108胶作为胶质悬浮剂，其主要成分为聚乙烯醇；（3）使用普通硅酸盐水泥进行灌浆，其强度等级应为42.5，水使用天然纯净水或饮用水；（4）合理配置水泥聚合浆，具体配合比见表1。

表1 水泥聚合浆配合比

4.2 钢筋施工

该工程的钢筋施工主要包括柱、梁扩大截面的钢筋施工，因为构件需要较多的配筋并且只有有限的新增截面尺寸，导致很大几率上会出现钢筋过密的问题。这时施工中最需要考虑的问题就是如何对保护层厚度和钢筋间距进行合理控制。为了使这些问题得到有效解决，在开展钢筋施工前应结合原构件配筋、新增钢筋以及新增截面尺寸等情况完成新梁柱钢筋截面布置图的绘制，在图上进行模拟放样，保证新增钢筋配置的合理性，对于不满足施工条件的构件应该及时采取修改措施[4]。在开展各个构件的实际施工前，应该与设计图纸相结合，对实际的配筋情况进行检查，如有不符合处，需要对构件放样图进行重新修改，在施工前确保能够在图上成功放样。对于布置钢筋有困难的构件，应在不影响设计和建筑质量的前提下，对局部截面进行放大。

4.3 面层施工

面层施工钢筋的规格尺寸应该根据教学楼楼层的不同加以确定，使用A6钢筋进行二层至顶层面层施工，使用A8钢筋进行底层面层施工，选择强度等级为M10的水泥砂浆，面层厚度为35mm。钢筋网外应设置厚度在10mm以上的保护层，钢筋网片与原墙面应保持5mm以上的空隙。使用S 形的A6 穿墙筋连接钢筋网，穿墙筋间保持600mm间距，呈梅花状布置。在进行面层施工时，应该遵循以下施工规范：（1）如果原墙面存在松散的部分，应先将松散部分清除，并配置1∶3的水泥砂浆进行抹面，同时应清除存在松动现象的勾缝砂浆。另外，在面层施工前，应该用水润湿原墙面；（2）应该先按设计图纸在墙上标出穿墙筋和锚筋的位置，然后才可以进行墙面钻孔，并且钻孔位置应选在砖缝处，在空洞中插入锚筋后应该在空隙中灌满水泥砂浆并抹平；另外应该注意在钻孔的过程中尽量避开原有钢筋；（3）在钢筋网铺设过程中，应该靠近墙面铺设竖向钢筋并支起钢筋头，并保证在墙面上固定钢筋网时必须牢固平整；（4）抹水泥砂浆的过程中，应该先完成墙面刷水泥浆的工序再分层抹灰，每层应控制15mm以内的厚度，且层数必须在3层及以上；必须压实抹灰，避免有露筋、裂缝以及空隙等不良现象出现；（5）在完成面层施工后，应该重视养护工作，定期洒水，避免阳光暴晒，对于原墙面脱开或干裂的情况进行预防；（6）如果门窗樘与墙面之间的缝隙小于U形筋的直径，可以在门窗樘上钻孔。

4.4 模板施工

教学楼加固工程对梁、柱截面进行扩大，只会使用尺寸较小的模板，但却有较为复杂的形状，尤其是在梁侧边截面扩大处安装模板时，需要对混凝土浇筑施工问题进行充分考虑。为了使混凝土浇捣更加方便，同时为了扩大植筋施工的操作面，需要先凿除梁侧大约1.5m的原楼板。在制作以及安装完梁钢筋后，需要同时对梁模板与楼板进行支模，柱模板楼板顶板四周需设置浇捣口，从而为顺利浇筑混凝土提供保障。

4.5 碳纤维加固施工

（1）应该根据设计内容进行尺寸放样，规范地对碳纤维布进行裁剪。同时，应结合相关的规定，准确衡量加固树脂的固化剂和主剂，并保证两者搅拌均匀。

（2）碳纤维沿长度方向片材最少应保留10cm 的接头，在碳纤维布粘贴前，应该在碳纤维布以及混凝土粘贴部位均匀涂抹环氧树脂，然后拉紧碳纤维布粘贴至预定位置，并且在粘贴滚筒、刮板时沿统一方向进行反复滚拖，直至碳纤维布边缘渗出胶料，确保内部无气泡。

5 结束语

综上所述，中、小学学校建筑的抗震性能在近年来越来越受重视。在该教学楼抗震加固工程中，加固设计和施工技术的选用都较为合理，能够使教学楼的抗震要求得到有效满足，具有一定的研究和推广意义。