某中学教学楼的安全鉴定与抗震加固

马 琛 王洪良

（1.济钢集团国际工程技术有限公司，山东 济南 250101；2.同圆设计集团股份有限公司，山东 济南 250101）

中小学教学楼是人员密集且使用频繁的场所，中小学生是国家和社会的未来，也是最优社会价值和最为脆弱的社会成员[1]。中小学建筑在我国的数量巨大，当教学楼的抗震性能不足时，其受到较大地震冲击作用后，不可避免地造成巨大破坏，并给师生的生命财产安全带来巨大的威胁。以汶川地震、玉树地震和甘肃积石山地震为例，教学建筑在地震波作用下的受损程度与其是否满足建筑抗震规范密切相关[2-3]。考虑到使用学校建筑的重点人群，提高和加强中小学教学楼的抗震设防烈度显得尤为重要，在充分评估结构物的安全性能后，采取必要的抗震加固措施具有十分重要的现实意义[4]。

1 工程概况

山东省济南市某中学教学楼修建于2000年，为4层框架结构，建筑面积为1188m2，平面为规则矩形，平面宽度为6.6m，平面长度为180m，建筑高度为14.4m，每层结构高度均为3.6m。结构采用独立基础形式，楼盖、楼板、梁柱均采用现浇混凝土施作，混凝土强度等级均为C35，其中楼盖的厚度为140mm，楼板的厚度为120mm，主梁截面尺寸为250mm×600mm，次梁截面尺寸为200mm×300mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，钢筋材料强度均为HRB400，混凝土保护层厚度为35mm，采用砖砌墙体，墙体的厚度为240mm，砖墙强度等级为MU5.0，首层柱轴压比为0.49，二层柱轴压比为0.36，三层柱轴压比为0.24，四层主轴压比为0.17。建筑场地类别为II 类，框架结构抗震等级为三级。受到建筑修建时期的资金限制，建筑设计的抗震设防烈度不足，同时，为提高建筑为抗震性能和危险排查的需要，需要将建筑物抗震设防烈度6 度提高到7 度，因此，需要对教学楼结构进行安全性检测和评估，并采取必要的抗震加固措施，提高其抗震设防烈度。

2 基于超声回弹检测的钢筋混凝土结构安全鉴定

2.1 结构强度测试方法

为全面检查和评估结构的安全性能，运用超声回弹检测的方法对混凝土承重构件进行检测。回弹法是基于混凝土表面硬度与强度之间的相关性来推算混凝土的抗压强度，即回弹仪弹簧驱动的重锤在撞击混凝土表面时，由于混凝土的表面硬度使得的初始动能被部分回弹，回弹能量的大小直接反映在重锤被反弹回来的距离值上，结构的强度越大，回弹值也越大，结构存在缺陷或强度不足时，其回弹值也越小[5-6]。试验采用的混凝土回弹仪为ZC-A3 型回弹仪，标称动能为2.207J，弹击拉簧刚度为7.85N，弹击锤冲击长度为75mm，弹击拉簧工作长度为61.5mm，弹击锤与弹击杆硬度为HRC59～63，弹击杆端部球面半径为25mm，测试时对同一构件同一测区内测试16 个回弹值，并剔除3个最大值和3个最小值，取中间10个进行平均，得到测区的平均回弹值Rm。

超声波检测混凝土强度的基本原理是振动机械波在不同物体介质中的传播速度不一，与材料的强度或力学性能之间具有明显的相关性，当混凝土结构密实且强度高时，超声波在构件内的传播速度快，而当混凝土结构强度低或者存在空洞裂缝等缺陷时，超声波在构件内的传播路径增加，传播时间加大，导致其传播速度降低[7]。试验采用的超声波装置系统如图1 所示，图中的发射换能器和接收换能器可以互换，均为主频48kHz 的窄带压电陶瓷换能器，数据采集设备为ZBLU510非金属超声波检测仪，采样周期为0.05μs～400μs，频带宽度为10kHz～250kHz，增益精度为0.5dB，发射脉宽为20μm～20ms。

图1 超声波检测混凝土强度的装置系统

对回弹数据与超声波数据进行分析，可计算得到卵石做粗骨料和碎石做粗骨料的被测构件混凝土单轴抗压强度[8-9]，见式（1）和式（2）。

式中fcu-被测构件的混凝土立方体单轴抗压强度，MPa；V-混凝土的实测超声波速度，m/s；Rm-混凝土的回弹值，MPa。

2.2 结构强度测试结果分析

图2 为基于超声回弹法得到的各个结构构件的强度值。

图2 基于超声回弹法得到的各个结构构件的强度值

由图2 可知，主梁的实测单轴抗压强度平均值为36.5MPa，合格率为98%；楼板的实测单轴抗压强度平均值为35.9MPa，合格率为97%；柱子的实测单轴抗压强度平均值为37.2MPa，合格率为95%；次梁的实测单轴抗压强度平均值为35.6MPa，合格率为97%；楼盖的实测单轴抗压强度平均值为35.8MPa，合格率为87%。所有结构构件的单轴抗压强度实测平均值均大于立方体单轴抗压强度标准值，力学性能满足安全要求。

3 基于有限元分析的结构抗震加固分析

3.1 结构抗震加固分析模型的建立

为提高建筑结构的抗震性能，提出两种不同的抗震加固方案，分别为工况A：增加框架柱，在结构的走廊方向增设一排框架柱，框架柱的位置在每间教室的中部，框架柱的混凝土等级为C35，截面尺寸为300mm×450mm；工况B：增设隔震垫，其主要原理是通过在柱基础中增设隔震垫后提高结构的自振周期，采用“一柱一支座”的布置方法，隔震钢支座压应力限制为12MPa，支座直径为400mm，共在20个柱体布置铅芯支座。

基于有限元分析方法对两种不同抗震加固工况进行时程分析。借助ETAB2022 模拟分析软件建立结构的三维分析模型如图3所示，计算时楼面活荷载取值为2.0kN/m2，结构自重按容重2.5kg/m3取值，楼期间和走廊活荷载取2.5kN/m2，为更真实反映结构在地震波的弹塑性反应，时程分析选取了EL 地震波进行模拟，其时程曲线如图4所示。

图3 中学教学楼数值模拟计算三维模型

图4 EL-Centro地震波加速度时程曲线

3.2 结构抗震加固计算结果分析

图5 为不同抗震加固方法下结构X 向层间位移随楼层高度的变化曲线。

图5 结构X向层间位移随楼层高度的变化

由图5 可知，不同工况下，结构X 向层间位移均随着楼层的增加呈现非线性增加的趋势，其中工况A的X向层间位移从2.95mm 增至13.49mm，增幅为357%，工况B的X向层间位移从15.76mm增至20.25mm，增幅为28%，原结构的X向层间位移从4.93mm增至16.14mm，增幅为227%。在相同楼层位置，相对于原结构，工况A的X 向层间位移减小，而工况B 的X 向层间位移增加，以第4层为例，工况A和工况B的X向层间位移分别为原结构的0.82 倍和1.22 倍，这是因为采用框架柱加固工况增大了结构刚度，而采用隔震钢支座加固则有更大的弹性变形能力，结构刚度相对较小，整体位移增加。

图6 为不同抗震加固方法下结构Y 向层间位移随楼层高度的变化曲线。

图6 结构Y向层间位移随楼层高度的变化

由图6 可知，与X 向层间位移变化规律相似，在不同工况下，结构Y 向层间位移均随楼层的增加呈现非线性增加的趋势，其中工况A 的X 向层间位移从2.36mm 增至10.09mm，增幅为327%，工况B 的X 向层间位移从4.5mm增至13.17mm，增幅为193%，原结构的X 向层间位移从3.69mm 增至12.46mm，增幅为237%。与X向层间位移不同的是，工况B相对应原结构的层间位移大幅度降低，相同楼层位置，相对于原结构，工况A的Y 向层间位移减小，而工况B 的Y 向层间位移增加，以第4层为例，工况A和工况B的Y向层间位移分别为原结构的0.8倍和1.05倍。由此表明，采用框架结构的抗震加固技术，结构在X向和Y向的层间位移均较大，采用隔震钢支座的抗震加固技术则容易使结构产生空间扭曲。

图7 为不同抗震加固方法下结构层间剪力随楼层高度的变化曲线。

由图7可知，不同抗震加固工况下的结构层间剪力随着楼层高度的增加均呈非线性增加，其中工况A 的层间剪力从700kN 减至230mm，减少了67%，工况B 的层间剪力从600kN 减至220kN，减少了63%，原结构的层间剪力从210kN 减至50kN，减少了76%。相对于原结构，工况A 的层间剪力略有增加，而工况B 的层间剪力则大幅度减小，以第4 层为例，工况A 和工况B 的层间剪力分别为原结构的1.16倍和0.35倍。这是因为框架结构的主要借助自身的刚度进行抗震消能，而隔震钢支座具有较好的弹性变形能力，通过形变势能消耗地震能量，其剪切变形较大，但其剪应力较小。综合考虑两种不同的抗震加固工况，采用框架柱结构的抗震加固技术后结构的层间剪力增加不大，层间位移减小，且采用柱底隔震钢支座的方式需要对结构进行顶升，工作量庞大，因此，确定采用增加框架柱结构为最优的加固方案。

4 结语

本文以某中学教学楼为研究对象，运用超声回弹实测方法对结构的强度进行检测，并基于有限元分析方法对不同加固措施的建筑抗震性能进行对比分析，研究结构的层间位移、层间剪力的变化规律，得出以下结论：

（1）超声回弹实测结果表明，所有结构构件的单轴抗压强度实测平均值均大于立方体单轴抗压强度标准值35MPa，结构的力学性能满足安全要求。

（2）结构X向和Y向层间位移均随着楼层高度的增加呈非线增加，相对于原结构，采用框固技术可以减少X 向和Y 向的层间位移，而采用隔震钢支座的抗震加固则反之。

（3）不同抗震加固工况下的结构层间剪力随着楼层高度的增加均呈非线性增加，相对于原结构，工况A的层间剪力略有增加，而工况B 的层间剪力则大幅减小。