閤東東 李興旺 韓龍勇
我國(guó)中小學(xué)學(xué)生在校人數(shù)約2億,校舍近40萬(wàn)所。中小學(xué)校舍屬于公共建筑,人員密度大,加之中小學(xué)生屬于自救互救弱勢(shì)群體,若校舍的結(jié)構(gòu)抗震性能不足,一旦遭遇大地震,造成的人員傷亡不可估量。國(guó)內(nèi)外歷次地震給我們帶來(lái)了慘痛的教訓(xùn),2008年5月12日,汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震,造成直接經(jīng)濟(jì)損失1200億美元,死亡失蹤8.7萬(wàn)多人,根據(jù)震后調(diào)查,在這次地震中四川省學(xué)生死亡人數(shù)達(dá)5335人,傷者達(dá)1.6萬(wàn)人,倒坍的校舍達(dá)到6898間;2010年4月14日晨青海省玉樹(shù)縣發(fā)生多次地震,震級(jí)最大為7.1級(jí),80%的小學(xué)和50%的中學(xué)校舍在此次強(qiáng)震中嚴(yán)重受損,共207名學(xué)生在地震中遇難。
汶川地震后,國(guó)家啟動(dòng)全國(guó)中小學(xué)校舍安全工程,對(duì)各級(jí)各類中小學(xué)校舍進(jìn)行排查、檢測(cè)、鑒定和抗震加固。對(duì)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行修訂,將中小學(xué)校舍的抗震類別由原來(lái)的一般設(shè)防類提高到重點(diǎn)設(shè)防類(由丙類提高到乙類)。
我國(guó)中小學(xué)校舍結(jié)構(gòu)形式以砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為主。砌體結(jié)構(gòu)由磚或砌塊通過(guò)砂漿粘結(jié)作用砌筑而成,與其他結(jié)構(gòu)形式對(duì)比,砌體結(jié)構(gòu)的自重大,側(cè)向剛度大;磚砌體呈脆性,其抗拉和抗剪強(qiáng)度都很低,強(qiáng)震作用下,易發(fā)生脆性剪切破壞,延性極差;砌筑砂漿和磚之間的粘結(jié)力較弱,無(wú)筋砌體的抗拉、抗彎及抗剪強(qiáng)度低,抗震及抗裂的性能較差;采用手工方式砌筑,砌筑質(zhì)量難以保證??蚣芙Y(jié)構(gòu)一般采用單跨外帶懸挑走廊的結(jié)構(gòu)形式,或者在走廊一側(cè)增加框架柱構(gòu)成兩跨或三跨框架結(jié)構(gòu)??蚣芙Y(jié)構(gòu)剛度較小,為柔性結(jié)構(gòu),強(qiáng)震作用下水平位移大,易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞和節(jié)點(diǎn)區(qū)域的破壞。
自2008年7月10日,北京市教委、市住建委、市規(guī)劃委、市發(fā)改委、市財(cái)政局聯(lián)合啟動(dòng)中小學(xué)校舍的排查鑒定工作后,截至2009年年底,全市共完成1799所中小學(xué)1470萬(wàn)平方米校舍的排查鑒定,鑒定結(jié)果如圖1所示。
圖1 中小學(xué)校舍檢測(cè)鑒定結(jié)果
北京市中小學(xué)校普遍存在的易發(fā)生震害的因素有以下幾個(gè)方面:
1.建筑開(kāi)間很大,層高一般較高,橫墻間距太大;
2.結(jié)構(gòu)形式不合理,如有些校舍采用單邊走廊甚至單邊外挑走廊,這類校舍在地震中極易發(fā)生倒塌,在汶川地震中,這類校舍倒塌損壞嚴(yán)重;
3.結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施缺失及不滿足規(guī)范要求,如砌體結(jié)構(gòu),70年代建筑沒(méi)有設(shè)置圈梁及構(gòu)造柱,80年代建筑雖設(shè)置了圈梁,但構(gòu)造柱缺失或太少,90年代建筑圈梁及構(gòu)造柱的主筋配置及箍筋布置不滿足要求等;
4.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)梁弱柱,特別是柱筋不足、箍筋不符合加密要求,抗震構(gòu)造措施不滿足抗震要求的建筑物約占43.8%,是建筑抗震改造加固必須重點(diǎn)解決的問(wèn)題;
5.部分北京市中小學(xué)校砌體結(jié)構(gòu)校舍樓梯間不滿足抗震要求,樓梯間是災(zāi)害逃生通道,大震中樓梯間破壞坍塌必然造成大量傷亡;
6.北京市中小學(xué)校砌體結(jié)構(gòu)校舍材料強(qiáng)度值偏低,特別是砌筑砂漿強(qiáng)度一般都小于M2.5,部分校舍歷史久遠(yuǎn),質(zhì)量更難以保證。
提高砌體校舍抗震能力的常用加固方法主要包括鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法、板墻加固法、外加圈梁-鋼筋混凝土柱法、隔震加固法等。
1.鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固。鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固鋼筋網(wǎng)采用呈梅花狀布置的錨筋、穿墻筋固定于墻體上;鋼筋網(wǎng)四周采用錨筋、插入短筋或拉結(jié)筋等與樓板、大梁、柱或墻體可靠連接。該方法工藝簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)較低,但對(duì)墻體承載力的提高有限。
以北京市六十一中20號(hào)教學(xué)樓為例,該樓建成于1993年,共3層,建筑面積2356m2,橫墻承重,未設(shè)置圈梁構(gòu)造柱,采用預(yù)制樓板。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),一至三層砌體強(qiáng)度等級(jí)分別為MU10、MU7.5和MU10,砂漿強(qiáng)度分別為M2.5、M5.0和M2.5。后續(xù)結(jié)構(gòu)使用年限為40年,采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固,加固平面圖和節(jié)點(diǎn)分別如圖2和圖3所示。經(jīng)綜合考慮地基土固結(jié)承載力的提高、鋼筋網(wǎng)砂漿面層基礎(chǔ)下地基壓力的擴(kuò)散等因素后,未對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固。
圖2 結(jié)構(gòu)加固平面圖
圖3 縱橫墻交接處鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固節(jié)點(diǎn)
2.板墻加固法。板墻加固法適用于原磚墻有一定承載能力,但由于層數(shù)較多而需要大幅度提高墻體抗震承載力的情況。板墻加固法是這幾種方法中應(yīng)用最為廣泛的,造價(jià)略高于面層加固法。
《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(JGJ 116—2009)第5.3.7條規(guī)定:抗震加固設(shè)計(jì)中,砌體結(jié)構(gòu)采用雙面夾板墻的方法改變結(jié)構(gòu)體系時(shí),板墻的厚度至少達(dá)到每面70mm、共計(jì)140mm厚。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司結(jié)合北京地區(qū)的土質(zhì)條件,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬論證,提出每面增設(shè)60mm、共計(jì)120mm的板墻,即可視為達(dá)到砌體結(jié)構(gòu)改變體系的條件。結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中,由于存在開(kāi)挖和回填量大、地下管線復(fù)雜、地基承載力加固困難等因素,地基和基礎(chǔ)加固一般是難度最大、造價(jià)最高、工期最長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié),地基基礎(chǔ)加固的造價(jià)經(jīng)常達(dá)到總的結(jié)構(gòu)加固成本的30%以上。根據(jù)我國(guó)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),隨著建筑使用年限的增加,其地基承載力一般會(huì)有所提高;對(duì)北京地區(qū)而言,多數(shù)情況下地基承載力經(jīng)多年壓實(shí)作用后的提高幅度可達(dá)1.2倍。因此,如果能充分利用地基承載力的提高來(lái)減少或避免地基基礎(chǔ)的加固,則可以大幅度地縮短加固工期、降低加固成本。對(duì)大多數(shù)典型的中小學(xué)校舍,多數(shù)墻體每面增設(shè)70mm板墻時(shí),增加的重量剛好超過(guò)考慮壓實(shí)系數(shù)后的地基承載力,需要進(jìn)行地基和基礎(chǔ)加固。而多數(shù)墻體每面增設(shè)60mm板墻時(shí),增加的重量一般會(huì)小于考慮壓實(shí)系數(shù)后的地基承載力,可不再進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固,這樣就明顯縮短了工期、降低了加固工程造價(jià),造價(jià)可減小20%~30%。
以北京市六十一中學(xué)公寓樓為例,該樓建成于1993年,2003年加建兩層,地上共4層,建筑面積1435m2,橫墻承重,未設(shè)置圈梁構(gòu)造柱,采用預(yù)制樓板。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),砌體強(qiáng)度等級(jí)為MU10,一至四層砂漿強(qiáng)度分別為M5.0、M7.5、M7.5和M5.0。對(duì)大部分承重墻體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙面板墻加固(圖4),部分墻體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土單面板墻加固(圖5、圖6),采用噴射混凝土施工工藝進(jìn)行施工。
3.外加圈梁-構(gòu)造柱加固。砌體結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震的能力主要依靠其整體性和延性,因此當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)整體性不足時(shí),需采用針對(duì)性的措施進(jìn)行加強(qiáng)。砌體結(jié)構(gòu)保證整體性和延性的措施主要包括:圈梁構(gòu)造柱的設(shè)置、樓屋蓋的形式及橫墻間距的縮小等。當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)圈梁構(gòu)造柱不足時(shí),可采用增設(shè)圈梁、構(gòu)造柱、鋼拉桿的方式進(jìn)行加固。但該方法的缺點(diǎn)是對(duì)墻體本身的承載力無(wú)明顯提高。
圖4 結(jié)構(gòu)加固平面圖
圖5 縱橫墻交接處板墻加固節(jié)點(diǎn)
圖6 板墻加固現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋
4.隔震技術(shù)加固。采用隔震技術(shù)對(duì)老舊建筑進(jìn)行加固,可以減少輸入上部結(jié)構(gòu)的能量,將原來(lái)由建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形吸收地震能量,轉(zhuǎn)變?yōu)橛筛粽饘赢a(chǎn)生大變形并吸收地震能量,降低地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞,達(dá)到提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的目的?;A(chǔ)隔震加固時(shí),一般僅對(duì)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分施工,不影響上部結(jié)構(gòu)的功能和正常使用,是一種經(jīng)濟(jì)適用的抗震加固技術(shù),特別適用于高烈度區(qū)需加固的中小學(xué)校舍。
圖7 西藏中學(xué)男生宿舍樓隔震支座布置圖
圖8 隔震加固施工步驟
以北京西藏中學(xué)男生宿舍樓為例,該樓為建于1985年的砌體結(jié)構(gòu),地上共6層,建筑面積為2564m2。該建筑為砌體結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ),地上承重墻體1~3層采用100#紅機(jī)磚、100#混合砂漿砌筑,4層以上墻體采用75#紅機(jī)磚、75#混合砂漿砌筑,樓板為預(yù)制圓孔板,圈梁、構(gòu)造柱及現(xiàn)澆樓板的混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)均為200#。場(chǎng)地類別為II類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,后續(xù)使用年限40年。橡膠隔震支座設(shè)置在砌體房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間受力較大的位置,如縱橫向承重墻交接處等,該建筑的標(biāo)準(zhǔn)層平面和隔震支座布置如圖7所示。
基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用在砌體結(jié)構(gòu)加固工程中,墻體托換是重要環(huán)節(jié),隔震支座施工難度較大。本工程采用雙夾梁式托換,雙夾梁由墻體兩側(cè)的縱向托梁和橫向抬梁構(gòu)成,橫向抬梁的作用有兩個(gè):一是對(duì)兩側(cè)托梁的拉接作用;二是通過(guò)磚墻的“內(nèi)拱效應(yīng)”承擔(dān)大部分豎向荷載,然后傳給兩側(cè)縱向托梁,最后轉(zhuǎn)換成隔震支座處的集中荷載。而托梁下的隔震支座,因其豎向剛度非常大,可作為整個(gè)墻梁構(gòu)件的豎向支座。施工工序?yàn)椋核疁?zhǔn)測(cè)量→室內(nèi)外土方開(kāi)挖→施工放樣控制標(biāo)高→上、下橫向抬梁定位及墻體開(kāi)洞→隔震層上、下部托梁及橫向抬梁施工→待上、下托梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后支撐特制千斤頂→設(shè)置豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)器→隔震支座設(shè)計(jì)位置處構(gòu)造柱及墻體切割→隔震支座安裝就位→隔震支座下支墩施工→隔震支座上支墩施工→切割隔震層墻體,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換→砌筑隔震溝、擋土墻→澆筑底層樓板,主要工序施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖8所示。
汶川地震中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)校舍的抗震性能明顯低于預(yù)期,中小學(xué)建筑中柱距一般較大,梁截面較大,容易導(dǎo)致強(qiáng)梁弱柱;以往的常規(guī)設(shè)計(jì)中未考慮樓板的影響,也導(dǎo)致了梁的抗震承載力高于柱承載力;框架結(jié)構(gòu)相對(duì)較柔,易產(chǎn)生大的變形,地震作用下附屬結(jié)構(gòu)的破壞也導(dǎo)致了很多人員傷亡;框架結(jié)構(gòu)的框架柱同時(shí)是抗側(cè)力構(gòu)件和承重構(gòu)件,框架柱破壞后容易出現(xiàn)倒塌。鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)體系和抗震承載力不滿足要求時(shí),可選擇下列加固方法:
1.直接加固原構(gòu)件的方法。當(dāng)原框架結(jié)構(gòu)的梁柱承載力不足或抗震構(gòu)造措施不足,但側(cè)向剛度可滿足要求時(shí),可以對(duì)原框架構(gòu)件采用增大截面、粘貼碳纖維/鋼板、外包型鋼等方法。當(dāng)側(cè)向剛度不足,可采用增大截面的方法。
2.提高樓層綜合抗震承載力的加固方法。直接對(duì)框架構(gòu)件進(jìn)行加固的方法成本較高,因此多數(shù)情況下框架結(jié)構(gòu)采用增設(shè)抗震墻/翼墻、鋼支撐、消能支撐等方法進(jìn)行抗震加固。在校舍加固工程當(dāng)中,針對(duì)校舍抗震構(gòu)造措施不滿足乙類建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),而抗震構(gòu)造措施的提高在部分情況下極難通過(guò)加固技術(shù)實(shí)現(xiàn),并且構(gòu)造措施的加固會(huì)極大破壞室內(nèi)環(huán)境,學(xué)校無(wú)法正常上課的情況,以提高校舍抗震承載能力為主導(dǎo),可以通過(guò)采用消能減震技術(shù)大幅提高結(jié)構(gòu)的綜合抗震承載力,消能減震子結(jié)構(gòu)大部分位于校舍外部,并不影響學(xué)校的內(nèi)部使用功能,也大大減少了對(duì)學(xué)校環(huán)境的破壞。以下為使用消能減震子結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的四個(gè)典型案例:
1.以北京十一學(xué)校初中部教學(xué)樓抗震加固為例,該教學(xué)樓建成于2000年,為5層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),建筑面積7000m2,按照規(guī)范要求建筑后續(xù)使用年限定為50年。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、原有圖紙核查、抗震鑒定驗(yàn)算,該結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施及抗震承載力驗(yàn)算均不滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求,需進(jìn)行抗震加固。最終選用增設(shè)金屬剪切型阻尼器(外貼式)加固方案,結(jié)構(gòu)首層阻尼器平面布置如圖9所示。結(jié)構(gòu)每層設(shè)置14個(gè)阻尼器,全樓共設(shè)置70個(gè)阻尼器,兩個(gè)方向的附加阻尼比分別為3.7%和4.5%。阻尼器消能方向的初始剛度值為75kN/mm,屈服荷載為150kN,屈服位移2.0mm。阻尼器極限位移為60mm,極限荷載約為237kN。
圖9 結(jié)構(gòu)首層阻尼器平面布置圖
圖10 加固前示意圖
圖11 加固后示意圖
圖12 阻尼器安裝大樣
圖13 1-1剖面大樣
如圖10~圖13所示,在原框架邊柱外側(cè)增設(shè)短墻,用于阻尼器安置;邊梁外側(cè)加寬,用于約束短墻,邊梁加寬部分,通過(guò)鍵槽、植筋、角鋼卡件等與原邊梁連接;短墻與阻尼器直接設(shè)置柔性連接;
為減小新老結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)的難度,限制單個(gè)阻尼器的出力上限為250kN。同時(shí),為避免因邊梁加固造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”形式的破壞,對(duì)邊梁加寬區(qū)域的配筋進(jìn)行了嚴(yán)格控制。加固施工及施工完成后建筑立面照片詳見(jiàn)圖14~圖15。
圖14 加固施工中
圖15 加固后建筑立面
圖16 十一學(xué)校采用金屬剪切型阻尼器加固
圖 17 采用VFD加固的豐臺(tái)實(shí)驗(yàn)學(xué)校
圖18 安裝消能子結(jié)構(gòu)的平谷區(qū)第一職業(yè)學(xué)校
2.另一個(gè)例子是北京十一學(xué)校高中教學(xué)樓,該樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),高度為23.46m,共6層,平面尺寸為19.2m×99m,底層層高5.46m,其他各層層高均為3.6m??蚣苤捎昧薈30混凝土,大部分尺寸為600mm×600mm。加固采用的剪切型鋼板阻尼器初始剛度為9.5×107N/m,初始屈服力為190kN,屈服后剛度為3.27×106N/m,極限位移70mm,一共設(shè)置了84個(gè)剪切型鋼板阻尼器。在室內(nèi)采用了與鋼支撐組合布置的方式(圖16),對(duì)于邊框由于建筑立面的限制,采用與初中部教學(xué)樓相同的外貼式。
3.豐臺(tái)實(shí)驗(yàn)學(xué)校綜合樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),高度為13.47m,共4層(第5層為局部塔樓),平面尺寸 為 40m×20m, 底 層、2~4層層高分別為4m和4.5m??蚣苤捎昧薈30混凝土,大部分尺寸為450mm×450mm。采用外貼消能子結(jié)構(gòu)方式加固(圖17),共設(shè)置了34個(gè)黏滯流體阻尼器(VFD),阻尼系數(shù)為3×105N.s/m,速度指數(shù)為0.35。
4.平谷區(qū)第一職業(yè)學(xué)校綜合實(shí)驗(yàn)樓1號(hào)樓始建于1996年,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),地上共5層,四層為輕質(zhì)彩鋼屋頂,僅在周圍有框架柱,頂部直接座彩鋼屋頂,五層為局部塔樓,布置于建筑兩端,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。采用外貼附加消能子結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行加固,分別在1~3層共布置66根屈曲約束支撐(圖18)。
截至2012年12月底,北京市三年加固改造完成中小學(xué)校1290所,單體4374棟,改造校舍總建筑面積685萬(wàn)平方米。改造后的校舍全部達(dá)到了重點(diǎn)設(shè)防類抗震標(biāo)準(zhǔn),有效地提高了校舍綜合防災(zāi)能力。綜合而言,基本可以認(rèn)為北京地區(qū)的中小學(xué)校舍均能夠滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。