林 華 LIN Hua

0 引言

“汶川地震”造成大量房屋損壞和倒塌，其中，中小學(xué)校舍也損壞嚴(yán)重，且有相當(dāng)比例的校舍倒塌，造成了嚴(yán)重的人員傷亡。中小學(xué)校由于人員密集，且中小學(xué)生在地震中的逃生能力較差，校舍一旦倒塌，人員傷亡尤為慘重，因此，中小學(xué)校舍的抗震防災(zāi)能力應(yīng)高于一般的民用建筑。為了保證中小學(xué)師生的生命安全，自2009 年開始，國(guó)務(wù)院在全國(guó)范圍開展“校安工程”，對(duì)所有中小學(xué)校舍進(jìn)行全面排查鑒定，對(duì)存在隱患和問題的校舍采取相應(yīng)措施，消除安全隱患。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工程建設(shè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論及規(guī)范從無(wú)到有，并逐步完善，建筑物抗震設(shè)防能力逐步提高。但是，由于受建造時(shí)期經(jīng)濟(jì)條件的制約，早期建造的中小學(xué)校舍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有的抗震設(shè)防要求，存在較大的安全隱患。為提高既有中小學(xué)校舍的抗震性能，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用且直接有效的方法?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)抗震加固的方法眾多，具體工程中應(yīng)結(jié)合既有建筑的實(shí)際情況，遵循安全、經(jīng)濟(jì)、合理、有效、實(shí)用的原則，靈活運(yùn)用各種加固方法，切實(shí)有效地提高既有中小學(xué)校舍的抗震性能。

本文對(duì)某中學(xué)框架結(jié)構(gòu)體育館的抗震加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹與分析，希望能給從事相關(guān)工作的設(shè)計(jì)人員提供一些參考和借鑒。

1 工程概況

該工程為某中學(xué)體育館，建于1984 年，位于上海市浦東新區(qū)。體育館為一層單跨框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積為660 m2，建筑平面為長(zhǎng)方形，東西方向?qū)捈s19 m，南北方向長(zhǎng)約32 m，高度約為8.1 m（圖1、2）。

圖1 加固前外立面

體育館的基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面標(biāo)高為-1.95m，基礎(chǔ)底面的尺寸為2200mm×3600mm、2800 mm×4 200 mm、3 800 mm ×3 000 mm、4 600 mm ×3 000 mm。

體育館的結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)，主要軸網(wǎng)尺寸為6 300 mm×4 000 mm、6 400 mm ×4 000 mm（圖3），主要框架柱截面尺寸為400 mm×600 mm；屋面板為鋼筋混凝土預(yù)制空心板，板厚度為120 mm。

圖2 加固前內(nèi)景

圖3 結(jié)構(gòu)平面示意圖

2 抗震鑒定

既有建筑抗震加固前，均應(yīng)依據(jù)其設(shè)防烈度、抗震設(shè)防類別、后續(xù)使用年限和結(jié)構(gòu)類型等條件，進(jìn)行抗震鑒定，抗震鑒定報(bào)告是后期進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。根據(jù)實(shí)際情況及后續(xù)使用要求，該工程依據(jù)7 度設(shè)防烈度、乙類抗震設(shè)防、后續(xù)使用年限30 年（A 類建筑）等條件進(jìn)行抗震鑒定，主要鑒定結(jié)果如下：①現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鑒定表明，體育館結(jié)構(gòu)布置、層高、軸線尺寸、構(gòu)件截面等基本滿足原設(shè)計(jì)要求。②原設(shè)計(jì)資料及實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)算分析表明，體育館梁、柱及基礎(chǔ)基本滿足承載力要求；體育館的質(zhì)心和剛心位置基本重合；最大層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的1/550 限值要求；最大層間位移與平均層間位移比滿足規(guī)范要求；柱軸壓比最大為0.24，滿足規(guī)范限值要求。③抗震措施核查表明，體育館梁柱端的箍筋間距不滿足規(guī)范要求；填充墻與相鄰混凝土框架柱無(wú)拉結(jié)筋。④體育館為乙類設(shè)防，框架為單跨框架，對(duì)抗震不利，不符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009）[1]中第6.2.1 條第2 款中的規(guī)定。

3 抗震加固設(shè)計(jì)

3.1 抗震加固方法比選

單跨框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小，耗能能力弱，缺乏冗余約束，發(fā)生地震時(shí)易引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)破壞及倒塌。國(guó)內(nèi)外歷次地震都證明了單跨框架結(jié)構(gòu)是抗震嚴(yán)重不利體系。因此，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009）中第6.2.1 條第2 款規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)不宜為單跨框架；乙類設(shè)防時(shí)，不應(yīng)為單跨框架結(jié)構(gòu)。

該工程體育館原始設(shè)計(jì)為單跨框架結(jié)構(gòu)，不滿足現(xiàn)有抗震設(shè)防的要求，存在結(jié)構(gòu)安全隱患，應(yīng)采取有效的抗震加固措施。經(jīng)分析，針對(duì)單跨框架的抗震加固方法主要有：增設(shè)框架柱、增設(shè)抗震墻、增設(shè)型鋼支撐和增設(shè)耗能減震支撐四種。

3.1.1 增設(shè)框架柱

對(duì)于單跨框架結(jié)構(gòu)房屋，可在不影響建筑使用功能的前提下增設(shè)框架柱，將其改造為兩跨或多跨框架結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高房屋結(jié)構(gòu)的橫向抗側(cè)力剛度和抗震性能。但缺點(diǎn)是新增框架柱需增設(shè)基礎(chǔ)，加固量相對(duì)較大；且新增框架柱可能對(duì)日常使用造成影響。結(jié)合該工程實(shí)際情況，新增框架柱會(huì)對(duì)體育館的建筑使用功能造成極大的影響。因此，該加固方法不適用于該工程。

3.1.2 增設(shè)抗震墻

單跨框架結(jié)構(gòu)房屋，可以采用在適當(dāng)?shù)奈恢茫鲈O(shè)鋼筋混凝土抗震墻進(jìn)行抗震加固，將原單跨框架結(jié)構(gòu)加固成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)安全冗余度，提升房屋的整體抗震性能。這種加固方法可以有效解決單跨框架抗震能力不足的問題，且新增抗震墻一般設(shè)置在角部外墻位置，對(duì)建筑使用功能幾乎不造成影響。

3.1.3 增設(shè)型鋼支撐

單跨框架結(jié)構(gòu)房屋，可以采用增設(shè)型鋼支撐的形式進(jìn)行抗震加固，以提高房屋單跨方向的橫向抗側(cè)力剛度。這種加固方法的優(yōu)點(diǎn)是自重輕、工期短，對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響較?。蝗秉c(diǎn)是對(duì)建筑使用功能有一定影響，后續(xù)要定期進(jìn)行維護(hù)，且不適用于大跨度的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合該工程實(shí)際情況，單跨方向新增型鋼支撐，對(duì)體育館的建筑使用功能造成極大的影響。因此，該加固方法不適用于該工程。

3.1.4 增設(shè)耗能減震支撐

單跨框架結(jié)構(gòu)房屋，可以采用增設(shè)屈曲約束支撐、黏滯阻尼支撐等耗能減震構(gòu)件的形式進(jìn)行抗震加固。這種方法與增設(shè)型鋼支撐的加固方法類同，區(qū)別是其選用耗能減震支撐，可有效減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。但是該加固方法同樣對(duì)體育館的建筑使用功能造成極大的影響，不適用于該工程。

綜上所述，根據(jù)工程的實(shí)際情況及抗震鑒定報(bào)告，經(jīng)綜合分析研究后，決定采用增設(shè)抗震墻的加固方法，解決單跨框架抗震能力不足的問題。

3.2 抗震加固方案

該工程抗震加固設(shè)計(jì)方案為：增設(shè)鋼筋混凝土抗震墻，將原單跨框架結(jié)構(gòu)加固為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；框架柱和框架梁端部采用碳纖維加固，解決其端部箍筋間距不滿足規(guī)范的問題；填充墻和框架柱間增設(shè)拉結(jié)筋，以提高房屋的整體性。

3.2.1 增設(shè)抗震墻

為解決該工程原設(shè)計(jì)為單跨框架結(jié)構(gòu)，不滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求的問題，采取增設(shè)抗震墻的加固方法。經(jīng)綜合考慮，在體育館四周角部位置，增設(shè)了鋼筋混凝土抗震墻加固（圖4、5），將原單跨框架結(jié)構(gòu)加固成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高原結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。對(duì)新增抗震墻采取了結(jié)構(gòu)措施，使其與原結(jié)構(gòu)框架梁柱進(jìn)行可靠連接，保證共同受力。

圖4 結(jié)構(gòu)加固平面示意圖

圖5 增設(shè)抗震墻加固詳圖

3.2.2 碳纖維加固

根據(jù)抗震鑒定報(bào)告，該工程梁柱端的箍筋間距不滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合分析，在原鋼筋混凝土框架柱、框架梁的端部，采用粘貼碳纖維布的方法進(jìn)行抗震構(gòu)造加固處理[2]（圖6、7），以提高原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能。

圖6 框架柱粘貼碳纖維布加固詳圖

3.2.3 填充墻加固

根據(jù)抗震鑒定報(bào)告，該工程的填充墻與相鄰混凝土框架柱無(wú)拉結(jié)筋。經(jīng)綜合分析，在原填充墻的兩側(cè)，采用墻面剮槽嵌入法，增設(shè)拉結(jié)筋，并采用植筋方式與原鋼筋混凝土框架柱進(jìn)行連接[3]（圖8），恢復(fù)填充墻與原主體結(jié)構(gòu)的拉結(jié)，增強(qiáng)房屋的整體性，減少墻體與框架柱接縫處的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 框架梁粘貼碳纖維布加固詳圖

圖8 填充墻加固示意圖

4 抗震驗(yàn)算分析

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)上述抗震加固方案，采用系列結(jié)構(gòu)軟件1.8.3 版進(jìn)行三維空間建模（圖9），按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010，2016 年版）[4]中的相關(guān)要求進(jìn)行參數(shù)取值，對(duì)加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖9 計(jì)算模型示意圖

4.2 主要分析參數(shù)

該工程主要分析參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)

4.3 驗(yàn)算分析

該工程在采取上述加固措施后，在新的結(jié)構(gòu)體系下，其驗(yàn)算結(jié)果如下：①混凝土框架梁、框架柱配筋均滿足規(guī)范要求；②混凝土框架柱的軸壓比均滿足規(guī)范要求（柱軸壓比最大為0.24）；③結(jié)構(gòu)自振周期滿足規(guī)范要求；④地震作用、風(fēng)荷載作用下，其層間位移滿足規(guī)范要求。

4.3.1 結(jié)構(gòu)自振特征

根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，選取了結(jié)構(gòu)前3 階自振模態(tài)進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法分析（表2）?？梢?，該結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量參與系數(shù)、周期比均滿足規(guī)范要求。

表2 中，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3/以平動(dòng)為主的第一自振周期T1=0.65<0.9，滿足規(guī)范要求。

表2 結(jié)構(gòu)前3 階自振特征

4.3.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

計(jì)算結(jié)果表明，該工程在多遇地震作用下，X、Y 方向樓層最小剪重比、最大層間位移角、層間位移比均滿足規(guī)范要求（表3）。

表3 主要彈性計(jì)算分析結(jié)果

4.3.3 風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

計(jì)算結(jié)果表明，該工程在風(fēng)荷載作用下，X、Y 方向樓層最大層間位移角、層間位移比均滿足規(guī)范要求（表4）。

表4 主要彈性計(jì)算分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

該工程加固抗震設(shè)計(jì)中，在完全保證建筑日常使用功能的前提下，遵循安全、經(jīng)濟(jì)、合理、有效、實(shí)用的原則，采取了最經(jīng)濟(jì)和影響最小的加固方法，使得原始并沒有抗震設(shè)防設(shè)計(jì)的既有建筑，達(dá)到了現(xiàn)行抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中的要求，消除了結(jié)構(gòu)的安全隱患，有效提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。另外，通過該工程抗震加固設(shè)計(jì)的實(shí)踐及分析，可為今后類似工程提供一些參考。