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中小学校舍抗震加固方法探讨

日期：2016-3-15 19:11:04　来源：互联网　浏览数：
　

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引言
    我国是一个地震多发的国家。2008 年5 月12 日，四川省发生了里氏8. 0 级地震，震中位于汶川县映秀镇，震源深度14km。2010 年4 月14 日青海省发生了两次地震，最高地震震级7. 1 即，震中位于玉树县县城。地震导致地面的建筑物严重破坏，从继而引起的巨大的财产损失和人员伤亡，中小学人员密集且学生逃生能力很弱，后果更为严重。因此我国10 新抗规规定中小学校舍的防灾抗震能力要比普通民用建筑的要高一等级。由于经济原因，我国建设初期的校舍抗震设计安全系数偏低，在89 年以前的校舍建筑有相当数量的房屋采用的是混合结构形式，此结构形式对抗震相当不利。鉴于汶川地震的惨痛教训，国家对校舍的安全问题的更为关注，因此国务院要求用三年时间解决全国中小学建筑的抗震安全问题。目前全国大部分地区已完成了校舍抗震安全普查工作。加固施工混乱，加固设计工作缺乏足够的规范依据是目前加固工作难以开展的主要原因。笔者依据已有的加固设计项目进行归纳总结，希望与各位从事加固设计行业的同行共同探讨。
    1· 中小学建筑抗震缺陷分析
    目前，我国中小学校舍中砖混结构和钢筋混凝土结构占了较大比例，少数贫困边远的山区有砖木结构还有部分其他结构。根据抗震排查或抗震鉴定结果，中小学校舍在构件方面的抗震缺陷主要表现在以下几方面［1］［2］［3］:
    ( 1) 结构的承重构件材料强度不足: 主要表现为钢筋混凝土结构的主要承重构件混凝土强度等级低于C20 甚至低于C15，砌体结构墙身的材料强度过低，甚至部分建筑还存在明显的偷工减料现象等原因造成墙体抗震承载力不足，承压不足。此外，施工质量差也是造成抗震缺陷的重要原因。
    ( 2) 框架结构混凝土构件配筋不足: 框架梁柱箍筋不足，纵筋不足或者框架柱轴压比限值不符合新规范要求导致构件承载力不够以致造成破坏。
    中小学校舍在体系方面的抗震缺陷主要表现在以下几方面:
    1. 1 单跨或单向钢筋混凝土框架结构: 在我国早期建设中，为了达到的通风和采光的双重目的，单面走廊形式曾经倍受中小学教学楼设计师的青睐，而结构形式必然也只能相应采用单跨框架结构体系。然而，此种结构形式抗侧移刚度较小，在遭遇强烈地震时只要单个竖向构件发生破坏很快能引发结构的连续倒塌，结构冗余度极小，耗能能力很差。我国10《建筑抗震设计规范》明确规定，甲乙类的建筑以及高度大于24m 的丙类建筑，不应采用单跨框架结构; 即使高度不大于24m，丙类建筑也不宜采用单跨框架结构。
    1. 2 砌体结构的抗震体系薄弱: 砌体结构中缺少圈梁、构造柱等构件的拉结作用，甚至一些老建筑的楼面为装配式预制板、木楼板等; 另有一些虽然布置有圈梁构造柱等拉结构件，但由于新旧规范的差异，拉结构件数量不足导致结构抗震体系薄弱。
    1. 3 砌体结构中的层数及高度超限: 汶川地震后，我国对抗震规范进行了修订。10 年新《抗规》的对砌体结构的层数和高度都进行了更为严格的限制，这使很多校舍无法满足新规范的要求。
    1. 4 建筑的结构形式混乱: 在一些边远山区，由于经济条件有限，很多校舍采用内框架的机构形式，或者部分砌体部分框架的结构形式。此类结构大多尽可能地少用混凝土框架以满足经济目的，导致框架和砌体承重墙的承载力和变形能力很不协调，平面抗侧刚度极不均匀。
    2· 加固方法探讨
    由于不同建筑的情况千差万别，而房屋加固处理措施也是各种各样，好的加固方案会事半功倍，反之则形同虚设，不但伤财劳命，甚至适得其反。针对中小学校舍的抗震缺陷，本文归纳了针对结构构件缺陷和体系缺陷两面的加固方法，希望对从事加固设计行业的技术人员有所借鉴。
    2. 1 构件局部加固方法
    2. 1. 1 加大截面加固法
    此法是最早期的加固方法，加固理念很简单，就是通过增加构件的截面来达到提高承载力的目的。最常规的做法是采用比原结构强度略高的材料来增大原结构混凝土构件的截面。钢筋混凝土梁一般是采用增大高度或同时增大高宽( 宽度一般两边同时增大) 加固。钢筋混凝土柱则常常用四面围套，以防止改变原结构受力。这种方法有时还用于采用现浇叠合层加固钢筋混凝土楼屋面板顶面等情况。
    加大截面法的对于提高构件的抗剪、抗弯以及抗压承载力十分有效，对于柱加大截面法还可有效提高结构的整体抗侧刚度，尤其适用于钢筋混凝土结构抗震加固。而加大截面加固法的缺点则是，现场浇筑混凝土需要振捣，湿作业工作量大，混凝土养护周期又较长，导致加固方案实施过程延长，而且如果构件截面明显增大还可能影响到房屋的正常使用，所以并不是很受现场施工欢迎。
    砌体结构中的承重墙体采用夹板墙也属于这种加固方法的范畴。通过钢筋网砂浆面层加固的墙体，其抗侧刚度和强度明显提高，变形能力也有加强。原墙体和震后开裂墙体的修复与加固此方法均适用。通过钢筋网砂浆面层加固后的墙体，开裂后仍具有较大的抗水平剪切能力，但其初裂荷载与破坏荷载比较接近，仍属于脆性破坏。加固后结构的抗侧刚度可提高1 ～ 3 倍，抗剪强度可提高1. 5 ～ 2 倍。因此，钢筋网水泥砂浆面层是一种适用于增加多层砖房抗震性能的较好的修复加固方法。但这种加固方法也存在湿作业时间长，施工比较不方便，现场较难保证施工质量的缺点［4］。
    2. 1. 2 外包型钢加固方法
    与加大截面法的原理基本一致，外包型钢加固方法一般是在原结构构件外包角钢和缀板，再采用必要构造措施来保证二者的共同工作，新旧材料形成格构构件来加大原构件截面尺寸，从而提高梁的抗剪及抗弯承载力，或者柱的抗剪和抗压承载力。与加大截面法相比，外包型钢加固方法虽然没有让原构件的截面加大很多，但由于焊接和安装工作比较麻烦，所用角钢和缀板等材料细小零碎，角钢锚固不易等缺点，依然不受设计师和施工单位的推崇。而且还由于梁的限制无法加缀板而影响该方法在框架节点区的加固效果，同时由于梁的存在，此法无法用于柱的抗弯承载力加固［1］。
    2. 1. 3 粘贴复合纤维材料加固法
    复合纤维加固法通过外贴FＲP 条带约束墙体进而阻止裂缝的开展。此法因材料高强、轻质，施工简便等优点而备受施工单位推崇，成为目前应用最为广泛的加固方法。经过FＲP加固后的砌体滞回曲线环饱满，骨架曲线下降段平缓，变形能力、延性、耗能能力等抗震性能都有明显改善，砌体的抗剪承载力、极限位移、开裂荷载等都有显著提高。但该方法因不能有效穿越节点区域，导致框架节点区的抗震加固效果较差。而且此方法也不能有效提高结构刚度，加固后的结构破坏常常是源于FＲP 材料与被加固材料在粘结面的剥离，未采取任何锚固措施的FＲP 过早发生了剥离破坏，使其作用无法得到充分发挥［5，6］。
    2. 2 体系加固方法
    2. 2. 1 增设支点加固法
    增设支点加固法属于改变结构传力路径的加固概念。例如前面我们提到的单跨框架校舍，如果我们仅从构件层次加固很难达到加固目的，这时就要从改变体系的角度来思考问题了。最直接的思想就是使既有结构变为双跨框架结构体系。这可以通过采用悬挑走廊加柱、框架柱加设混凝土翼墙、结合改造加楼梯间、加设剪力墙、加设减震阻尼支撑、加设钢支撑、等体外加固方法来更改结构型式以达到期望目的。采用在框架中加设钢支撑是一种便捷有效的加固方法。由于加设支撑后单跨框结构形成桁架受力体系，结构抗侧刚度有效提高。加设支撑后，结构构件的内力会出现变化，钢支撑的加设位置和加设数量都对加固效果有比较大的影响，尤其是与支撑连接部分柱的轴力增幅较大，因此在确定加固方案时，要在充分分析原结构受力特点的基础上，保证必要的、合理的构造措施，确保加设支撑后不会带来新的破坏。这种方法的优点是施工方便、加固费用较低和对原结构扰动较小。面对如今中小学校舍加固改造任务重、时间又紧迫的现实问题，钢支撑加固因其独特优势将在未来加固市场占据一席之地［7］。
    2. 2. 2 增设圈梁构造柱的加固方法
    这种方法是在砌体墙某些部位的外侧或内侧加设钢筋混凝土构造柱，利用构造柱与墙体共同承担地震作用来实现加固目的。实验证明，用圈梁、构造柱加固后的房屋结构，都能在很大程度上减轻灾害。采用设置拉结筋、同砌体适当搓接的现浇圈梁－构造柱系统，以较少的钢筋用量和尽量小的混凝土截面充当墙体的边缘构件作为墙体的一部分与墙体共同受力，不仅使墙体的承载能力、稳定性和抗震( 剪) 弧度有效提高，还保证了墙体的整体性，提高原结构的空间整体性和刚度、改善墙体在出平面及平面内延性。外加构造柱与各楼层的外加圈梁形成一个空间体系，使结构具有较为可靠的空间稳定性能，此方法能够有效提高原有结构的抗剪强度以及变形能力，在唐山地震后广受设计人员的推崇［8］。
    2. 2. 3 体外预应力体系加固技术
    体外预应力体系加固技术通过带有圈梁与构造柱的砌体结构加设体外预应力筋进行加固。预应力抗震加固技术适用于本身具备圈梁构造柱( 或设有圈梁) 的砌体结构。此法提高原结构抗震性能的渠道是在体外施加一定的预加力。体外预应力筋使砌体结构具有较好的恢复性能，其产生的约束力对限制裂缝开展有显著效果，有助于延缓结构损伤的进展并有助于减轻损伤，而且体外预应力筋加固能够有效地防止楼板与圈梁的脱空，提高了结构的整体性。预应力筋加固后的砌体结构能够耗散更多的地震能量从而提高了既有结构的抗震能力。
    因此，体外预应力体系加固技术为砌体结构提供了一种新的加固思维。但是由于此法的应用受被加固结构的结构形式与受力特点限制，应用空间并不很广［9］。
    2. 2. 4 减隔震法
    目前，减隔振技术正逐步地应用于新建工程的结构抗震设计中，应用减隔震技术加固后的建筑，上部结构的输入能量明显减少，因而地震对上部结构的破坏必然大幅度下降，此法通过以柔克刚的方式达到了提高建筑结构抗震能力的目的。隔震加固技术可以有效地减小原结构在地震作用下的楼层剪力，使其抗震设防烈度降低1 度甚至2 度，从而使其更易满足抗震鉴定标准的要求。
    与之前提到的所有加固方法相比，此法的加固思路从“硬抗”变为“疏导”，从最初由结构构件的塑性变形吸收地震能量，变为由利用隔震层的设置来吸收或隔绝地震能量，这是一种全新的抗震加固思维。对既有结构进行基础隔振或层间隔振，即对结构进行“间接加固”，同样能降低地震反应，这是结构抗震加固的更高境界。实践证明该方法虽然加固范围受到限制，但是应用起来经济有效［10］。
    3 ·结语
    与新建建筑结构设计相比既有结构的加固设计工作具有一定的特殊性。虽然结构的抗震加固方法众多，然而目前加固设计工作缺乏足够的规范依据，在实际工程中还是应该以经济、适用、安全为主要原则，结合建筑结构的实际情况，多种方法灵活、综合运用。传统截面加大加固方法有其经济可靠的优点，而新材料、新工艺与传统方法相结合的方式亦有其应用全景，也能在未来的加固行业中占据一席之地。希望通过本文对所有从事加固设计工作的技术人员有所帮助。