淺析教學(xué)樓加固

梅文勝

(中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410007)

2008年5月12 日，我國(guó)四川汶川發(fā)生里氏8級(jí)大地震，造成6.9萬人遇難，650多萬間房屋倒塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 500億元人民幣。世界上歷次震害和這次地震調(diào)查表明，建筑結(jié)構(gòu)的倒塌破壞己成為地震災(zāi)害中造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因，尤其是校舍倒塌情況極其嚴(yán)重。校舍的倒塌有一部分原因是施工問題，但究其本質(zhì)還是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身存在著許多問題，即使是國(guó)外一些施工質(zhì)量監(jiān)督較好的工程，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)仍會(huì)發(fā)生大面積倒塌。因此，我們不能在房屋發(fā)生倒塌破壞時(shí)武斷地認(rèn)為一定是施工原因。但令人感到欣慰的是即使是在結(jié)構(gòu)本身與施工質(zhì)量雙重問題影響下，一些在地震前加固過的校舍在地震中仍能屹立不倒。四川安縣桑棗中學(xué)地處綿陽(yáng)周邊，由于校長(zhǎng)的憂患意識(shí)將原本沒有通過驗(yàn)收的教學(xué)樓不斷加固，在“5·12”地震時(shí)，學(xué)校所在的安縣緊臨著地震最為慘烈的北川，校外的房子百分之百受損，而這所縣級(jí)中學(xué)僅是8棟教學(xué)樓部分坍塌，師生一切平安。

可見在教學(xué)樓本身存在問題無法避免的情況下進(jìn)行適當(dāng)?shù)目沟顾庸淌欠婪兜卣鸬葹?zāi)變荷載的有效措施。由于目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工存在著諸多問題，教學(xué)樓本身或多或少都有其結(jié)構(gòu)上的缺陷，一旦遇到地震等突發(fā)情況很難保證校舍不發(fā)生倒塌。因此有必要對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行適當(dāng)加固以保證師生的安全。

要使結(jié)構(gòu)加固后不發(fā)生倒塌，就必須基于對(duì)結(jié)構(gòu)在極端條件下倒塌破壞過程有深刻的認(rèn)識(shí)才能可靠、有效。在罕遇地震作用下，為了有效地保護(hù)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全，必須保證結(jié)構(gòu)不倒塌。即使退一步講，如果倒塌能遵循某種合理的形式，增加人員的逃生空間與時(shí)間，也可以減少人員生命和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)震后救助和家園重建也具有重要意義。

1 教學(xué)樓存在的問題

現(xiàn)在教學(xué)樓大多是框架結(jié)構(gòu)或者是磚混結(jié)構(gòu)，但歷次地震災(zāi)害表明兩者都不利于抗震。

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)柱弱梁依然沒有實(shí)現(xiàn)，梁的破壞都滯后于柱，塑性鉸無法在梁端形成而直接在柱端產(chǎn)生從而使框架柱失效(圖1、圖2)，其上的梁板產(chǎn)生懸鏈線效應(yīng)，相鄰的柱將承載更大的載荷，引起連續(xù)性倒塌。

對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)，在縱向地震作用下，中間橫梁下的框架柱(尤其是底層)是結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，而縱觀歷次地震，最先受損并破壞的都是此處，也就是說一旦破壞將造成結(jié)構(gòu)大面積倒塌的構(gòu)件是最先發(fā)生破壞的構(gòu)件，從而結(jié)構(gòu)在災(zāi)變荷載下容易發(fā)生連續(xù)性倒塌。在橫向地震作用下，由于承重的橫墻提供了抗剪能力，但是其抗震能力仍然較差。另外，砌體結(jié)構(gòu)校舍縱向墻體由于窗戶較大、開間較多、走廊多，在地震中顯得尤為脆弱，不能很好地起到抵抗縱向地震的作用。為了采光和通風(fēng)，大部分校舍在縱墻方向大量開窗，沿著走廊的方向幾乎沒有像墻一樣的支撐存在。因此，當(dāng)沿走廊方向地震來臨時(shí)，校舍很容易倒塌;但如果反過來是垂直走廊方向，則很難把校舍推倒，因此沿走廊方向是校舍的抗震薄弱點(diǎn)。

2 抗震加固的現(xiàn)狀

建筑結(jié)構(gòu)加固方法隨著經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)水平和人們觀念的發(fā)展而發(fā)展，進(jìn)入90年代以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，抗震加固新技術(shù)(如消能隔震)、新材料(如碳纖維、結(jié)構(gòu)膠)以及新工藝(如鉆孔、植筋)的出現(xiàn)，我國(guó)建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程(JGJ 16－98)的實(shí)施，從而使建筑抗震加固的手段愈來愈多且更加規(guī)范化。但同時(shí)帶來一些問題，如對(duì)構(gòu)件的加固，可以提高構(gòu)件的強(qiáng)度(即承載力)，但構(gòu)件加固后將改變結(jié)構(gòu)的整體抗震性能;如加大截面法將使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的剛度發(fā)生變化，從而引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、構(gòu)件內(nèi)力的變化以及剛度軟弱層和強(qiáng)度薄弱層的出現(xiàn)，而這些變化對(duì)結(jié)構(gòu)承載力及彈塑性變形能力會(huì)帶來不利或有利影響。這些都是目前的加固方法所沒有考慮的。

圖1 柱端出現(xiàn)塑性鉸

圖2 柱端出現(xiàn)塑性鉸

我國(guó)建筑抗震加固技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐大致可分為三個(gè)階段:第一階段為“應(yīng)急階段”，以1985年編制了《工業(yè)與民用建筑抗震加固技術(shù)措施》為分界;第二階段為“發(fā) 展 階段”，這段時(shí)間更多的采用加大截面法、外包鋼、粘鋼和加混凝土剪力墻、樹根樁加固地基等以鋼和鋼筋混凝土材料為主的所謂“硬”加固技術(shù);第三階段為“綜合階段”，對(duì)加固工程中的新材料、新工藝、新技術(shù)也開展了廣泛的研究。如今應(yīng)開始下一個(gè)階段的加固技術(shù)研究，可稱之為“整體階段”，從整體角度對(duì)結(jié)構(gòu)采取行之有效的抗震加固方法。

3 加固教學(xué)樓的方法

在現(xiàn)階段即綜合階段，加固方法眾多，比如植筋、外部粘鋼加固框架梁、粘貼碳纖維布等等，這些方法可以歸并為增加結(jié)構(gòu)的富余度，是對(duì)局部易損結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，這也是現(xiàn)階段的主要加固手段。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加鋼筋以提高其本身承受荷載的能力，這是很多設(shè)計(jì)師們經(jīng)常采取的措施。然而，當(dāng)專門加固某一構(gòu)件時(shí)并不一定對(duì)結(jié)構(gòu)有利。正如前文所述，當(dāng)某一構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度得到加強(qiáng)的同時(shí)其內(nèi)力分配也將發(fā)生變化，而且得到加固的構(gòu)件本身并不一定是關(guān)鍵構(gòu)件，這可能使另一關(guān)鍵構(gòu)件反而成了最容易發(fā)生破壞的構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能起到了反作用。所以，在加固教學(xué)樓時(shí)不能單純地加固某根構(gòu)件，而應(yīng)從整體考慮教學(xué)樓的冗余度和對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的分析后再做加固設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在學(xué)校一般是校舍加走廊式造型(圖3)，這是一種典型的單跨式結(jié)構(gòu)。假如校舍走廊另一側(cè)的柱子倒塌，則整個(gè)建筑將不可避免的發(fā)生追逐式整體垮塌，所以必須保證此處柱子不是最先破壞的構(gòu)件。一種行之有效的方法是在原有框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再設(shè)置一排冗余柱以增加跨度，并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的冗余度(圖4)，使結(jié)構(gòu)最先破壞的構(gòu)件成了構(gòu)造柱而不是關(guān)鍵構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的層次性更加分明。

實(shí)際上不只是框架結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)在存在很多門窗洞口的時(shí)候也會(huì)形成類似單跨框架的結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示。門窗洞口過多使縱墻形成單跨、每跨柱距很密的磚柱，在地震來臨時(shí)極易發(fā)生連續(xù)性倒塌。

圖3 走廊型校舍

因此對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)可以考慮在縱墻上加設(shè)冗余柱，并且這部分增加的冗余柱承擔(dān)部分載荷而不是單純的增加結(jié)構(gòu)整體性，使原有類似單跨框架的結(jié)構(gòu)富有更多的冗余性。中間構(gòu)造柱在地震等災(zāi)變荷載下可先行破壞耗散能量以保護(hù)其他關(guān)鍵構(gòu)件。更重要的是這樣設(shè)置后，邊柱的關(guān)鍵構(gòu)件將不再是最易破壞的構(gòu)件而使結(jié)構(gòu)的安全性大為增加。

圖4 加冗余柱后的校舍

圖5 梁平縣文化鎮(zhèn)小學(xué)校舍

圖6 映秀中學(xué)震后原貌

另一種新的加固方法是使結(jié)構(gòu)具有更好的層次性，以此來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在災(zāi)變荷載下同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)受力與破壞的層次性，使結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷災(zāi)變荷載時(shí)不會(huì)因某一構(gòu)件的破壞而發(fā)生追逐式倒塌。例如現(xiàn)在的大多數(shù)砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓僅為橫墻承重或縱墻承重，受力單一，缺乏受力層次性;且縱橫墻的材料都為砌體，其強(qiáng)度、彈性模量、延性都相同，缺乏材性的層次性。

筆者認(rèn)為，單純的砌體結(jié)構(gòu)的校舍加固首先需要考慮的是結(jié)構(gòu)整體上的層次性，在傳統(tǒng)無筋砌體教學(xué)樓中可以對(duì)其縱墻及連接縱墻的部分橫墻使用鋼筋網(wǎng)加固的方法進(jìn)行局部加強(qiáng)，使其具有足夠的強(qiáng)度與剛度。由于縱墻開洞較多形成巨大的空白區(qū)，整片墻的剛度不能從整體上考慮而是被分成多段區(qū)間。

按此加固后的教學(xué)樓最先破壞的構(gòu)件將很明顯地成為中間段的橫墻，而關(guān)鍵構(gòu)件成了兩邊的縱墻和連接縱墻的部分橫墻，這就實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的層次性，即使在遭遇罕遇地震的情況下結(jié)構(gòu)倒塌也能遵循合理的形式。

4 結(jié)束語(yǔ)

校舍破壞的原因是多方面的，尤其是單跨走廊式校舍冗余度極其不足，在地震災(zāi)害下極易發(fā)生追逐式垮塌。筆者認(rèn)為提高結(jié)構(gòu)冗余度是增強(qiáng)高層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下抗倒塌能力的重要途徑，而設(shè)置多層次的組合抗側(cè)力體系是提高結(jié)構(gòu)抗震的有效方法。我們?cè)诳紤]對(duì)教學(xué)樓加固的時(shí)候不能僅僅考慮某根構(gòu)件的破損或者某根構(gòu)件重要性高而對(duì)其加固，應(yīng)該從整體角度，秉著保護(hù)關(guān)鍵構(gòu)件并人為設(shè)置冗余構(gòu)件的原則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并得到最好的加固方案。我們應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗倒塌的加固而不是對(duì)局部易損構(gòu)件的加固，僅僅考慮局部的加固對(duì)結(jié)構(gòu)不一定是有利的。

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