西安地区砌体结构校舍抗震加固设计方法研究1

侯 卫 周雪峰 郝 丽 申建光

1）西安工业大学建筑工程学院，西安 710032

2）中联西北工程设计研究院，西安 710072

3）西安市建筑设计研究院，西安 710035

西安地区砌体结构校舍抗震加固设计方法研究1

侯 卫1）周雪峰1）郝 丽2）申建光3）

1）西安工业大学建筑工程学院，西安 710032

2）中联西北工程设计研究院，西安 710072

3）西安市建筑设计研究院，西安 710035

对震后中小学校舍进行抗震加固是我国各级政府在汶川地震后给工程技术人员提出的重要课题。本文针对西安地区中小学校舍的抗震加固设计进行了论述。对其存在的安全隐患，可依据抗震鉴定的结论及现场实地勘察，综合考虑施工进度、施工复杂程度、工期等因素，选用相应的抗震加固设计方案。根据设计过程中出现的问题，本文还提出了工程建议，可为类似的工程设计、施工提供借鉴。

抗震加固 砌体结构 设防目标 校舍安全

引言

地震中房屋建筑破坏与倒塌是造成人员伤亡的主要原因，汶川地震中许多学校建筑由于抗震能力不足，造成了校舍倒塌、学生死伤的惨痛教训。因此，提高现有校舍建筑的抗震能力是减轻地震灾害的有效措施，实践证明凡在震前经过抗震鉴定与加固的建筑，在地震中的损坏程度明显轻于未加固的建筑。2009年4月国务院启动了全国中小学校舍安全工程，其工作目标是：在全国开展中小学校房屋排查鉴定，对各级各类城乡中小学存在安全隐患的校舍进行抗震加固、迁移避险，提高综合防灾能力建设，使学校校舍达到重点设防类抗震设防标准。为配合这一工程，住建部正式颁布实施了《建筑抗震鉴定标准（GB 50023-2009）》（中华人民共和国国家标准，2009）和《建筑抗震加固技术规程（JGJ 116-2009）》（中华人民共和国行业标准，2009），这两本配套实施的标准是现有房屋建筑抗震鉴定与加固的重要技术依据。

目前，中小学校舍多以砌体结构和钢筋混凝土结构为主。早期建成的校舍多为砌体结构，近几年钢筋混凝土结构的校舍才日趋增多，但总体来说砖混结构占的比例较大。不同结构体系差异较大，框架结构传力明确，与砌体结构相比在地震中表现出较好的延性，发生的震后灾害较小；而砌体结构是脆性性质，易导致震后灾害的发生，特别是学校建筑多为横墙较少的建筑，当地震烈度较高、地震作用很大，墙体不能胜任所承担的地震力时，极易发生震害。震害多呈现脆性破坏，损失惨重。所以对砌体结构的校舍建筑进行抗震加固，改善和提高其抗震能力具有重要的意义。本文针对西安地区（西安市设防烈度为Ⅷ度）砌体结构校舍抗震加固设计方法进行了探讨。

1 多层砌体校舍典型安全隐患及分析

根据陕西省中小学校舍安全工程鉴定报告及现场勘察，西安市多层砌体校舍存在不同程度的安全隐患。校舍修建年代跨度很大，90年代后期的建筑进行过抗震设计，较新砌体结构房屋基本只有少量细微裂纹，属于基本完好或轻微破坏；而89建筑抗震设计规范（中华人民共和国国家标准，1989）以前的大量建筑物，未进行过抗震构造措施的砌体结构破坏较为严重，但无倒塌现象。其主要存在如下薄弱部位：

（1）砌筑砂浆采用混合砂浆。大量鉴定报告显示砌筑砂浆含水泥量少，强度过低，达不到设计要求，也达不到规范最低要求，使墙体的承载能力存在安全隐患。

（2）门、窗角上墙体出现斜裂缝。门窗洞口四角由于截面突变在角部易于应力集中，若洞口两边未设置构造柱，则过大的应力将导致门窗洞口角部普遍出现裂缝。

（3）预制板间、板在支座处均出现大量裂缝。楼板和屋盖是地震时传递水平地震作用的主要构件，其水平刚度对房屋抗震性能影响很大。当采用预制板时，整体性较差，板缝偏小而混凝土灌缝不够密实，地震时板缝易于拉裂。西安市中小学校舍大量砖混房屋预制板间出现这种板缝，板与墙体顶部连接处也有被震松而出现水平裂缝。汶川地震中，预制板出现的另一个严重震害是，预制板端部搁置长度过短或无可靠的拉结措施，加之预制板强度相对偏低易折断，导致预制板在冲击荷载下易掉落或折断（韩军等，2008）。

（4）楼梯间的四角和梯梁下未按规范要求设置钢筋混凝土构造柱。特别是梯梁直接放置于砌体墙上未设构造柱时，楼梯间承重墙普遍出现斜裂缝，沿着梯梁角部斜着向下展开斜裂缝，在高烈度区，楼梯作为疏散通道，存在较大的安全隐患。悬挂式楼梯，支撑不可靠，楼梯梯板抗弯承载力不足，成为抗震薄弱部位，安全通道不安全。

（5）大梁直接支撑在两端墙体上，在集中荷载作用下，无筋承重砖柱截面抗弯承载力和抗剪承载力不足，梁下墙体出现不同程度的斜向裂缝。横墙间距过大，扶壁柱布置缺失。

（6）出屋面顶部突出物存在的安全隐患。出屋面女儿墙由于是单片墙，侧向无约束，稳定性差，又受到鞭梢效应影响，在历次地震中都出现明显的震害（赵恩平等，2009）。

（7）未布置圈梁构造住，或布置不符合规范要求。

（8）单侧外廊式结构平面布置、质量和侧向刚度分布不对称。部分砌体栏板没有可靠拉结，形成安全隐患。

（9）悬挑走廊设计荷载较实际使用值小，计算方法与实际受力不完全吻合，以及受力钢筋普遍下移，因此，悬挑走廊结构安全可靠性普遍偏低。

2 建筑抗震加固的设防目标

加固规程中规定，抗震加固的目标是使现有建筑做到抗震安全、经济、合理、有效和实用，其中抗震安全指加固后的现有建筑在预期的后续使用年限内，能够达到不低于其抗震鉴定的设防目标。这个目标应该做到在仅增加少量投资的前提下，提高既有建筑物的综合抗灾能力，防止强震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空间，或不至于很快倒塌以提供足够的逃生时间。如遭遇不可预见的特大地震，将倒塌的房屋数量和生命财产损失降到最低，将被动救灾的费用降到最少。

3 加固方案的选择

针对西安地区中小学校舍存在的安全隐患，抗震加固应依据抗震鉴定的结论及现场实地勘察，在考虑施工进度和复杂程度的同时，有针对性的选用对原结构损伤小、施工便捷、工期短等易于实现的成熟加固方法，经济合理，避免千篇一律大面积地加固。

针对加固校舍的鉴定意见，主要是原结构综合抗震能力指数或墙体抗震承载力与规定值相差较大，故选用施工速度较快的钢筋混凝土板墙加固（图1）（中国建筑标准设计研究院，2003）。钢筋混凝土板墙加固对墙体抗震能力的提高，是采用抗震能力增强系数的方式来表达的，墙体抗震能力增强系数计算公式为（中华人民共和国行业标准，2009）：

图1 钢筋混凝土板墙加固Fig. 1 Reinforcement for reinforced concrete wall

式中，ηpij为第i楼层第j墙体（或墙段）面层加固的增强系数；0η为基准增强系数；tw0为原墙体厚度（mm）；fvE为原墙体的抗震抗剪强度设计值（MPa）。

砖墙墙体面层加固的基准增强系数0η的影响因素包括：面层厚度、钢筋网规格、单面加固或双面加固。基准增强系数0η与面层厚度成正比，双面加固比单面加固承载力高。水泥砂浆面层、钢筋网水泥砂浆面层加固原墙体的砂浆强度等级实测值越低，基准增强系数0η越大。等级实测值不宜高于M2.5，否则采用该方法对其承载能力的提高不明显；而当采用钢筋混凝土板墙加固时，原有墙体的砂浆强度等级不宜低于M2.5。

当采用楼层综合抗震能力指数法验算时，楼层的抗震能力增强系数按下式计算（中华人民共和国标准，2001）：

式中，ηpi为面层加固后第i楼层抗震能力的增强系数；Ai0为第i楼层中验算方向原有抗震墙在1/2层高处净截面的面积；Aij0为第i楼层中验算方向面层加固的抗震墙j墙段在1/2层高处净截面的面积；n为第i楼层中验算方向上的面层加固抗震墙的道数。

加固后楼层的综合抗震能力指数按下式计算：

式中，sβ为加固后楼层或墙段的综合抗震能力指数；η为加固增强系数；0β为楼层或墙段原有的平均抗震能力指数，按照现行《建筑抗震鉴定标准（GB 50023-2009）》（中华人民共和国国家标准，2009）规定的有关方法计算；1ϕ、2ϕ分别为体系影响系数和局部影响系数，应根据房屋加固后的状况确定。

针对不同校舍的实际情况应选择相应的增设抗震墙、外加圈梁-钢筋混凝土柱、梁下扶壁柱、廊柱等加固方法。

4 加固设计实例

西安市某小学，建于1983年。原所有施工图纸全部丢失，加固设计数据依据鉴定报告，该建筑为砖混结构，地上3层，建筑物长55.64m，宽16.74m，层高3.3m，建筑总面积1894m2，建筑总高10.2m。楼板部分采用预制板。结构承重方式为纵横墙承重体系，平“凹”呈矩形，基础为条形基础，鉴定该建筑不满足A类建筑抗震鉴定要求，需抗震加固，对基础没有加固要求，墙体依据鉴定报告为240mm。根据鉴定报告及现场踏勘，该建筑物设置了部分圈梁和构造柱。根据鉴定报告结果：建筑物承重墙为烧结普通砖，砖参考评定强度均为MU7.5，砌体砂浆为混合砂浆，强度为M2.5。经计算，墙体抗震承载力不满足抗震鉴定标准要求。加固计算结果表明，在原结构主体增设部分构造柱和圈梁，采用钢筋混凝土板墙加固后墙体基本能满足抗震承载力要求（抗力与效应比）。加固平面如图2所示。

图2 加固平面图Fig. 2 Plane view of reinforcement plan

由于该校舍校方对于建筑外立面有要求，故采用单面内板墙加固，并结合楼面现浇层及钢筋加强带形成内筒体结构形式，并注意了结构刚度与质量的均匀性（住房和城乡建设部工程质量安全监管司，2010）。对于屋面板部分，其上建筑构造层次过多，大面积凿毛非常困难，若处理不当，将达不到预期加固效果，还可能降低了原结构的抗震能力。为此采用屋面板底黏贴碳纤维布、承重横墙侧预制板下加角钢支撑的加固方法。考虑到加固施工工期要求高，对于悬挑走廊增加廊柱，可采用施工速度快的钢柱做法（见图3）。

图3 钢廊柱做法Fig. 3 Steel pillar scheme

5 讨论

中小学校舍抗震加固工作，具有年代跨度大、结构形式复杂、工作量大、任务紧、加固设计比较复杂、施工现场配合任务比较繁重等特点。本文通过对西安市中小学校舍房屋勘察鉴定，以及存在的安全隐患进行的分析和加固方案的探讨，针对高烈度地区砌体结构抗震加固设计有以下几点启示和建议：

（1）针对鉴定的结果和房屋的实际情况，确定采用房屋整体加固、区段加固或构件加固以使房屋达到规定设防要求。如确定为抗震加固，那么其内涵一定是结构加固而非单个构件补强，因此应首先考虑整体性结构加固，尽可能的保留和利用原有构件，减少不必要的拆除和更换，使加固措施发挥综合效应。

（2）对结构的加固，要进行“内加固”或“外加固”的比较，综合建筑、施工等方面的要求确定。

（3）加固后结构的质量、刚度、承载力和变形能力都发生了变化，当采用以提高承载力为主的方案时，要使承载力的提高超过因质量、刚度加大导致地震作用的加大；当采用以提高变形能力为主的方案时，要衡量现有承载力是否达到了相应的最低要求。

（4）加固方法要便于施工，以减少对原结构承载力的损伤。把握关键，突出重点，新旧结合面的处理至关重要，设计方法要与施工方法密切配合，采取有效措施使新增构件与原结构连接紧密，形成整体效应。

韩军，李英民，刘立平，郑妮娜，王丽萍，刘建伟，2008. 5·12汶川地震绵阳市区房屋震害统计与分析. 重庆建筑大学学报，30（5）：21—27.

中华人民共和国国家标准，1989. 建筑抗震设计规范（GBJ11-89）. 北京：中国建筑工业出版社.

中华人民共和国国家标准，2001. 建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）. 北京：中国建筑工业出版社.

中国建筑标准设计研究院，2003. 国家建筑标准设计图集（03SG611），砖混结构加固与修复. 北京：中国计划出版社.

中华人民共和国行业标准，2009. 建筑抗震加固技术规程（JGJ 116-2009）. 北京：中国建筑工业出版社.

中华人民共和国国家标准，2009. 建筑抗震鉴定标准（GB50023-2009）. 北京：中国建筑工业出版社.

赵恩平，杨娜茵等，2009. 北京中小学校、幼儿园建筑抗震调查研究. 工程抗震与加固改造， 33（4）：94.

住房和城乡建设部工程质量安全监管司，2010. 全国中小学校舍抗震鉴定与加固示例. 北京：中国建筑工业出版社.

Seismic Strengthening of School Buildings with Masonry Structure in Xi’an Region

Hou Wei1), Zhou Xuefeng1), Hao Li2)and Shen Jianguang3)
1) School of Architecture & Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China
2) China United Northwest Institute for Design and Research, Xi’an 710072, China
3) Xi’an Institute for Design of Architecture, Xi’an 710035, China

It is an important issue for engineers and technicians that how to improve earthquake resistant strengthening of the primary and secondary school buildings after Wenchuan earthquake. In this paper, some important factors, such as the influences of the construction progress, complexity and construction period are all taken into account in order to choose the corresponding seismic strengthening method which are based on the seismic qualification and on-the-spot survey of school buildings in Xi'an. Some suggestions in the project design are presented in this paper, which can be taken for example on similar engineering.

Seismic strengthening; Masonry structure; Potential safety concerns; Safty of school buildings

侯卫，周雪峰，郝丽，申建光，2011. 西安地区砌体结构校舍抗震加固设计方法研究. 震灾防御技术，6（2）：130—135.

陕西省科学技术研究发展计划项目（2010K01-073），西安工业大学校长基金（XAGDXJJ-06026）

2010-12-27

侯卫，男，生于1975年。硕士，西安工业大学讲师。主要研究方向：建筑结构抗震设计。E-mail:houwei75@163.com