校安工程中混合結(jié)構(gòu)教學樓的加固設計和構(gòu)造

吳勁恒

(廈門市住宅設計院有限公司，福建廈門 361008)

0 引言

汶川地震后，為使學校校舍達到重點設防類抗震設防標準，并符合對多種自然災害的防災避險安全要求，國務院決定加快實施全國中小學校舍安全工程，對各級各類城鄉(xiāng)中小學存在安全隱患的校舍進行抗震加固、遷移避險，提高綜合防災能力。其主要任務是集中重建整體出現(xiàn)險情的D級危房、改造加固局部出現(xiàn)險情的C級校舍，消除安全隱患。

據(jù)2008年調(diào)查，我國一些地區(qū)中小學校舍有相當部分達不到抗震設防和其他防災要求，C級和D級危房仍較多存在;尤其是20世紀90年代以前和“普九”早期建設的校舍，問題更為突出。因此，需要進行加固改造或拆除重建的校舍數(shù)量不少。這就要求肩負著建筑安全設計的結(jié)構(gòu)工程師們，不僅要有過硬的理論水平和設計能力進行新項目建設，還要有很強的分析能力和實踐經(jīng)驗進行舊項目改造。

結(jié)構(gòu)的加固改造，有其特有的設計理念和工作思路，不同于新建工程?，F(xiàn)行規(guī)范中，加固方法和改造措施種類很多，只有根據(jù)具體項目的實際結(jié)構(gòu)，綜合考慮建筑的安全、功能、經(jīng)濟、環(huán)保等各方面要求，才能設計出實用性強、便于施工的合理方案。下面結(jié)合廈門海滄鰲冠小學教學樓的加固案例，就普通校安工程中加固改造項目的結(jié)構(gòu)設計要點和實際構(gòu)造措施進行簡單的闡述和分析。

1 工程概況和抗震鑒定

1.1 工程概況

本項目為小學教學樓抗震加固工程，磚混與框架混合結(jié)構(gòu)，設計建造于1994年，地點位于廈門市海滄區(qū)。建筑分東、西兩座(見圖1):東座4 層，平面長34.85 m，層高3.3 m，總高13.5 m，總建筑面積約1 246 m2;西座5層，平面長27.38 m，層高3.3 m，總高17.0 m，總建筑面積約1 322 m2見圖2。

圖1 1層～4層平面圖

該建筑的結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎設計等級丙級，場地類別Ⅱ類。原設計抗震設防烈度為7度(近震)，抗震設防類別為丙類?，F(xiàn)按抗震設防烈度7度(0.15g)，第一組，乙類設防類別進行抗震加固，抗震措施按8度設防考慮。

1.2 抗震鑒定

經(jīng)專業(yè)檢測單位進行抗震鑒定，得出主要結(jié)論為:

1)原建筑可不進行地基基礎的抗震鑒定。

2)原建筑仍存在如下抗震措施不足之處:

a.采用兩種結(jié)構(gòu)體系共同承重，不利于抗震;

b.東座、西座房屋總高度及西座的層數(shù)均不滿足鑒定標準的要求;

c.東座、西座的高寬比均不滿足鑒定標準的要求;

d.墻體砌筑砂漿的抗壓強度換算值部分不能滿足鑒定標準的要求;

e.外墻四角、樓梯間四角未全部設置構(gòu)造柱，不滿足鑒定標準的要求;

f.建筑局部尺寸不滿足鑒定標準的要求;

g.樓梯間休息平臺梁下未設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，不滿足鑒定標準的要求。

3)抗震承載力及變形驗算結(jié)果:

a.原建筑綜合抗震能力不滿足;

b.原建筑部分混凝土梁及混凝土柱承載力不滿足規(guī)范要求。

圖2 5層平面圖

圖3 5層局部柱加固變更

2 概念設計和加固方案

2.1 概念設計

1)校舍抗震加固應注重概念設計，并以提高結(jié)構(gòu)整體性、延性為目標。設計中應多方案比較，優(yōu)先選用既能保持原結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，又能不擾動原建筑地基基礎，且能避免截斷(或開鑿)主要受力構(gòu)件的加固方案。

2)加固設計中，應采取成熟、可靠、安全、環(huán)保的技術(shù)和材料，以防不穩(wěn)定技術(shù)和有害材料形成安全隱患。例如為減少結(jié)構(gòu)膠對學生健康的影響，不宜采用粘貼碳纖維加固;為防止火災下結(jié)構(gòu)膠失效對結(jié)構(gòu)安全的影響，不應采用粘鋼加固。

2.2 加固方案

經(jīng)過分析和比選，本工程基本加固方案如下:

1)針對砌體結(jié)構(gòu)建筑綜合抗震能力、砂漿抗壓強度換算值、房屋總高度與高寬比、西座層數(shù)以及建筑局部尺寸等不滿足鑒定標準的要求，采用板墻加固法。本方法實用可靠，施工簡單，費用較低，但影響建筑使用空間。

2)針對房屋外墻四角、樓梯間四角、樓梯休息平臺梁下未全部設置構(gòu)造柱，不滿足鑒定標準的要求，采用板墻加固法。

3)針對存在兩種結(jié)構(gòu)體系共同承重，不利于抗震的情況，分別對砌體和框架結(jié)構(gòu)進行加固補強，提高結(jié)構(gòu)整體性。

4)針對部分混凝土柱承載力不滿足規(guī)范要求，采用外包型鋼加固法。本方法費用稍高，但施工相對簡單，基本不影響建筑空間。

5)針對部分混凝土梁承載力不滿足規(guī)范要求，采用鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿面層加固法。本方法費用稍高，但施工簡單，加固效果良好，不影響建筑空間。

3 整體分析和補充計算

3.1 整體分析

1)結(jié)構(gòu)計算模型應符合加固過程和加固后結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)(承載或卸載)。

要特別注意以下幾點:a.正確判別新增構(gòu)件所承擔的荷載;b.新增構(gòu)件引起原有構(gòu)件的受力變化;c.加固施工過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的變化。

2)本工程結(jié)構(gòu)整體分析采用PKPM系列軟件中鑒定加固(JDJG)模塊進行電算。

3.2 補充計算

PKPM鑒定加固設計程序應用時間短，還有不完善之處，且實際工程有些復雜構(gòu)件尚無準確的簡化模型，因此設計中不能過分依賴程序，對電算結(jié)果應分析判斷后采用，必要時應輔以手算復核。本工程主要補充計算有如下幾種方法。

3.2.1 板墻加固法——加固后樓層綜合抗震能力指數(shù)

原墻厚240 mm，砂漿強度等級不大于M2.5，雙面板墻加固2×70 mm。

1)根據(jù)《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》第5.3.8條，雙面板墻加固且總厚度不小于140 mm時，樓層抗震能力增強系數(shù)可按增設混凝土抗震墻加固法取值。

2)根據(jù)第 5.3.12 條和公式(5.3.10)，ηij=2.8，樓層抗震能力的增強系數(shù)

3)根據(jù)第5.1.4和第 5.3.7條，加固后樓層綜合抗震能力指數(shù)，βs=ηwi·ψ1·ψ2·β0=3.8 ×1 ×1 ×0.28(最不利)=1.064 ＞1，滿足要求。

3.2.2 外包型鋼加固法——加固后柱整體承載力

柱四角外貼角鋼∠75×5，角鋼與外圍的鋼綴板－50×4焊接。

1)根據(jù)《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》第6.3.4條，加固后角鋼作為縱向鋼筋、鋼綴板作為箍筋進行計算，材料強度乘以規(guī)定的折減系數(shù)。2)根據(jù)第6.3.5條，柱加固后正截面受彎承載力My=My0+0.7·Aa·fay·h，斜截面受剪承載力 Vy=Vy0+0.7·fay(Aa/s)·h，經(jīng)驗算均滿足要求。

3.2.3 鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿面層加固法——加固后梁新增鋼筋承載力

梁底采用6×7+IWS金屬股芯鋼絞線(公稱直徑4 mm)補強，Ⅰ級聚合物砂漿抹面。

1)根據(jù)抗震鑒定報告，梁JL1寬250 mm，原底筋為HRB335級，配筋缺少240 mm2，不足的鋼筋抗拉值為240×300=72 000 N。

2)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》第P.3.3條，新增梁底鋼絞線網(wǎng)為6Φr4@40，抗拉強度設計值1 050 MPa，受拉鋼絞線網(wǎng)的強度利用系數(shù) ψrw=(0.8εcu·h/x － εcu－εrw，0)/(frw/Erw)=0.99。新增鋼筋抗拉值π×22×6×1 050×0.99=78 300 N＞72 000 N，滿足要求。

3.2.4 植筋加固法——植筋錨固深度

1)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》第12.2.2 條 ～12.2.5 條，植筋錨固深度設計值 ld≥ψN·ψae·ls=(ψbr·ψw·ψT)·ψae·(0.2·aspt·d·fy/fbd)。

2)C25混凝土中，HRB335鋼筋的植筋錨固深度設計值，Φ12:ld≥1×1.1×1 ×1.1 ×(0.2 ×1 ×12 ×300/2.7)=323 mm，Φ14:ld≥1×1.1×1×1.1×(0.2×1×14×300/2.7)=377 mm，Φ16:ld≥1×1.1×1×1.1×(0.2×1×16×300/2.7)=430 mm。

3)植筋基本錨固深度也可查標準圖集《07SG111-1》中相關表格。

4 現(xiàn)場變更和實際構(gòu)造

4.1 現(xiàn)場變更

1)加固改造項目，特別是原結(jié)構(gòu)設計資料不詳?shù)捻椖浚O計人員應隨時跟蹤收集現(xiàn)場施工信息，并及時進行分析整理:a.對原建筑實際結(jié)構(gòu)與設計假設不符的，應根據(jù)實際情況變更加固方案;b.對現(xiàn)場施工條件無法滿足設計要求的，應根據(jù)現(xiàn)場情況改變加固方法;c.對已按設計要求完成施工的部位，應做好后續(xù)觀測和資料歸檔，認真總結(jié)經(jīng)驗。

2)本工程在施工過程中，出現(xiàn)的主要變更有:a.西座5層平面中，半圓形結(jié)構(gòu)的框架柱均位于4層懸挑梁外端，與下層柱無貫通。此部分柱原采用外包型鋼法加固，后改為單面加大截面法加固(見圖3)。b.2層?軸外側(cè)有一道高壓線，與墻體平行且相鄰1 m左右，影響施工操作，經(jīng)申請無法移除。?軸1層～5層墻體原均采用雙面板墻加固，后將2層～5層改為內(nèi)側(cè)單面板墻加固，同時加大內(nèi)側(cè)板墻厚度。c.本工程屬超高超層的抗震加固工程，且為兩種結(jié)構(gòu)形式混合的不利結(jié)構(gòu)。在施工過程中，發(fā)現(xiàn)東、西側(cè)兩個半圓形附屬框架結(jié)構(gòu)存在以下不利情況:大部分框架柱上下層錯位較嚴重，柱體混凝土開裂剝落較多，原柱體混凝土標號低材質(zhì)疏松;實際結(jié)構(gòu)抗震性能差，且不利于抗震加固措施的實施，如柱外包角鋼無法上下貫通、柱體材質(zhì)不利于植筋要求等。

建議拆除兩個附屬框架結(jié)構(gòu)未獲批準，后將上下層錯位的柱改為加大截面法加固。

4.2 實際構(gòu)造

1)抗震構(gòu)造措施對于實現(xiàn)建筑抗震概念設計目標有著舉足輕重的作用。加固改造項目中的抗震構(gòu)造措施，既要滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，也要符合原有建筑的實際情況。

圖4 柱外包型鋼改進大樣圖

2)本工程根據(jù)實際結(jié)構(gòu)，改進了一些構(gòu)造措施:a.根據(jù)原框架柱出現(xiàn)上下層錯位，外包角鋼無法貫穿樓板的情況，改進了外包型鋼加固的樓層大樣(見圖4)。b.根據(jù)柱加大截面加固時，框架梁處部分柱筋不能上下層貫通的情況，改進了相應的樓層大樣(見圖5)。c.根據(jù)外包型鋼加固時，原有磚墻導致柱角無法外包角鋼的情況，改進了柱與磚墻相連接時外包型鋼的樓層大樣(見圖6)。

圖5 柱加大截面改進大樣圖

圖6 柱與磚墻相連時外包型鋼大樣圖

5 結(jié)語

校安工程，直接關系廣大師生的生命安全，關系社會的和諧穩(wěn)定。其中的加固改造項目，有其特有的設計理念，需要結(jié)構(gòu)設計人員充分運用專業(yè)知識并積極進行現(xiàn)場調(diào)查，才能設計出安全適用的合理方案，為將學校建成最安全、家長最放心的地方作出自己的一份貢獻。

［1］國辦發(fā)［2009］34號，關于印發(fā)全國中小學校舍安全工程實施方案的通知［Z］.

［2］福建省住房和城鄉(xiāng)建設廳.福建省中小學校舍加固改造設計指導意見［Z］.2009.

［3］王亞勇，姚秋來.廈門市中小學校舍抗震加固設計指南［Z］.2010.

［4］廖文彬，李紹祥.廈門市中小學校舍抗震加固設計研討會專家組意見［Z］.2010.