连体砖混结构不同处理方案的抗震安全性评价

宿铁军,周金顺,赵 岭,石玉青,刘 浩,李亚旭,陈 鹏

(1.胜利油田职工住房建设项目管理部,山东 东营 257000;2.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580;3.浙江能源集团浙江金衢丽天然气有限公司,浙江 杭州 317000;4.中建八局一公司,山东 济南 250100)

砖混结构的建筑材料本身延性差,刚度大,抗拉、抗弯和抗剪强度低,抗震性能不高,加固需求大[1-3]。目前在非城市卫生系统中,砖混结构依然常见[4],医疗建筑属于规范规定的重点设防类建筑[5],其抗震性能必须予以重视。由于功能需求,在医院主体结构之外会设计一些小结构物。有些较小的结构,和主楼连在一起时,抗震鉴定合格;但这样设计不符合现行抗震规范的抗震理念,需要断开连接并加做抗震缝处理,断开之后的抗震性能需要重新分析。

并不是所有的结构都适合加固:某些结构加固的成本高效果一般,性价比不高;某些使用多种加固方案后验算抗震性能依然不符合要求;某些建筑本身已经不大满足使用需要,加固意义不大,不如拆除重建。因此在做出最终的加固决定之前,需要做加固可行性判定。为提高投资的效益,保证医疗单位使用安全和使用需求,本文做了基于PKPM的一层砖混结构体检楼断开前后的抗震性能比较和加固可行性研究,可为类似工程提供参考。

1 体检楼概况和抗震鉴定

某矿山企业CL卫生院的体检楼处于南面门诊楼和北面病房楼之间,这种设计可方便门诊部和病房部的病人体检和取药。南北向的大过道,除了沟通体检房的交通,同时兼沟通门诊楼和病房楼交通的作用。体检楼主要房间是B超室、X光室等体检设备房间和体检房间,以及处于东部的药房。为一层结构,无圈梁,少数部位有构造柱。南面门诊楼和北面病房楼均是4层砖混结构。

图1 体检楼三维图(左边是南部门诊楼,北面的病房楼未画出)

由于不同年代设计理念的不同,该体检楼和其南面和北面的楼在结构上没有分开,这在现行的抗震规范中是不允许的。因此,需要对此做断开处理,断开后在原连接处设置抗震缝。

根据《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)第3.0.3条,B类建筑的抗震鉴定,应检查其抗震措施和现有抗震承载力再做出判断。当抗震措施不满足鉴定要求而现有抗震承载力较高时,可通过构造影响系数进行综合抗震能力的评定;当抗震措施鉴定满足要求时,主要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的95%、次要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的90%,也可不要求进行加固处理[6]。

该结构地基和基础的鉴定无问题;单层结构,层数和高度均满足要求;层高也满足要求;抗震横墙最大间距为6.6m,小于18 m最大间距;高宽比满足要求;屋盖为装配整体式屋盖,满足要求;本建筑普通砖的强度为13.7,符合要求;砂浆为1.24,不符合要求;混凝土最低检测值均超过C15,符合要求。墙体在平面内没有闭合,不符合要求;七度设防下单层结构的构造柱设置没有要求,虽无构造柱也满足要求;由于使用装配式预制混凝土屋面板,无圈梁,不符合5.3.5条中3-1“外墙和内纵墙屋盖处和隔层楼盖处应有圈梁;内横墙屋盖处和楼盖处应有圈梁,屋盖处间距不应大于7m”要求,但符合5.3.7条“现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖与墙体有可靠连接的房屋,可无圈梁,但楼板应与相应的构造柱有钢筋可靠连接”,由于单层结构简单,故此项判定符合规范。另外部分墙体有明显空鼓、粉刷酥碱,局部承重墙体上发现裂缝。综合以上,判定该单层结构一级鉴定基本满足,可以通过修缮加固弥补砂浆强度低、墙体粉刷层空鼓和墙体有裂缝的问题,通过加钢拉杆圈梁的方式加强墙体未围合处的整体性。

对没分割之前的体检楼验算得知,抗震验算合格(见图2,各个R/S值均大于1),受压承载力验算合格,高厚比计算合格,承载力计算合格且较高。由于该体检楼为一层结构,无主梁,因此未作墙体局部承压验算。因此判定该楼抗震鉴定基本符合规范要求。

2 断开处理前后四种工况介绍

由于体检楼和南北两楼之间必须做断开处理,所以断开之后的抗震性能如何,需要做研究;而有没有必要对此做加固,也应针对断开处理后的结构做判定。

本文进行了基于PKPM的砖混结构体检房的加固可行性判定,主要对未断开的原始结构、断开之后未作加强只做了重砌的结构、断开之后做了加固的结构和新建的做了抗震设计的结构等四种工况的抗震性能进行对比分析,并做了成本方面的比较,最后结合医院的未来发展规划给出了建议。

建模时保证结构尺寸基本一致,使用材料基本一致,以保证可比性。

工况1:未断开的原始结构(未设置构造柱和圈梁);

工况2:断开之后未作加强,只重砌了墙(未设置构造柱和圈梁);

工况3:做了断开处理之后,断开处墙端设置了构造柱,并使用钢拉杆代替圈梁做了加强(未设置构造柱和圈梁);

工况4:新建的做了抗震设计的相同结构(设置构造柱和圈梁)。由于《建筑抗震设计规范》对一层砌体结构的构造柱设置没有要求[7-8],因此本设计仅对外墙四角和对应转角处设置了钢筋混凝土构造柱,同时对南北面墙体断口处设置了钢筋混凝土构造柱。由于装配整体式钢筋混凝土楼屋盖与墙体有可靠连接,规范允许不设圈梁,因此根据墙体分区(最大横墙间距不超过10 m)对内外墙设置钢筋混凝土圈梁。

3 不同处理方案(工况)的处理效果评价及对比

抗震安全性计算(处理效果)是指水平地震作用下砌体墙片的抗震抗剪强度计算。在PKPM中,砖混结构的抗震计算是按照底部剪力法计算各层地震剪力,验算各片墙体和墙段的抗震受剪承载力,以抗力和效应之比R/S值作为结果[9-10]。若数据大于1,即判定认为安全。

基于4种工况的模型,对以上4种工况的抗震承载力计算进行分析。工况1计算结果如图2所示,4种工况整体计算数据见表1～表4。

工况2和工况1相比较,可以看出:即使断开之后不进行任何加固处理,断开这个处理方式也能大大提高抗震性能。其中西区大段纵墙R/S值最大提高2.89,最小提高2.37;东区最大提高5.61,最少提高2.77。西区大段横墙R/S值最大提高6.25,最小提高1.63;东区最大提高5.06,最少提高2.86。断开处理后R/S值最大可以比原始结构提高达109.84%,可见很有必要将该体检楼与南面的门诊楼和北面的病房楼的连接断开。

图2 工况1的抗震安全性验算结果(抗力与效应之比)

表1 西区大段纵墙抗力与效应之比

表2 东区大段纵墙抗力与效应之比

表3 西区大段横墙抗力与效应之比

表4 东区大段横墙抗力与效应之比

工况3与工况2相比较,工况3的R/S值均比工况2的低,其中6个墙段低0.02,4个墙段低了0.01,剩下的墙段则增加了0.17和降低0.05;东区大段横墙,抗震R/S值增加的有三段,分别为1.57,1.14和1.07,降低的也有三段,其中两段为0.01,一段为0.06。分析可得:对于大段纵墙,加固处理比未经加固处理,抗震性能得到微小提高;对于大段横墙,大部分墙段,甚至略有下降,但下降基本很小,属于持平。可见,断开处墙端设置了构造柱以及在与原南边结构墙体连接处墙上使用钢拉杆代替圈梁这些加固措施,对增强抗震性能效果有限。

工况4与工况3相比较,工况4虽然是做了符合抗震规范设计要求的整体加固,其抗震R/S值比只在断开处做了抗震加固处理的工况3,增加并不多,可见抗震性能提高很小。而且由于结构不规则,结构刚度及其承受的地震效应,在做了符合抗震规范设计要求的整体加固之后,被重新分配,抗震R/S值局部出现了降低。

工况2、工况3及工况4相比可以得出:对断口处进行加固处理的工况和设置了圈梁和构造柱等抗震设计的工况的抗震性能,确实要好于仅对断口重砌砖墙的处理,但是抗震性能的提高十分有限。对东西区大段纵墙的抗震R/S值比较发现,有抗震设计的工况4高于断口进行加固的工况3,而工况3高于只是重砌而无加固的工况2,但效果增长不明显。但是大段横墙的规律却不一致,西区工况3的抗震R/S值普遍低于工况4和工况2,东区工况3也有50%的抗震R/S值低于工况4和2,可见对于断口处进行加固补强,肯定可以提高大段纵墙的抗震性能,但是对于大段横墙却不一定。

鉴于断开处理的工况2和未断开的工况1相比能较大幅度的提高结构抗震性能,而断口处进行加固处理的工况3以及按照设置了圈梁和构造柱等抗震设计规范的加固处理的工况4的抗震性能和工况2相比未能有效提高,建议对结构断开之后,只在断口处做基本的修复,不做加固处理。若预算充足,可在断开处墙端设置构造柱,在南边结构墙体断开处墙上使用钢拉杆代替圈梁加强整体性。

由于最近人们对健康越来越重视,对体检的需求大增,农村医疗保险也对乡镇卫生院的体检设施提出了更高的要求。最好的方案是在附近择地新建框架结构的体检楼。

4 相同工况下结构布置对抗震性能的影响

结构布局的变化会造成结构的不规则,进而导致地震剪力的分配变化,影响到各处的R/S值。比如过道和墙体转角,比如局部假设构造柱或圈梁。

对相同工况的不同大段纵墙进行比较分析。对西区大段纵墙的抗震R/S值进行比较,4种工况下,南北两片外纵墙均是大于内走廊的两片墙体,且内走廊北面纵墙大于南面纵墙,北面外纵墙大于南面的。东区大段横墙由于设置不规则,规律性不强。但是仍然可以看出,东区最北面的纵墙8的R/S值最低,这是因为该墙位于墙体转角处,与其他墙体没有连接;而与西区纵墙3处于同一线上的墙段7,R/S值是最高的,可见规则的结构设计同等条件下可以提高抗震性能。

对相同工况的不同大段横墙进行比较分析。位于过道边上的横墙12的抗震R/S值明显低于其他横墙,这与位于空旷无连接的过道有关,与其处于断开处抗震性能被削弱有关,和其处于两种结构布局交界处有关。未断开之前西区大段横墙的抗震R/S值十分接近,断开之后各墙体的抗震R/S值差异拉大,可见断开对结构的规则性和整体性造成了一定影响。东区大段横墙各段横墙工况3的抗震R/S值差异大于其他两种情况,可见局部的圈梁和构造柱加固在提高断口抗震性能的同时影响了地震作用的分配。

5 结 语

老工矿企业的砖混结构医疗楼,绝大部分都是多年以前修建的。很多砖混结构由于建造年代较远,材料性能在长期使用过程中发生变化、钢筋锈蚀、地基不均匀沉降、墙体裂缝、墙体及地基遭受冻融作用粉化等,结构设计也不符合新的抗震规范的要求,或者直接未经专业的设计。这些因素都严重影响了房屋的使用安全和抗震性能。而草率的做出拆除重建的决定,会造成对资源的浪费和环境的污染,也是对该建筑剩余利用价值的漠视,并增加企业不必要的成本;草率的做出加固的决定,可能投资性价比很差。本文对必须做抗震加固处理的该栋砖混结构体检楼做了4种工况的抗震性能计算和对比,提出了仅断开处理而不做全面抗震加固的建议,实现了投资效益的最大化。

[1]张 健,王佳玲,李志明,等.构造措施对采空区砌体结构抗变形的影响分析[J].中国矿业,2012,21(9):106-110.

[2]俞然刚,张 健,周金顺,等.既有砌体结构鉴定加固现状与发展[J].低温建筑技术,2012,34(8):43-44.

[3]俞然刚,张 健,邱世华,等.采空区地表变形对既有砌体结构影响分析[J].科学技术与工程,2012,20(26):6597-6600.

[4]周金顺,张 健,李志明,等.某砖混病房楼抗震加固设计优化分析[J].低温建筑技术,2012,34(9):35-37.

[5]中华人民共和国城乡住房和城乡建设部等.GB50223-2008.建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[6]中华人民共和国城乡住房和城乡建设部等.GB50023-2009.建筑抗震鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7]贾英杰,金新阳.PKPM软件砌体与底框结构设计入门[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[8]中华人民共和国城乡住房和城乡建设部等.GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[9]任卫教,陈岱林,孙松良,等.建筑抗震鉴定和加固设计的软件实现方法[J].工程抗震与加固改造,2010,32(2):103-111.

[10]张利花,罗奇峰,胡群芳.不同抗震设计的砖混结构校舍抗震性能对比[J].灾害学,2010,25(Z1):250-253,263.