高 蘇，袁 鑫，孫 建

(1. 南通職業(yè)大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226007；2. 蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215009；3.東南大學 土木工程學院，南京 210096)

預制板樓(屋)蓋整體性分析與加固措施

高 蘇1，袁 鑫2，孫 建3*

(1. 南通職業(yè)大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226007；2. 蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215009；3.東南大學 土木工程學院，南京 210096)

針對地震中預制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)大量倒塌、預制板坍塌破壞相當嚴重的現(xiàn)象，對預制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性、坍塌原因進行分析，得出水平剛度的不足是導致該類結(jié)構(gòu)破壞的重要原因。然后對預制板樓(屋)蓋整體性的增強措施進行詳細介紹，并結(jié)合工程應用，對各種加固方法的優(yōu)缺點進行對比。最后重點介紹某縱橫墻承重的預制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)教學樓的抗震加固方案，給出板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層加固的構(gòu)造做法，可供同類工程參考。

磚混結(jié)構(gòu)；教學樓；預制板；整體性；抗震加固

0 引言

20世紀60～90年代，我國建造了大量預制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)建筑。進入21世紀以來，受地方經(jīng)濟條件的制約，預制板磚混結(jié)構(gòu)在廣大的農(nóng)村地區(qū)仍然被廣泛采用[1-3]。然而，在1976年唐山大地震以及2008年汶川地震中，該類磚混結(jié)構(gòu)震害相當嚴重，預制板樓(屋)蓋大量坍塌，給人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失[4]。張敬書等[3]、趙西安[5]、屈文俊等[6]、王立成[7]、李碧雄等[8]、孫柏濤等[9]對該類磚混結(jié)構(gòu)的震害進行了深入的調(diào)查研究與分析，指出磚混結(jié)構(gòu)倒塌的諸多原因，比如：圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置問題、縱橫墻拉接問題、預制板與墻體連接問題等。在這些研究的基礎(chǔ)上，本文首先對預制板樓(屋)蓋的水平剛度對磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進行分析，對其破壞的本質(zhì)原因進行揭示，然后結(jié)合具體工程對預制板樓(屋)蓋的不同加固措施進行分析對比，并重點介紹板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的構(gòu)造做法。

1 預制板樓(屋)蓋的整體性分析

1.1樓(屋)蓋整體性

在多層磚混結(jié)構(gòu)房屋中，樓(屋)蓋作為水平構(gòu)件，直接承受豎向荷載，并將其傳遞至各墻體；在水平地震作用時，樓(屋)蓋還將水平地震剪力傳遞至各墻體，水平剪力分配方案與樓(屋)蓋的水平剛度有關(guān)。

預制板樓(屋)蓋施工時，相鄰預制板之間的板縫一般采細石混凝土后澆填實，板頂現(xiàn)澆素混凝土或水泥砂漿面層，板底通常有抹面層，因而預制板樓(屋)蓋本身具有一定的整性性。然而，在長期服役過程中或地震發(fā)生時，預制板樓(屋)蓋的整體性會因各種因素[10]受到不同程度的損傷和破壞，比如：預制板過大的變形引起板頂水泥砂漿或素混凝土面層、板底抹面層順板縫方向開裂；預制板混凝土和板縫后澆細石混凝土收縮量不同或板塊受力不均勻，引起板縫后澆混凝土開裂。

1.2樓(屋)蓋坍塌原因

為對預制板樓蓋的水平剛度作近似分析，選取某典型磚混結(jié)構(gòu)教學樓[6]的一間教室為計算單元，如圖 1所示，該計算單元長L、寬B，預制空心板等效厚度為t。寬度B范圍內(nèi)共有n塊預制板，預制板的兩端簡支于橫墻上。

(a)平面圖 (b)計算模型

(1)

式中：L、B分別為計算單元的長度和寬度；t為預制空心板的等效厚度；n為計算單元寬度范圍內(nèi)預制板的數(shù)量；E為預制板混凝彈性模量；I為計算單元1-1截面的慣性矩；q為作用于樓蓋的水平均布荷載。

進一步可以得到，在水平地震作用下，預制板樓蓋的跨中水平撓度與整體式樓蓋的跨中水平撓度之比為：

(2)

式中：f1表示整體式樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度；fn表示預制板數(shù)量為n時，樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度。

從式(2)可以看出，相對于整體式樓蓋而言，預制板樓蓋在水平地震作用下的跨中水平撓度fn隨預制板塊數(shù)n的增長呈二次方增長；表明n越大時，樓蓋水平剛度越小，整體性越差。在實際結(jié)構(gòu)中，縱墻與樓蓋往往連接在一起，對樓蓋起到一定的支撐作用。因此，當樓蓋的水平撓度較大時，縱墻將承擔較大的平面外水平地震剪力，在豎向荷載及水平地震剪力組合作用下，縱墻往往由于強度不足或延性不夠而發(fā)生破壞，導致房屋損壞甚至樓蓋整體倒塌。

由以上分析可見，水平剛度的不足是地震中預制板樓(屋)蓋磚混結(jié)構(gòu)倒塌的重要原因，為此，應從提高預制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性入手，在本質(zhì)上改進磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 預制板樓(屋)蓋整體性加固方法

2.1加固方法概述

2.1.1板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層

根據(jù)JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》[11]，當預制板樓、屋蓋不滿足抗震鑒定要求時，可采用增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層的方法對其進行加固?，F(xiàn)澆層的厚度不應小于40mm，鋼筋的直徑不應小于6 mm，其間距不應大于300 mm。此外，尚應采取措施加強現(xiàn)澆層與原有樓板、墻體的連接，如：

(1)現(xiàn)澆層的分布鋼筋應有50%穿過墻體。另外50%的鋼筋，可通過插筋相連，插筋兩端的錨固長度不應小于插筋直徑的40倍；也可錨固于現(xiàn)澆層周邊的加強配筋帶中，加強配筋帶應通過穿過墻體的鋼筋相互可靠連接。

(2)現(xiàn)澆層宜采用L形錨筋或錨栓與原樓板相連，錨筋、錨栓應通過鉆孔并采用膠粘劑錨入預制板縫內(nèi)，錨固深度不小于80～100 mm。

(3)施工時，應去掉原有裝飾層，板面應鑿毛、涂刷界面劑，并注意養(yǎng)護。

2.1.2板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層

在預制板樓(屋)蓋的底面，安裝雙向鋼筋網(wǎng)和抗剪銷釘，再噴射聚合物改性水泥砂漿，和鋼筋網(wǎng)形成聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層，與預制板共同受力[12]，以提高預制板樓(屋)蓋的整體性和承載力。噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層包括：與預制板表面相結(jié)合的界面劑涂層、粘結(jié)層和保護層之間的鋼筋網(wǎng)、連接鋼筋網(wǎng)與預制板的錨筋或錨栓、聚合物改性水泥砂漿層。聚合物改性水泥砂漿層的厚度、鋼筋網(wǎng)的規(guī)格以及新老構(gòu)件之間的連接措施與板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層類似。

2.1.3板底粘貼碳纖維布

碳纖維在各類結(jié)構(gòu)的加固工程中已有廣泛應用。根據(jù)磚混結(jié)構(gòu)中預制板樓(屋)蓋的破壞特點，可沿板縫方向或垂直板縫方向在板底粘貼碳纖維布：沿板縫方向粘貼碳纖維布可提高單塊預制板的受彎承載力[13]，但對于樓(屋)蓋整體性的加固效果不明顯；而垂直板縫方向粘貼碳纖維布時，一定程度上限制了預制板在地震過程中的相對位移，能起到增強其整體性的作用，但不能提高單塊預制板的承載力。因此，可在兩個方向同時粘貼碳纖維布，既可提高預制板的承載力，又增強了預制板樓(屋)蓋的整體性。

2.1.4板底粘貼鋼板網(wǎng)

與板底粘貼碳纖維布類似，為了提高預制板樓(屋)蓋的整體性，可在板底粘貼雙向鋼板網(wǎng)進行加固；對于橫梁傳力的預制板樓(屋)蓋，可在橫梁與橫梁之間、橫梁與橫墻之間設(shè)置型鋼剪刀撐。這種方法既能增強預制板樓(屋)蓋的整體性，又可提高預制板的承載力，通過設(shè)置型鋼剪刀撐，保證了縱橫向地震作用的水平傳遞[10]。

2.1.5板端增設(shè)角鋼支撐

預制板在墻上或梁上的支撐長度一般為80～100mm，考慮到施工誤差，支撐長度可能更小，加上預制板之間的連接構(gòu)造措施不能被可靠保證，在地震的反復作用下預制板容易脫落，造成樓(屋)蓋的坍塌。鑒于此，可采取增設(shè)角鋼支撐的方法進行處理[14]：在預制板端采用∟125×80×8和規(guī)格為M12或M14對拉螺栓或錨栓，利用粘鋼膠使鋼板和混凝土結(jié)合在一起，使得預制板與墻、梁的連接得到加強，一定程度上增強了樓(屋)蓋的整體性，但對水平剛度的提高并不明顯。

2.2加固方法對比分析

以上關(guān)于預制板樓(屋)蓋整體性的加固方法適用于不同情況，這些方法的優(yōu)缺點及工程應用如表 1所示。其中，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的加固方法盡管在實際加固改造工程中已有應用，然而尚未見文獻對此進行介紹，因此下文結(jié)合某工程實例對該方法的構(gòu)造做法進行詳細介紹。

3 工程實例

3.1工程概況

江蘇某中學教學樓為3層外廊式磚混結(jié)構(gòu)如圖 2所示，該教學樓建于1986年，長43.64 m、寬6.54 m(不包括走廊寬度[17])、高10.80 m，層高均為3.60 m，建筑面積為1195 m2?？v橫墻承重，墻厚240 mm，橫墻間距9.30 m，樓(屋)蓋采用預制空心板，建筑四角、樓梯四角、縱橫墻交接處均設(shè)置構(gòu)造柱，各層樓蓋、屋蓋處內(nèi)外墻均設(shè)置圈梁。該工程抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1 g)，設(shè)計地震分組為第一組。該教學樓按A類建筑進行抗震鑒定，即后續(xù)使用年限為30年。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該教學樓的砌體墻、混凝土構(gòu)件未見明顯結(jié)構(gòu)性損傷，少量墻體出現(xiàn)空鼓；房屋四周散水完好，未發(fā)現(xiàn)墻體沉降裂縫及地基不均勻沉降的跡象；最大傾斜量13 mm，傾斜率1.33‰。根據(jù)檢測結(jié)果，砂漿強度等級為M2.5。綜合考慮該樓抗震措施的不滿足項，采用PKPM軟件對原結(jié)構(gòu)進行抗震承載力簡化驗算。根據(jù)GB 50023-2009《建筑抗震鑒定標準》[17]，該宿舍樓不滿足A類建筑抗震鑒定要求，不滿足項包括墻體抗震承載力，樓(屋)蓋類型和墻體局部尺寸。

圖2教學樓外觀

3.2抗震加固方案

3.2.1墻體加固

針對墻體抗震承載力不足及墻體局部尺寸不滿足規(guī)范要求等問題，擬采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層對墻體進行雙面加固，加固平面如圖3所示。縱橫墻交接處的做法見圖 4a、b，樓面處及頂部做法見圖 4c、d，內(nèi)外墻基礎(chǔ)做法見圖 4e、f。

圖3 標準層加固平面布置

圖4 墻體加固詳圖

3.2.2預制板樓(屋)蓋加固

對于預制板樓(屋)蓋不滿足規(guī)范要求，采用板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層進行加固，既增強了樓(屋)蓋的整體性，又提高了承載力，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層的做法如圖 5所示。

圖5 預制板樓(屋)蓋加固詳圖

4 結(jié)論

本文通過對預制板樓(屋)蓋的水平剛度對磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的影響、預制板樓(屋)蓋在地震作用下發(fā)生破壞的本質(zhì)原因等進行分析，結(jié)合具體工程對增強預制板樓(屋)蓋整體性的不同加固措施進行對比，得出相應結(jié)論。

磚混結(jié)構(gòu)中預制板樓(屋)蓋水平剛度的不足是地震中預制板大量坍塌的重要原因，應從提高預制板樓(屋)蓋的水平剛度及整體性入手，從而在本質(zhì)上改進既有磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在預制板板頂增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層、板底粘貼雙向碳纖維布或鋼板網(wǎng)可有效地提高預制板樓(屋)蓋的整體性及水平剛度，在預制板板端增設(shè)角鋼支撐可顯著增大預制板的支撐長度，預制板不易因墻體變形而脫落。

各種加固方法各自有不同的優(yōu)缺點，在針對具體工程時，應根據(jù)具體情況，選擇最適宜的方案，應盡量減小對原建筑的影響，降低加固費用，且施工較易，工期較短。綜合對比下，板底噴射聚合物改性水泥砂漿-鋼筋網(wǎng)面層為較優(yōu)選擇，該方法既可提高預制板樓(屋)蓋的整體性及水平剛度，又可提高其承載力。

該教學樓加固工程已經(jīng)竣工服役，加固效果良好，為今后預制板樓(屋)蓋砌結(jié)構(gòu)的加固提供了參考。

[1] 胡大柱,張方燈,肖小月,等.我國西南地區(qū)村鎮(zhèn)建筑現(xiàn)狀調(diào)研與統(tǒng)計分析[J].工程抗震與加固改造,2015(3):113-120.

[2] 朱雁茹,謝杰,鐘憲明,等.既有村鎮(zhèn)房屋現(xiàn)狀調(diào)查及抗震對策研究展望[J].工程抗震與加固改造,2016(2):150-158.

[3] 張敬書,周緒紅,姜麗娜,等.理性思考汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力[J].防災減災工程學報,2009(5):591-595.

[4] 清華大學、西南交通大學、北京交通大學土木工程結(jié)構(gòu)專家組.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2008(4): 1-9.

[5] 趙西安.從汶川地震看結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與施工中的一些問題[J].建筑科學,2008(7):97-100.

[6] 屈文俊,郭朋,崔巍. 預制板上粘貼鋼板條桁架對砌體教學樓抗震性能的影響[J]. 建筑科學與工程學報,2013(4):14-21.

[7] 王立成.汶川地震后學校砌體建筑結(jié)構(gòu)破壞情況調(diào)查與分析[J].大連理工大學學報,2009(5):650-656

[8] 李碧雄,雷濤,鄧建輝,等.汶川地震中學校建筑震害研究[J].四川大學學報:工程科學版,2009(3):172-179.

[9] 孫柏濤,張桂欣.汶川8.0級地震中各類建筑結(jié)構(gòu)地震易損性統(tǒng)計分析[J].土木工程學報,2012(5): 26-30.

[10] 于建民,張靜.砌體結(jié)構(gòu)中預制樓板整體性的增強措施[J]. 建筑技術(shù),2013(5): 445-448.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 116-2009 建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[12] 李淼,廖維張,王波.聚合物改性水泥砂漿層與混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗研究[J].施工技術(shù),2016(10):86-90.

[13] 張?zhí)栜?盧亦焱. 碳纖維布加固鋼筋混凝土預制板的設(shè)計分析[J].建筑科學,2005(4): 73-75.

[14] 賈文峰,張春生,樊濟喜,等.某在役磚混結(jié)構(gòu)小學教學樓加固設(shè)計[J].施工技術(shù),2015(16):23-26.

[15] 屈文俊,馬瑞嘉,崔巍.預制板現(xiàn)澆混凝土疊合層加固砌體教學樓的抗震性能分析[J].建筑科學與工程學報,2013(3):7-13.

[16] 曾凡奎.西安市磚混結(jié)構(gòu)校舍抗震加固方法[J].四川建筑科學研究,2014(3):68-70.

[17] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50023-2009 建筑抗震鑒定標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

AnalysisandStrengtheningMeasuresofIntegrityofFloorandRoofSystem

GAO Su1, YUAN Xin2, SUN Jian3*

(1. College of Construction Engineering, Nantong Vocational University, Nantong Jiangsu 226007, China;2. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou Jiangsu 215009, China;3. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In consideration of a large number of brick-concrete structural buildings involving precast slab floor and roof system collapsed and the precast slab seriously damaged in the earthquake, this paper analyzed the horizontal stiffness, integrity, and the collapse reason for the precast slab floor and roof system, and it was deduced that the insufficient horizontal stiffness was the vital reason for the failure of this kind structure. Then the measures to strengthen the integrity of the precast slab floor and roof system were introduced in detail, and the advantages and disadvantages of the measures were compared combining with practical engineering. The paper finally stressed on the seismic strengthening scheme for a brick-concrete structural teaching building comprising precast slab floor and roof system, and then the formation for the method of spraying cement mortar modified by polymer combined with steel fabric, which provided as a reference for similar engineering.

brick-concrete structure; teaching building; precast slab; integrity; seismic strengthening

TU731.2

A

1009-7961(2017)05-0062-06

2017-05-23

國家自然科學基金項目(51508368)；江蘇省建設(shè)廳科技計劃項目(2015ZD78)；江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室開放課題(ZD1401)

高蘇(1979-),女,江蘇徐州人,講師,碩士,主要從事結(jié)構(gòu)工程及建筑結(jié)構(gòu)加固改造研究。*為通訊作者。

(責任編輯:孫文彬)