外廊式砌體結(jié)構(gòu)的抗震分析與加固

李文盛，代艷輝 （長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

5·12汶川地震中，大量學(xué)校建筑物倒塌造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，這些引發(fā)了社會(huì)各界對(duì)學(xué)校建筑物抗震安全性的更多關(guān)注。為此，國(guó)家教育部及相關(guān)單位投入大量人力和物力對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)現(xiàn)有中小學(xué)建筑物進(jìn)行抗震評(píng)估、鑒定、加固，使其能夠達(dá)到相應(yīng)安全等級(jí)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震中受害最嚴(yán)重的均為采用典型外廊式結(jié)構(gòu)型式的中小學(xué)教學(xué)樓。筆者通過(guò)對(duì)地震中外廊式結(jié)構(gòu)建筑物的破壞現(xiàn)狀進(jìn)行描述，進(jìn)而分析該種結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，最后通過(guò)工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明增設(shè)外廊柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震的影響。

1 外廊式砌體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀描述及分析

圖1 教學(xué)樓平面布置圖

圖2 水平裂縫

砌體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)材料——砌塊的材質(zhì)比較簡(jiǎn)單，且具有就地取材、穩(wěn)定性好、隔聲和保溫隔熱性較好、價(jià)格相對(duì)較低，可節(jié)省造價(jià)、施工難度相對(duì)較小的特點(diǎn)。由于砌體結(jié)構(gòu)整體性較差，需要采取更多的抗震加強(qiáng)措施，如圈梁、構(gòu)造柱等，故在高烈度的地震區(qū)，砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓等仍然是震害最嚴(yán)重的建筑［1］。據(jù)規(guī)定［2］，小學(xué)普通教室每間不小于50m2，中學(xué)普通教室每間不小于56m2，這種大開(kāi)間、大采光窗的建筑抗震墻面積少不利于抗震。此外，中小學(xué)教室層高較高 （小學(xué)教室層高不低于3．1m，中學(xué)教室層高不低于3．4m），學(xué)校建筑物大多采用單面外走廊的形式，這種建筑形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能造成如下不利影響：①單片墻體抗側(cè)剛度小，冗余度低，變形能力弱，整體性不好，抗震性能較差，容易發(fā)生破壞。圖1所示為典型教學(xué)樓平面布局，由于砌體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，設(shè)計(jì)時(shí)往往只對(duì)橫向重點(diǎn)考慮抗震驗(yàn)算，忽略了縱向的抗震驗(yàn)算。由于縱向通常設(shè)置了大面積的采光窗，導(dǎo)致立面墻體較少且不連續(xù)，相對(duì)縱墻面積少，墻體抗拉、抗剪強(qiáng)度低，因而在平行建筑長(zhǎng)方向地震作用下，很容易受到破壞，主要表現(xiàn)為墻體出現(xiàn)水平裂縫 （見(jiàn)圖2）、斜裂縫、“X”形裂縫 （見(jiàn)圖3）等。圖4所示為汶川地震中某棟中學(xué)教學(xué)樓破壞狀況，可以看出其破壞方向并不是橫向，而是處于縱向方向。②由于結(jié)構(gòu)形成單跨懸挑的受力體系，造成建筑自重偏心作用很明顯，同時(shí)，該受力體系在地震作用下，立面開(kāi)洞較大處 （例如縱墻缺失的樓梯間）率先失效破壞，并迅速產(chǎn)生連鎖倒塌效應(yīng)。圖5、圖6所示分別為臺(tái)灣 “9·21”集集地震中的2棟教學(xué)樓。圖5所示教學(xué)樓設(shè)有外廊柱，且開(kāi)窗面積較小，墻體連續(xù)，雖已建成30年，震后僅發(fā)生輕微損壞。圖6所示教學(xué)樓走廊懸挑無(wú)柱支撐，窗間墻體亦不連續(xù)，雖建成不足5年，卻在地震中倒塌［3］。因此，通過(guò)增設(shè)整排的外廊柱，可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)增加，結(jié)構(gòu)抗震性能大為改善。

圖3 X向裂縫

圖4 教學(xué)樓縱向破壞

圖5 有外廊柱教學(xué)樓

圖6 無(wú)外廊柱教學(xué)樓

2 實(shí)例分析

在鑒定中小學(xué)建筑物時(shí)，根據(jù)不同情況可將建筑物分為3類(lèi)，即完好類(lèi)型 （不需任何處理可繼續(xù)使用）、加固類(lèi)型 （通過(guò)加固處理可正常使用）和拆除重建類(lèi)型 （陳舊老化嚴(yán)重?zé)o加固價(jià)值）。

福建省閩侯縣某小學(xué)教學(xué)樓，整體為5層，建筑總長(zhǎng)為30．6m，進(jìn)深為8．8m （走廊1．9m），層高3．6m （見(jiàn)圖7）。地震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震等級(jí)為二級(jí)。由于該建筑物建造于20世紀(jì)90年代，受當(dāng)時(shí)條件限制，各構(gòu)件材料的實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)均較低。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該建筑結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件材料的實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)分別為：砌塊M10；砂漿M0．4；梁C15；柱C20。通過(guò)分析上述構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)并依據(jù)文獻(xiàn) ［4］和 ［5］等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行鑒定，鑒定結(jié)果為該建筑物經(jīng)加固處理后可正常使用，并以此為依據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算及后期的加固設(shè)計(jì)。首先根據(jù)鑒定結(jié)果并結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算分析，運(yùn)用通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM進(jìn)行建模計(jì)算。由于砌體結(jié)構(gòu)中墻體為主要受力構(gòu)件，墻段的受壓承載力與抗震性能跟建筑物的整體抗震能力直接相關(guān)，故提取模型中加固前與加固后的墻體的受壓承載力計(jì)算結(jié)果、水平地震力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析 （分別選取圖8、圖9、圖10、圖11所示建筑物第1層的相關(guān)計(jì)算結(jié)果作為代表）。通過(guò)對(duì)加固前后各縱橫墻墻段的受壓承載力、水平地震力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)加固后縱橫墻墻段的受壓承載力、水平地震力計(jì)算結(jié)果相對(duì)加固前均有很大幅度提高，由此說(shuō)明外廊式砌體結(jié)構(gòu)增設(shè)外廊柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載力與抗震能力的提高提供了較大幫助。

其次，進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)。結(jié)合計(jì)算結(jié)果和相關(guān)資料，依據(jù)文獻(xiàn) ［6］和 ［7］，采用如下加固方案，即在外走廊一側(cè)窗間墻段中間增加壁柱，粘貼鋼筋網(wǎng)并噴射細(xì)石混凝土 （增大墻段抗壓承載力），在懸挑梁端增設(shè)構(gòu)造柱。

圖7 教學(xué)樓平面圖

圖8 加固前1層墻體受壓承載力計(jì)算圖

圖9 加固后1層墻體受壓承載力計(jì)算圖

表1 抗力分析結(jié)果

圖10 加固前一層水平地震力計(jì)算結(jié)果

圖11 加固后1層水平地震力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)地震后學(xué)校建筑的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，對(duì)其中普遍采用的外廊式砌體結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析。通過(guò)對(duì)某小學(xué)教學(xué)樓的加固實(shí)例進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)中的外廊柱能夠分擔(dān)部分走廊的豎向荷載，并使部分墻體破壞的時(shí)間延后，增強(qiáng)了砌體結(jié)構(gòu)縱橫向墻段的受壓承載力、抗側(cè)移剛度，從而提高砌體結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。該研究可以為今后學(xué)校建筑的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

［1］林煌斌，曾琦芳 ．中小學(xué)教學(xué)樓的特點(diǎn)及地震災(zāi)害控制 ［J］．南方建筑，2006（12）：85-90．

［2］GBJ99-86，中小學(xué)校建筑設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］．

［3］張嘉祥，陳嘉基，呂國(guó)維，等 ．九二一集集地震學(xué)校建筑震害探討 ［J］．土木技術(shù)，2000，（27）：98-116．

［4］GB50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn) ［S］．

［5］GB50023-2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn) ［S］．

［6］JGJ116-2009，建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程 ［S］．

［7］GB50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］．