现有底框砌体结构应用于乙类建筑的加固实践

■ 李自强 Li Ziqiang

1 项目简况

上海市公用事业学校凯旋路校区位于上海市凯旋路，内有教育楼、食堂、实验楼、学生宿舍楼、变电站、门卫等多幢房屋。根据国务院办公厅、上海市政府办公厅等政府部门关于中小学校舍安全工程实施方案的通知(简称校安工程)，本校属分类分部实施对象，因此根据上海市教育局的统一部署，由区教育局校舍基建管理站委托同济大学建设工程抗震鉴定委员会对校舍进行抗震鉴定，对各房屋结构安全性和抗震性能作出综合评价。根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)教育建筑中，幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂的抗震设防类别为重点设防类(乙类)，同时按照建设年代划分，确定本次抗震鉴定范围为：教育楼、食堂及浴室、学生宿舍楼1#楼、2#楼共4幢房屋，形成《上海市公用事业学校(凯旋校区)校舍结构抗震鉴定报告》。其中学生宿舍楼1#楼为底层框架-抗震墙砌体房屋结构体系，平面整体近似呈“L”形，东西向长20.64m、南北向长28.04m，共6层，总建筑面积约为2 580m2，房屋底层层高为5.0m，2~6层层高均为3.0m，室内外高差为0.3m，总建筑高度20.3m，底层为体育活动用房，以上各层主要作为学生宿舍使用。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第7.1.2条，乙类建筑不应采用底层框架-抗震墙砌体房屋，《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)第7.1.1条也明确指出底部框架砖房结构适用于丙类设防的砖房，在其条文解释中也指出内框架砖房、底层框架砖房抗震能力较差，这类房屋仅适用于丙类设防的情况，因此本幢房屋具有其特殊性，本文将就此展开。

2 抗震鉴定

2.1 鉴定内容

本次抗震鉴定主要内容有：①结构情况的检测与复核；②房屋相对不均匀沉降趋势与倾斜情况的检测；③房屋主要结构材料强度的检测；④房屋损伤状况的检测；⑤房屋使用荷载的调查；⑥不考虑地震作用下房屋结构安全性的分析与评定；⑦房屋结构抗震性能鉴定；⑧对可能存在的问题提出处理建议。

2.2 学生宿舍楼1#楼现状

学生宿舍楼1#楼采用底层框架砖房结构，底层柱网尺寸主要为3.4m×5.6m、3.4m×7.4m或3.4m×1.8m，框架柱截面尺寸主要为370mm×490mm 或370mm×370mm，2层楼面纵横向框架梁截面尺寸主要为250mm×650mm、240mm×500mm 或240mm×560mm等。2层楼面板采用纵向布置120mm 厚预制混凝土板。2~6层采用砖混结构，主要采用纵墙承重，端部设部分横墙承重，各层承重砖墙厚240mm，采用标准黏土砖和混合砂浆砌筑，各轴纵墙在楼屋面大梁下方设有突出墙面的扶壁砖柱，截面尺寸为370mm×490mm。北侧②~⑧轴部分横墙间距在3.4~17m之间，横向为内廊式布局，中央设1.8m宽走廊，走廊两侧进深为5.6m；南侧①~②轴部分横墙间距为20.4m(图1、2)。各层楼屋面大开间部位横向设截面尺寸为240mm×500mm 或250mm×650mm 的混凝土大梁。各层楼屋板主要采用纵向布置的120mm厚预制混凝土板。各层四周承重砖墙顶设有截面尺寸为240mm×560mm 的混凝土圈梁，内墙未设置圈梁，上部结构未设混凝土构造柱。房屋基础采用柱下混凝土条形基础，基础埋置深度为室外地坪下1.1m。

2.3 主要鉴定结果

(1)材料强度检测结果表明，房屋混凝土强度综合评定为20.1MPa，达到原设计强度等级C18 的要求；2层砂浆强度评定为1.4MPa，3~6层砂浆强度评定为1.5MPa，低于原设计强度等级M7.5(75#) 和M5(50#) 的要求；砖强度等级综合评定为MU10，达到原设计强度等级MU10(100#)的要求。

(2)不考虑地震作用下，房屋底层框架结构的部分框架梁柱承载力不足，且

2 层和3层有部分墙段不能满足竖向受压承载力的计算要求。

(3)房屋外观和内在质量、结构形式、房屋高度、总层数、抗震横墙间距、框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密构造、侧向刚度比值、楼屋盖形式、构造柱和圈梁的设置、墙段实际尺寸最小距离等不能满足国家标准《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)关于 A 类建筑底层框架砖混结构房屋要求。

(4)房屋底层部分框架梁柱不能满足抗震抗剪承载力计算要求，2~4层均有部分墙段不能满足抗震抗剪承载力计算要求。

(5)房屋采用底层框架砖混结构，其结构抗震性能较差，且总高度和总层数均超过规范限值要求，已无法满足乙类建筑的抗震性能要求。

(6)房屋各层采用预制混凝土板，未设混凝土整浇层。

(7)底层框架结构部分的框架柱截面尺寸、梁端及柱端箍筋加密构造等部分满足抗震鉴定标准要求，且部分框架梁柱抗震承载力不足。

(8)房屋上部砖混结构部分抗震横墙间距、构造柱和圈梁的设置、墙段实际尺寸最小距离等不能满足抗震鉴定标准要求，且2~4层部分墙段抗震承载力不足。

3 加固方案确定

本幢建筑建于1986年，原设计未考虑抗震设防，现处正常使用期间；在不遭受地震影响时，有部分构件不满足承载力要求，同时抗震鉴定结果认为：在遭受预期地震影响，其综合抗震能力不足，且与其建筑功能要求的设防类别不匹配，需要进行抗震加固。由于本幢建筑结构体系不满足现行抗震规范对乙类建筑的要求，即使加固后仍然面临此问题，因此在方案设计阶段寻找多种途径的解决方法。对于此类问题可供选择的解决方法有：

(1)改变使用功能，使建筑的抗震设防类别成为标准设防类，即丙类。

(2)改变结构体系，由原来的底层框架-抗震墙砌体结构改建成全框架结构或全砌体结构。

(3)在原结构基础上进行加固，以满足乙类建筑除结构体系外的相关抗震设防要求。

(4)拆除重建。

对于方案(1)，从项目伊始校方一再强调，由于正处入学人数高峰期，且受校址周边条件约束，无法扩建，本宿舍楼的建筑功能必须保留，因此无法通过改变建筑使用功能来改变建筑抗震设防类别以满足抗震规范对结构体系的要求。

对于方案(2)，改变结构体系为全框架结构体系，须在2层以上砖壁柱位置处改为框架柱，沿建筑外轮廓及平面内部分位置框架柱间增加框架梁，同时加固3层及以上楼层原壁柱间次梁，以满足框架梁的设计要求。此加固涉及砖壁柱拆除变框架柱、预制板支承圈梁变框架梁、施工期间楼板层层托换等复杂过程，经初步估算，施工及措施费用已超过新建同类型建筑造价的60%~70%以上，尚不包括原附属设施的更新以及拆除过程中不可预见的原结构构件的替换，因此不被校方采纳。另外改变原结构体系为全砌体结构的方案，需要在底层大空间处增加砌体抗震墙，同时减小周边外墙的开洞面积，由于影响到校方一再希望保全的使用功能，故此方案不可行。

对于方案(4)拆除重建，由于校舍与周边民居净距较近、目前已不满足现行规范关于退界和日照要求、为历史遗留问题，一旦重建就必须按现行规范的要求执行，因此在不影响周边民居的前提下，此栋楼不能建造；且拆除重建即使能满足规划要求，但造价过大，已远超出批准预算的允许，不具备拆除重建可能性。

综合上述分析，唯方案(3)在原结构基础上进行加固，以满足乙类建筑除结构体系外的相关抗震设防要求可行。针对实际情况，设计方对于本幢宿舍楼抗震加固的基本思想是：从实际出发，在保持建筑本来面目及建筑功能完整性的前提下，对不考虑地震影响时承载力不足的部分进行加固，同时按现行规范对乙类建筑的抗震设防要求进行抗震加固，在原有基础上提高本幢建筑的抗震性能，加强结构的整体性、抗倒塌性，提高结构的综合抗震能力，以便在地震发生时最大程度地保证教师学生的生命安全。

3 加固设计

本地区抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.9s，本幢建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类)，按设防烈度8度采取抗震措施，抗震鉴定为A类建筑，后续使用年限为30年。

加固设计采用中国建筑科学研究院PKPM系列“砌体鉴定加固设计软件”的JDJG计算软件和“砌体结构辅助设计软件”的QITI计算软件。针对该楼抗震鉴定存在的主要问题，抗震加固采取以下主要措施：

(1)对于鉴定报告指出的材料强度低于原设计值的，加固设计取值不高于鉴定结果值。

(2)房屋原设计采用底部框架-砌体抗震墙结构，抗震性能比较差，故按8度设防烈度要求对底层框架增设混凝土抗震墙，提高底层刚度，从严要求，使得上部结构与底部结构刚度比不大于2.0，不小于1.0，而非7度抗震时的刚度比不大于2.5、不小于1.0。计算结果显示：X方向刚度比为1.39，Y方向刚度比为1.30。钢筋混凝土抗震墙按II级抗震等级采取抗震构造措施，并按加强部位、约束边缘构件进行截面设计；同时对底层框架梁、柱采用增大截面并加大配筋并按抗震等级I级采取抗震构造措施，提高结构的抗震性能和承载力(图3、4)。

(3)根据鉴定报告，对原结构材料强度偏低、实际局部最小距离和抗震受剪承载力偏低的墙体采用钢筋网片水泥砂浆加固。

(4)根据鉴定报告，房屋上部砖混结构原设计未设置构造柱，对原砌体砖柱采用外包混凝土加固等代构造柱的方法提高整体性。

(5)根据鉴定报告，房屋上部砖混结构仅外墙设置圈梁，现在对未设置圈梁的内墙采用新增圈梁的方法提高上部结构的整体性和抗震性能(图5~7)。

(6)对原结构混凝土强度偏低的大梁，采用黏贴碳纤维布进行加固。

(7)原上部结构横墙间距较大，采用板面新增整浇层方法提高楼盖的整体性和结构的抗震性能。

(8)对新增剪力墙部位的基础进行增大截面加固，使得原混凝土条形基础能满足承载力的要求。

图5 2~6层新增圈梁及壁柱加固平面图

最终，后续审查和咨询部门也认可此加固基本思想和加固方法。

5 结语

综上所述，本文通过“校安”工程中一栋结构体系不适用于现行抗震规范的现有建筑的加固设计，展示了抗震鉴定、加固方案比较、加固思想形成、加固设计主要方法等过程。对于现有的、正在使用的校舍工程，由于受建造年代缺少抗震设计的限制，甚至结构体系不符合现行抗震规范要求，且现有建筑必须继续履行当前功能时，现实的设计思想是通过合理设计、适当加固，在原有基础上提高现有建筑的抗震性能，加强结构的整体性，提高结构的综合抗震能力，以达到加固目的。“校安”工程将在既定范围内深入展开，本项目的加固实践可为同类型工程提供有益的参考。