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现有房屋抗震加固性能

发布时间:2016/9/28 14:39:56    浏览量:496次

摘要:文章结合国家最新抗震设计规范和抗震加固标准,分析了现有校舍存在的问题和抗震性能,简单介绍了抗震结构整体性抗震加固方法。通过某中小学砌体结构校舍抗震鉴定结果,具体分析了校舍存在的问题并给出了加固已建。最后结合鉴定结果,对底层进行水平地震作用下的墙体截面抗震验算及分析。

关键词:汶川地震 砌体结构 抗震加固 抗震设计

1 引言

在震惊中外的5.12 汶川地震中,因为学校、医院等人员密集场所的房屋建筑抗震设防水平偏低,造成大量人员伤亡,引起社会各界对密集场所建筑抗震设计的关注。国务院及教育部要求从2009年起,用3年时间,对地震重点监视防御区、7度以上地震高烈度区、洪涝灾害易发地区、山体滑坡和泥石流等地质灾害易发地区的各级中小学存在安全隐患的校舍进行抗震加固、迁移避险,提高综合防灾能力,使学校校舍达到重点设防类抗震设防标准,并符合其他防灾避险安全要求;其他地区按抗震加固、综合防灾要求,集中重建整体出现险情的危房、改造加固局部出现险情的校舍,消除安全隐患。建立健全所有中小学校、所有校舍的安全档案,确保将学校建成最安全、家长最放心的地方。依据地震后新颁布的《建筑工程抗震设防分类标准》及《建筑抗震加固技术规程》规定,幼儿园、小学、中学的教学用房以及宿舍和食堂,抗震设防类别应不低于重点设防类,即不低于乙类。对存在安全隐患的校舍,要立即停止使用,并委托有相应资质的单位进行抗震鉴定,根据鉴定结果制定出抗震加固方案,及时改造加固。

据初步统计我国大量中小学教学楼采用砌体结构,特别是2001年以前建设的校舍,其中相当一部分不能满足目前的抗震设防要求。

2 现有校舍存在的问题分析

 通过汶川地震后中小学校舍的破坏情况以及对现有中小学校舍的勘探与调查,发现我国中小学校舍存在的问题如下:

1.大部分中小学的学校建筑(教学楼、学生公寓、食堂等)均建于80-90年代,因设计年代远,绝大部分为砖混结构,抗震设计参考以前的设计规范,远远低于抗震要求。主要问题有:建筑高度超限;横墙间距超限,建筑物整体性差;抗震构造中,大部分建筑的圈梁、构造柱措施均不符合《建筑抗震设计规范》7.3 规定设置,导致房屋的整体性差、抗震性能差,承重结构的连接构造无法保证结构安全;建筑材料不满足抗震鉴定标准;砌筑砂浆、砌体材料等强度偏低,导致抗震节点构造差,大部分砌体均有裂缝,局部挑梁接近破坏,局部建筑物有地基下沉,房屋整体性差等;由于设计年代比较久,长期的建筑物自然条件和人为条件,有的建筑墙体已开裂,竖向承载力不够,导致地基下沉现象。

2.现有建筑物较少或没有考虑防止倒塌或连续倒塌等问题

根据有关资料统计,汶川地震造成四川省大约13779间学校受损,受损面积约有2489.96万平方米,此次地震之所以造成人员伤亡惨重,主要是大部分中小学校建筑物的严重破坏,出现倒塌甚至连续性倒塌。建筑物倒塌或连续倒塌是各种灾害袭击时人员伤亡和设备损毁的主要威胁。

3.人员疏散通道的安全性

地震发生后,由于人员逃生的本能往往造成建筑物的走廊、楼梯等疏散通道内骤然间人员密度加大、流动性加强,一旦疏散通道发生倒塌,就会造成群死群伤的严重后果。汶川地震中,就发生了多个建筑物局部倒塌的楼梯间下集中死亡的事例。在地震后的调查中也发现很多人员伤亡都集中在过道、走廊、出口附近,有的事例中甚至出现在出口附近多达七、八层尸体的现象。因此,在建筑物抗震设计时应保证结构疏散通道的合理性和特大地震下的抗倒塌性能至为重要。

3 校舍抗震能力分析与结构加固

3.1 校舍抗震能力分析

最新调查显示,我国大多数现行中小学校舍为砌体结构,因此加强对砌体结构抗震性能分析和抗震加固是必不可少的。

砌体结构属于脆性材料结构,通过砌块和砂浆的互相作用及纵横墙的拉结而达到具有一定承重能力和抗震性能。砌体结构的抗拉、弯、剪的强度较其抗压强度低,砌块之间的连接较差,虽然设置了钢筋混凝土构造柱、圈梁等加强措施,但当遇到强震时,在复杂的地震波作用下,砌块之间的连接容易被破坏,导致砌体离散,受力构件破坏,建筑物垮塌。由于砌体结构变形能力小、抗震性能差等缺点,在高烈度地区,墙体一般由于平面外的失稳而先行破坏,进而引起整个房屋倒塌。有些校舍建筑还存在着楼梯间布局不合理的现象,如将楼梯间布置在建筑物端部。由于楼梯间与建筑主体部分刚度相差很大,地震时结构容易产生扭转变形导致破坏。楼梯间的圈梁和构造柱没按规范设置也是产生震害的重要原因。

研究发现砌体结构地震后破坏特征有以下几种形式。砌体房屋的地震震害主要取决于细部构造和墙体,其主要破坏特征和敏感部位如下:

1) 墙体或楼(屋)面层的开裂、脱落,室内装饰物的脱落;

2) 砌体本身应力集中处易产生斜裂缝,在刚度变化处如转角墙、房屋端部和凹凸处易产生裂缝;

3) 墙间、墙与楼(屋)盖与附属结构的连接处因受震联系而产生裂缝;

4) 平行于主震方向的主要承重墙体易发生开裂、滑移甚至局部掉角或塌落,构件联系破坏。

3.2 砌体结构主要抗震加固措施

砌体结构抗震加固施工方法主要有外加固法,内加固法,夹板墙加固法。外加固法一般结合砖混结构的层数及抗震鉴定的结果,需要在建筑外侧增加不同数量的构造柱、圈梁以及保证构造柱、圈梁和抗震墙体协同工作的拉杆。这种方法一般不占用室内建筑面积,对用户影响较小,但对建筑立面造型影响较大。内加固法基本原理同外加固法,也需要增设构造柱、圈梁及拉杆,必要时,如原有抗震墙体间距过大,需加设抗震墙体,内加固法不会改变建筑立面造型,一般适用于像学校、医院等公共建筑。夹板墙加固法为在加固原有抗震墙体的基础上提高抗震性能,目前最常用的是钢筋网水泥砂浆面层加固法和混凝土板墙钢筋网面层加固,即在要加固墙体的单面或双面加设钢筋网,用锚筋、插入短筋、拉结筋等方法把钢筋网四周与楼板或大梁、柱或墙体连接。国内外的试验表明,M10混合砂浆砌筑的240mm厚砖墙,通过夹板墙加固,墙体抗剪能力比原砖墙提高2倍以上。除此外还有对单个混凝土构件或砖砌体构件加固方法。对于砖混结构中的单个构件,如砖柱、混凝土柱、大梁、窗过梁等构件,一般采用以下几种方法:对于独立砖柱,通常采用外包混凝土法、外包角钢法等;对于独立混凝土柱,采用外包混凝土加大截面法和粘钢法等;对混凝土大梁采用粘钢法和贴碳纤维布法等方法;柱采用混凝土加大面积法加固时,可以提高构件的竖向承载力和水平力刚度,当采用外包角钢时,只能提高构件柱子的竖向承载力。但这种方法有使用面积小、使用简便的优点,选择加固方案时应根据实际情况,有针对性的进行选择。

4 砌体结构校舍抗震加固设计算例

以下以一座多层砌体教学楼为例,说明砌体结构校舍抗震加固的计算,并给出了加固措施。

某小学教学楼为四层砌体结构,其建筑平面图如图一所示。教室楼板为预制空心板,外走廊及屋盖为现浇钢筋混凝土板,楼梯采用现浇钢筋混凝土结构,总建筑面积1480,现已投入使用近30年,在基准使用期内所在地区抗震设防烈度为7度,根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB5023-2008)的相关规定,其抗震设防分类提高为重点设防类(简称乙类),对该建筑进行抗震鉴定,发现该工程综合抗震能力不符合国家标准要求,部分结构构件静力承载力不足。

 

4.1 抗震鉴定结果

经查看建筑的地质勘探报告、施工图纸、竣工图纸和工程验收文件等原始资料,并检查建筑现状与原始资料相符合的程度、施工质量和维护状况等,发现相关非抗震的缺陷,据建筑结构的结构布置、特点和抗震承载力等因素,采用逐级鉴定的方法进行综合抗震分析,发现该建筑结构部分构件静力承载能力不足,各层综合抗震能力指数均达不到规范要求,抗震鉴定结果如下:

1) 场地和地基基础

根据《建筑抗震鉴定标准》的相关规定,经现场检查,该地基基础被评为无明显严重静载缺陷,可不进行地基基础的抗震鉴定。

2) 上部结构

a) 结构体系

表一上部结构体系部分参数与规范限值对比

 

 结构体系鉴定如表一,可见标准刚性体系基本满足要求,结构体系存在薄弱环节,结构平面布置不规则,楼梯间布置于房屋转角处导致楼梯受力型式不合理;承重的门窗间墙体最小宽度为0.72m,不满足鉴定标准要求;承重的钢筋混凝土柱截面配筋不足,部分挑梁支座验算截面超筋;砂浆抗压强度推定值为1.7MPa3.10MPa;实测柱、梁强度推定值为18.9MPa-33.8MPa。

b) 整体性构造连接

预制板与主体结构的连接构造较为薄弱,预制板支承处无座浆,预制板在墙上支承长度不满足鉴定标准规定的限值要求,部分所检预制板水泥砂浆面层在梁上支承处未布置有拉结钢筋,未发现墙上支承处布置有拉结钢筋。

c) 各层均未设置圈梁与构造柱

据检测数据并结合设计施工图,对楼层平均抗震能力指数计算结果表明各楼层纵横墙平均抗震能力指数均小于1,考虑构造影响系数后的楼层综合抗震能力更低,本工程综合抗震能力不符合鉴定标准要求。

4.2 抗震加固设计

根据抗震鉴定书出现的缺陷,结合实际勘查的情况,需要对建筑结构进行整体计算分析,以楼层综合抗震能力指数为控制目标,按照相关规范、规程的构造要求,对不满足现行规范要求的整体抗震性能及局部构件承载能力,采取提高承载能力与提高变形能力的措施对建筑抗震加固。

(1) 由于该建筑平面形状为Z形,平面布置不规则,楼梯间设置在房屋转角处,刚度较弱且楼梯梁均为悬挑结构,平面刚度在楼梯间处出现突变现象,形成抗震不利的薄弱点。因此在楼梯间增设纵横向抗震墙,减少结构扭转效应,改善楼梯受力性能,使加固后的结构质量和刚度分布较为均匀,改善楼梯受力性能,增强楼层的抗震能力。新增抗震墙的墙体厚度240mm ,采用砖强度等级Mu15、砂浆强度等级M7.5砌筑;抗震墙设置基础,为防止新旧地基的不均匀沉降造成墙体开裂,新增基础宽度不小于计算宽度的1.15 倍;新增抗震墙与原有墙体可靠连接,在新砌抗震墙与原墙间加设现浇钢筋混凝土柱,柱与原墙应采用锚筋、销键或螺栓连接;墙体中应设置钢筋细石混凝土带或钢筋网片加强,墙顶设置与墙等宽的现浇钢筋混凝土压顶梁,并与楼、屋盖的梁板可靠连接。

(2)现浇钢筋混凝土板墙或双面钢筋网砂浆面层加固墙体,提高墙体的抗震承载能力。对不满足静力承载能力及抗震承载能力要求的一至四层纵墙以及部分横墙采用单面现浇钢筋混凝土板墙加固,部分横墙采用双面钢筋网砂浆面层加固。钢筋网砂浆强度等级采用M10,面层厚度为35mm,钢筋网采用呈梅花状布置的锚筋、穿墙筋固定于墙体上。钢筋混凝土板墙的混凝土强度等级采用C20,板墙厚度采用80mm,板墙与原有楼板、周边结构构件采用短筋、拉接钢筋可靠连接;板墙上设置基础,以原建筑基础为条石基础,基础持力层为坡积粘性土。

采取以上措施,墙体应满足抗震承载能力及静力承载能力的计算要求,经过加固使得墙体在平面内及平面外的抗弯强度、抗剪强度及延性均得到较大的提高,以第一层纵墙综合抗震能力指数为例计算如下。

(a)计算依据:

《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116-2009)

(b)基本资料:

一至四层横墙墙厚,纵墙墙厚,局部纵墙墙厚。实测砖抗压强度推定等级为MU7.5 ,砌筑砂浆抗压强度值为1. 7MPa—3.0MPa 。

(c)一层新增抗震墙纵墙综合抗震能力指数计算:

根据《建筑抗震加固技术规程》楼层增强系数

        (式1)

(d)一层纵墙综合抗震能力指数计算:

根据《建筑抗震加固技术规程》墙段增强系数     (式2)

纵墙采用钢筋混凝土板墙单面加固,

根据计算结果,一层纵墙抗震抗剪强度设计值为0.12—0.16MPa,取最大值0.16MPa。

纵墙墙厚时,

局部纵墙墙厚,

根据《建筑抗震加固技术规程》楼层增强系数

         (式3)

根据《建筑抗震加固技术规程》

   (式4)

所以

根据《建筑抗震加固技术规程》第5.3.1.2条,面层加固后,墙体局部尺寸的影响系数可取1.0,查《标准》表5.3.3- 2得:

房屋尽端设楼梯间,,由鉴定表可知,一层纵墙平均抗震能力指数,所以一层纵墙综合抗震能力指数,满足要求。

通过采取墙体面层加固、增设抗震墙等加固措施,使得原来综合抗震能力指数均低于1. 0 的一至四层纵横墙经加固后其综合抗震能力指数均达到大于1.0的抗震设计要求,加固前后楼层综合抗震能力指数汇总如下表二所示,并且相邻上一楼层综合抗震能力指数不大于下一楼层的20%。

表二 楼层综合抗震能力指数加固前后验算结果汇总表

 

(3)外加圈梁——钢筋混凝土柱加固,加强砌体结构的整体性,提高建筑物的变形能力。外加柱应在建筑四角、楼梯间和不规则平面的对应转角处设置,并应根据房屋的设防烈度和层数在内外墙交接处隔开间或每开间设置,外加柱应由底层设起并沿房屋全高贯通。同时在各层新增圈梁或钢拉杆,新增构造柱与新增圈梁或钢拉杆形成闭合系统,为砌体结构提供有效的约束,提高结构的延性及抗震性能。外加柱与圈梁应采取措施与原墙体可靠连接,圈梁或钢拉杆和钢筋混凝土构造柱的设置不仅加强了砌体结构的整体性,提高了变形能力,还提高了砌体的抗剪和抗压承载能力。

(4)加强预制板的整体性及其与主体结构的连接对教室预制预应力混凝土空心板增设钢筋混凝土现浇层加固如图二所示,现浇层厚度不应小于40mm ,分布钢筋有50%的钢筋穿过墙体,另外50%的钢筋可通过插筋相连,现浇层应采用呈梅花形布置的L形锚筋或锚栓与原楼板相连,以加强现浇层与原有楼面结构的整体性。在预制板板端支承梁处增设角钢与预制板板端连接,增加预制板的支承长度,同时增强预制板与主体结构的连接,加固大样如图三所示。

 

 

(5)静力承载能力不足构件的加固处理对承载能力不足的钢筋混凝土柱及部分挑梁构件,采用增大截面加固法使之满足承载能力要求。

5 总结

地震造成人民生命财产损失的主要原因是建筑物破坏与倒塌,对不满足抗震设防要求的砌体结构房屋进行抗震加固,是减轻地震灾害的有效措施。我国校舍建筑的结构特点、使用状态,更容易在地震中遭受严重的人员伤亡和经济损失,如何最大限度的减轻地震对校舍建筑造成的危害?对既有校舍建筑的抗震能力进行综合性分析与评估并基于整体性考虑进行抗震加固是现实、可行的措施。目前国内存在大量不符合抗震设防要求的校舍建筑,进行抗震加固的任务十分艰巨,目前迫切需要开展这方面的工作。对不符合抗震设防要求的砌体结构校舍要快速进行加固。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院.JGJ116-2009建筑抗震加固技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] 中国建筑科学研究院.GB50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3] 由汶川地震引发对建筑物抗震设计的思考

[4] 王亚勇,戴国莹.建筑设计规范算例[M].北京:中国建筑工业出版社,2006。

[5] 康兆光.校舍建筑抗震能力分析与结构改造加固[J].应用指南.2009.4

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