連體磚混結(jié)構(gòu)不同處理方案的抗震安全性評(píng)價(jià)

宿鐵軍,周金順,趙 嶺,石玉青,劉 浩,李亞旭,陳 鵬

(1.勝利油田職工住房建設(shè)項(xiàng)目管理部,山東 東營 257000;2.中國石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580;3.浙江能源集團(tuán)浙江金衢麗天然氣有限公司,浙江 杭州 317000;4.中建八局一公司,山東 濟(jì)南 250100)

磚混結(jié)構(gòu)的建筑材料本身延性差,剛度大,抗拉、抗彎和抗剪強(qiáng)度低,抗震性能不高,加固需求大[1-3]。目前在非城市衛(wèi)生系統(tǒng)中,磚混結(jié)構(gòu)依然常見[4],醫(yī)療建筑屬于規(guī)范規(guī)定的重點(diǎn)設(shè)防類建筑[5],其抗震性能必須予以重視。由于功能需求,在醫(yī)院主體結(jié)構(gòu)之外會(huì)設(shè)計(jì)一些小結(jié)構(gòu)物。有些較小的結(jié)構(gòu),和主樓連在一起時(shí),抗震鑒定合格;但這樣設(shè)計(jì)不符合現(xiàn)行抗震規(guī)范的抗震理念,需要斷開連接并加做抗震縫處理,斷開之后的抗震性能需要重新分析。

并不是所有的結(jié)構(gòu)都適合加固:某些結(jié)構(gòu)加固的成本高效果一般,性價(jià)比不高;某些使用多種加固方案后驗(yàn)算抗震性能依然不符合要求;某些建筑本身已經(jīng)不大滿足使用需要,加固意義不大,不如拆除重建。因此在做出最終的加固決定之前,需要做加固可行性判定。為提高投資的效益,保證醫(yī)療單位使用安全和使用需求,本文做了基于PKPM的一層磚混結(jié)構(gòu)體檢樓斷開前后的抗震性能比較和加固可行性研究,可為類似工程提供參考。

1 體檢樓概況和抗震鑒定

某礦山企業(yè)CL衛(wèi)生院的體檢樓處于南面門診樓和北面病房樓之間,這種設(shè)計(jì)可方便門診部和病房部的病人體檢和取藥。南北向的大過道,除了溝通體檢房的交通,同時(shí)兼溝通門診樓和病房樓交通的作用。體檢樓主要房間是B超室、X光室等體檢設(shè)備房間和體檢房間,以及處于東部的藥房。為一層結(jié)構(gòu),無圈梁,少數(shù)部位有構(gòu)造柱。南面門診樓和北面病房樓均是4層磚混結(jié)構(gòu)。

圖1 體檢樓三維圖(左邊是南部門診樓,北面的病房樓未畫出)

由于不同年代設(shè)計(jì)理念的不同,該體檢樓和其南面和北面的樓在結(jié)構(gòu)上沒有分開,這在現(xiàn)行的抗震規(guī)范中是不允許的。因此,需要對(duì)此做斷開處理,斷開后在原連接處設(shè)置抗震縫。

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023-2009)第3.0.3條,B類建筑的抗震鑒定,應(yīng)檢查其抗震措施和現(xiàn)有抗震承載力再做出判斷。當(dāng)抗震措施不滿足鑒定要求而現(xiàn)有抗震承載力較高時(shí),可通過構(gòu)造影響系數(shù)進(jìn)行綜合抗震能力的評(píng)定;當(dāng)抗震措施鑒定滿足要求時(shí),主要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震承載力不低于規(guī)定的95%、次要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震承載力不低于規(guī)定的90%,也可不要求進(jìn)行加固處理[6]。

該結(jié)構(gòu)地基和基礎(chǔ)的鑒定無問題;單層結(jié)構(gòu),層數(shù)和高度均滿足要求;層高也滿足要求;抗震橫墻最大間距為6.6m,小于18 m最大間距;高寬比滿足要求;屋蓋為裝配整體式屋蓋,滿足要求;本建筑普通磚的強(qiáng)度為13.7,符合要求;砂漿為1.24,不符合要求;混凝土最低檢測(cè)值均超過C15,符合要求。墻體在平面內(nèi)沒有閉合,不符合要求;七度設(shè)防下單層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱設(shè)置沒有要求,雖無構(gòu)造柱也滿足要求;由于使用裝配式預(yù)制混凝土屋面板,無圈梁,不符合5.3.5條中3-1“外墻和內(nèi)縱墻屋蓋處和隔層樓蓋處應(yīng)有圈梁;內(nèi)橫墻屋蓋處和樓蓋處應(yīng)有圈梁,屋蓋處間距不應(yīng)大于7m”要求,但符合5.3.7條“現(xiàn)澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋與墻體有可靠連接的房屋,可無圈梁,但樓板應(yīng)與相應(yīng)的構(gòu)造柱有鋼筋可靠連接”,由于單層結(jié)構(gòu)簡單,故此項(xiàng)判定符合規(guī)范。另外部分墻體有明顯空鼓、粉刷酥堿,局部承重墻體上發(fā)現(xiàn)裂縫。綜合以上,判定該單層結(jié)構(gòu)一級(jí)鑒定基本滿足,可以通過修繕加固彌補(bǔ)砂漿強(qiáng)度低、墻體粉刷層空鼓和墻體有裂縫的問題,通過加鋼拉桿圈梁的方式加強(qiáng)墻體未圍合處的整體性。

對(duì)沒分割之前的體檢樓驗(yàn)算得知,抗震驗(yàn)算合格(見圖2,各個(gè)R/S值均大于1),受壓承載力驗(yàn)算合格,高厚比計(jì)算合格,承載力計(jì)算合格且較高。由于該體檢樓為一層結(jié)構(gòu),無主梁,因此未作墻體局部承壓驗(yàn)算。因此判定該樓抗震鑒定基本符合規(guī)范要求。

2 斷開處理前后四種工況介紹

由于體檢樓和南北兩樓之間必須做斷開處理,所以斷開之后的抗震性能如何,需要做研究;而有沒有必要對(duì)此做加固,也應(yīng)針對(duì)斷開處理后的結(jié)構(gòu)做判定。

本文進(jìn)行了基于PKPM的磚混結(jié)構(gòu)體檢房的加固可行性判定,主要對(duì)未斷開的原始結(jié)構(gòu)、斷開之后未作加強(qiáng)只做了重砌的結(jié)構(gòu)、斷開之后做了加固的結(jié)構(gòu)和新建的做了抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)等四種工況的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析,并做了成本方面的比較,最后結(jié)合醫(yī)院的未來發(fā)展規(guī)劃給出了建議。

建模時(shí)保證結(jié)構(gòu)尺寸基本一致,使用材料基本一致,以保證可比性。

工況1:未斷開的原始結(jié)構(gòu)(未設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁);

工況2:斷開之后未作加強(qiáng),只重砌了墻(未設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁);

工況3:做了斷開處理之后,斷開處墻端設(shè)置了構(gòu)造柱,并使用鋼拉桿代替圈梁做了加強(qiáng)(未設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁);

工況4:新建的做了抗震設(shè)計(jì)的相同結(jié)構(gòu)(設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁)。由于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)一層砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱設(shè)置沒有要求[7-8],因此本設(shè)計(jì)僅對(duì)外墻四角和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角處設(shè)置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱,同時(shí)對(duì)南北面墻體斷口處設(shè)置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱。由于裝配整體式鋼筋混凝土樓屋蓋與墻體有可靠連接,規(guī)范允許不設(shè)圈梁,因此根據(jù)墻體分區(qū)(最大橫墻間距不超過10 m)對(duì)內(nèi)外墻設(shè)置鋼筋混凝土圈梁。

3 不同處理方案(工況)的處理效果評(píng)價(jià)及對(duì)比

抗震安全性計(jì)算(處理效果)是指水平地震作用下砌體墻片的抗震抗剪強(qiáng)度計(jì)算。在PKPM中,磚混結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算是按照底部剪力法計(jì)算各層地震剪力,驗(yàn)算各片墻體和墻段的抗震受剪承載力,以抗力和效應(yīng)之比R/S值作為結(jié)果[9-10]。若數(shù)據(jù)大于1,即判定認(rèn)為安全。

基于4種工況的模型,對(duì)以上4種工況的抗震承載力計(jì)算進(jìn)行分析。工況1計(jì)算結(jié)果如圖2所示,4種工況整體計(jì)算數(shù)據(jù)見表1～表4。

工況2和工況1相比較,可以看出:即使斷開之后不進(jìn)行任何加固處理,斷開這個(gè)處理方式也能大大提高抗震性能。其中西區(qū)大段縱墻R/S值最大提高2.89,最小提高2.37;東區(qū)最大提高5.61,最少提高2.77。西區(qū)大段橫墻R/S值最大提高6.25,最小提高1.63;東區(qū)最大提高5.06,最少提高2.86。斷開處理后R/S值最大可以比原始結(jié)構(gòu)提高達(dá)109.84%,可見很有必要將該體檢樓與南面的門診樓和北面的病房樓的連接斷開。

圖2 工況1的抗震安全性驗(yàn)算結(jié)果(抗力與效應(yīng)之比)

表1 西區(qū)大段縱墻抗力與效應(yīng)之比

表2 東區(qū)大段縱墻抗力與效應(yīng)之比

表3 西區(qū)大段橫墻抗力與效應(yīng)之比

表4 東區(qū)大段橫墻抗力與效應(yīng)之比

工況3與工況2相比較,工況3的R/S值均比工況2的低,其中6個(gè)墻段低0.02,4個(gè)墻段低了0.01,剩下的墻段則增加了0.17和降低0.05;東區(qū)大段橫墻,抗震R/S值增加的有三段,分別為1.57,1.14和1.07,降低的也有三段,其中兩段為0.01,一段為0.06。分析可得:對(duì)于大段縱墻,加固處理比未經(jīng)加固處理,抗震性能得到微小提高;對(duì)于大段橫墻,大部分墻段,甚至略有下降,但下降基本很小,屬于持平。可見,斷開處墻端設(shè)置了構(gòu)造柱以及在與原南邊結(jié)構(gòu)墻體連接處墻上使用鋼拉桿代替圈梁這些加固措施,對(duì)增強(qiáng)抗震性能效果有限。

工況4與工況3相比較,工況4雖然是做了符合抗震規(guī)范設(shè)計(jì)要求的整體加固,其抗震R/S值比只在斷開處做了抗震加固處理的工況3,增加并不多,可見抗震性能提高很小。而且由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則,結(jié)構(gòu)剛度及其承受的地震效應(yīng),在做了符合抗震規(guī)范設(shè)計(jì)要求的整體加固之后,被重新分配,抗震R/S值局部出現(xiàn)了降低。

工況2、工況3及工況4相比可以得出:對(duì)斷口處進(jìn)行加固處理的工況和設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱等抗震設(shè)計(jì)的工況的抗震性能,確實(shí)要好于僅對(duì)斷口重砌磚墻的處理,但是抗震性能的提高十分有限。對(duì)東西區(qū)大段縱墻的抗震R/S值比較發(fā)現(xiàn),有抗震設(shè)計(jì)的工況4高于斷口進(jìn)行加固的工況3,而工況3高于只是重砌而無加固的工況2,但效果增長不明顯。但是大段橫墻的規(guī)律卻不一致,西區(qū)工況3的抗震R/S值普遍低于工況4和工況2,東區(qū)工況3也有50%的抗震R/S值低于工況4和2,可見對(duì)于斷口處進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),肯定可以提高大段縱墻的抗震性能,但是對(duì)于大段橫墻卻不一定。

鑒于斷開處理的工況2和未斷開的工況1相比能較大幅度的提高結(jié)構(gòu)抗震性能,而斷口處進(jìn)行加固處理的工況3以及按照設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱等抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的加固處理的工況4的抗震性能和工況2相比未能有效提高,建議對(duì)結(jié)構(gòu)斷開之后,只在斷口處做基本的修復(fù),不做加固處理。若預(yù)算充足,可在斷開處墻端設(shè)置構(gòu)造柱,在南邊結(jié)構(gòu)墻體斷開處墻上使用鋼拉桿代替圈梁加強(qiáng)整體性。

由于最近人們對(duì)健康越來越重視,對(duì)體檢的需求大增,農(nóng)村醫(yī)療保險(xiǎn)也對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院的體檢設(shè)施提出了更高的要求。最好的方案是在附近擇地新建框架結(jié)構(gòu)的體檢樓。

4 相同工況下結(jié)構(gòu)布置對(duì)抗震性能的影響

結(jié)構(gòu)布局的變化會(huì)造成結(jié)構(gòu)的不規(guī)則,進(jìn)而導(dǎo)致地震剪力的分配變化,影響到各處的R/S值。比如過道和墻體轉(zhuǎn)角,比如局部假設(shè)構(gòu)造柱或圈梁。

對(duì)相同工況的不同大段縱墻進(jìn)行比較分析。對(duì)西區(qū)大段縱墻的抗震R/S值進(jìn)行比較,4種工況下,南北兩片外縱墻均是大于內(nèi)走廊的兩片墻體,且內(nèi)走廊北面縱墻大于南面縱墻,北面外縱墻大于南面的。東區(qū)大段橫墻由于設(shè)置不規(guī)則,規(guī)律性不強(qiáng)。但是仍然可以看出,東區(qū)最北面的縱墻8的R/S值最低,這是因?yàn)樵搲ξ挥趬w轉(zhuǎn)角處,與其他墻體沒有連接;而與西區(qū)縱墻3處于同一線上的墻段7,R/S值是最高的,可見規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同等條件下可以提高抗震性能。

對(duì)相同工況的不同大段橫墻進(jìn)行比較分析。位于過道邊上的橫墻12的抗震R/S值明顯低于其他橫墻,這與位于空曠無連接的過道有關(guān),與其處于斷開處抗震性能被削弱有關(guān),和其處于兩種結(jié)構(gòu)布局交界處有關(guān)。未斷開之前西區(qū)大段橫墻的抗震R/S值十分接近,斷開之后各墻體的抗震R/S值差異拉大,可見斷開對(duì)結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和整體性造成了一定影響。東區(qū)大段橫墻各段橫墻工況3的抗震R/S值差異大于其他兩種情況,可見局部的圈梁和構(gòu)造柱加固在提高斷口抗震性能的同時(shí)影響了地震作用的分配。

5 結(jié) 語

老工礦企業(yè)的磚混結(jié)構(gòu)醫(yī)療樓,絕大部分都是多年以前修建的。很多磚混結(jié)構(gòu)由于建造年代較遠(yuǎn),材料性能在長期使用過程中發(fā)生變化、鋼筋銹蝕、地基不均勻沉降、墻體裂縫、墻體及地基遭受凍融作用粉化等,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不符合新的抗震規(guī)范的要求,或者直接未經(jīng)專業(yè)的設(shè)計(jì)。這些因素都嚴(yán)重影響了房屋的使用安全和抗震性能。而草率的做出拆除重建的決定,會(huì)造成對(duì)資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染,也是對(duì)該建筑剩余利用價(jià)值的漠視,并增加企業(yè)不必要的成本;草率的做出加固的決定,可能投資性價(jià)比很差。本文對(duì)必須做抗震加固處理的該棟磚混結(jié)構(gòu)體檢樓做了4種工況的抗震性能計(jì)算和對(duì)比,提出了僅斷開處理而不做全面抗震加固的建議,實(shí)現(xiàn)了投資效益的最大化。

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