中小学砌体结构校舍抗震加固设计实践研究

盛知文

摘  要：抗震加固设计的有效性直接影响后续校舍抗震加固的质量。该文通过研究抗震设计和抗震加固的相关的规范、标准以及工程文献资料，系统地介绍校舍抗震加固的设计过程和设计要点，重点分析常见砌体结构的抗震加固的受力特征和抗震加固抗震验算公式并提出抗震加固设计中可能存在的问题及解决对策。

关键词：砌体结构；校舍；抗震设计；抗震加固；受力特征

中图分类号：TU352.11      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）14-0112-04

Abstract： The effectiveness of seismic strengthening design directly affects the quality of seismic strengthening of subsequent school buildings. By studying the relevant codes， standards and engineering documents of seismic design and seismic strengthening， this paper systematically introduces the design process and key points of seismic strengthening of school buildings. This paper focuses on the mechanical characteristics and seismic checking formula of seismic strengthening of common masonry structures， and puts forward the possible problems and countermeasures in seismic strengthening design.

Keywords： masonry structure; school building; seismic design; seismic strengthening; stress characteristics

汶川大地震发生一周年后，国务院正式启动了以抗震加固、提高综合防灾能力为目标的中小学校舍安全工程。对现有校舍建筑进行加固改造，是增强校舍建筑抗震承载力和减轻地震灾害的有效措施。

1  中小学校舍抗震加固设计的一般要求

对于校舍抗震加固设计来说，首先应选择具有合法资质条件的设计单位，其次设计单位在对学校加固设计时应以抗震鉴定报告为基础，再次加固设计时要满足相关的规范，最后校舍加固的设计文件要标注工程的后续使用年限，设计中选用质量符合国家规定的建筑材料、建筑构配件和设备等，保障抗震加固后的校舍安全。

2  中小学校舍抗震加固设计最优方案确定

2.1  抗震加固设计原则

中小学校舍抗震加固设计除了要满足一般要求，还要满足以下设计原则：抗震加固设计时要考虑结构布置的合理性，包括新增构件的布置要满足建筑的刚度和构件沿高度分布均匀等规则性要求；地震作用传力途径要清楚；对抗震薄弱层进行复核，既要复核原抗震结构的薄弱层又要复核加固后形成的新薄弱层；对于不同类型的承重结构、不同类型连接部位加固的承载能力与变形能力要高于其他一般部位。在加固设计时，要考虑抗震加固施工的方便。由于地基基础加固难度较大，所以在加固设计时尽量减少加固地基基础施工的工作量①。

2.2  抗震加固設计的依据

除了抗震鉴定报告是抗震加固设计的依据以外，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技术规程》[1]等国家的相关规范和标准也是抗震加固设计的重要依据。

2.3  抗震加固技术

抗震加固如果从广义上讲，一般有2种方式。一种是直接加固，是指直接增强结构承受外部作用的能力，例如钢筋混凝土套加固、钢筋网砂浆面层加固和钢构套加固等。另一种是间接加固，主要是指通过改变结构受力体系和结构使用用途。如果从加固结构类型考虑，中小学校舍抗震加固，主要有砌体结构加固、混凝土结构加固和木结构加固技术等②。

当前砌体结构的抗震加固主要方法：①水泥灌浆加固。该方法主要用于临时补强的墙体，非有害墙体裂缝修补。②增设钢筋混凝土墙加固。该方法主要用于抗震承载力不足和开间较大的砌体结构。③钢筋混凝土外加层加固。该方法主要适用于砖柱承载力不足时。④外包钢加固。该方法主要用在砖柱预制板端部连接加固[2]。

2.4  抗震加固方案确定

抗震加固方案确定是一个综合比较的过程。在确定方案时首先要查阅以往校舍建筑建设的相关资料和图纸，熟悉抗震鉴定报告，了解校舍建筑实际情况。其次，要知道相关抗震加固的规范和标准。接着，还要依据鉴定结果、工程实际情况处理好相关关系。例如结构施工的选择方式，如果使用建筑内部加固便于保持外立面效果不改变，但加固工作对校舍的正常使用影响较大，加固完以后也会减少教室的使用面积。选用外部加固虽然对校舍的正常使用影响较小，但是横向综合抗震能力相差较大时就起不到应有的加固效果[3]。总之，在选择抗震加固方案要在确保达到抗震设防要求的前提下，尽量选择设计方便、施工方便、加固工作量较少，对原有结构破坏最少，对校园环境影响最小，成本最低的加固方案。

3  砌体结构的中小学校舍抗震加固

3.1  加固砌体结构的受力特征

由于抗震加固后的砌体结构大多属于组合截面或组合结构，根据Ganz.H.R、Tomazevic.M、Lutman.M和国内专家对砌体抗震性能研究可知，在一般情况下，砌体结构加固前和加固后受力性能变化较大③。加固后受力变化较大的主要原因：一是由于加固以后的砌体结构主要由2部分组成，一部分是原有砌体结构，另一部分是新加砌体结构。新增加的砌体结构可能和原有砌体结构的材料相同也可能不同，这就导致了由于材料的不同在受荷载以后其受力和变形不同步。二是由于加固以后的砌体结构或构件属于二次受力结构或构件。二次受力是特殊的受力特性，新旧两部分存在应力超前和应力滞后的现象，受力十分复杂。因为原结构在加固荷载增加之前和加固施工的过程中就已经受力，加固后增加的荷载由新旧2部分共同承担。这样就导致了加固后的结构应力和应变的不同③。

3.2  砌体结构加固方法

一般来说，砌体校舍加固方法的选择应根据校舍抗震鉴定结论而定，当层数超限值时，可以采用降低层数法、改变房屋的用途重新鉴定的方式和重新建立新的结构体系加固。当校舍建筑的整体性不满足要求时，可以通过加固墙体、增设圈梁和构造柱等方式，提高校舍建筑的整体性。当综合抗震能力指数或墙体承载力不满足要求时，如果差值较大即可采用钢筋板墙进行加固也可按照加强构造措施而不对墙体进行加固的方法进行加固，如果差值较小可以采用钢筋网水泥砂浆面层进行加固等。

3.3  砌体结构抗震加固设计

砌体结构抗震加固设计的过程是一个复杂的过程，这里结合砌体校舍加固设计的实际情况和现行的设计规范，分别介绍砌体结构校舍加固设计中常见加固方法的设计计算分析、构件加固的节点和一些设计要点。

一般来说，依据抗震加固相关规范，加固方案确定后砌体结构校舍的加固设计计算可以选用抗震综合能力指数法和构件承载力抗震验算的方法。当砌体校舍属于A类建筑时优先选用抗震综合能力指数法进行抗震加固设计计算分析，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，加固后的简化的综合抗震能力指数？茁S公式如下

式中：η表示加固增强系数；？渍1和？渍2分别表示为体系影响系数和局部影响系数；？茁0表示为楼层或墙段原有的平均抗震能力指数④。当计算得到综合抗震能力指数？茁S≥1.0，则加固后楼层或者是墙段满足抗震加固规范的要求，否则要重新进行抗震加固设计。当砌体校舍属于B类建筑时，应采用构件承载力抗震验算的方法进行抗震设计计算分析，其验算公式如下

S≤？渍1？渍2RS/？酌RS，             （2）

式中：S表示地震作用效应；RS表示构件加固后的抗力；？酌RS为抗震加固后的承载力调整系数[4]。当砌体校舍构件抗震承载力验算满足式（2）要求時，加固后的砌体校舍构件满足要求，否则要重新进行抗震加固设计。在工程中常见的砌体抗震加固设计如下。

1）当抗震鉴定时计算得到的综合抗震能力指数与规定值相差较小，或者只有个别楼层与规定值略有差别时，这时选用水泥砂浆或钢筋网水泥砂浆面层加固，对于采用这种加固方法在抗震加固设计时要注意原墙体的砂浆强度等级实测值不宜大于M2.5，面层砂浆的强度等级宜为M10，面层的厚度水泥砂浆面层不宜小于20 mm，钢筋网水泥砂浆不宜小于35 mm。钢筋网直径宜为4 mm或6 mm等。当为A类校舍时，通常用综合抗震能力指数法进行抗震承载力验算，在分析时采用式（1），将加固增强系数η换成墙体或墙段面层加固增强系数ηpij，

， （3）

式中：ηpij表示第i楼层第j墙体或墙段面层加固的增强系数；η0为基准增强系数；tw0加固前墙体厚度，mm；fVE表示加固前墙体的抗震抗剪强度设计值，MPa。将ηpij代换式（１）的η，计算得到墙段或者墙体加固后的抗震综合能力指数。结合抗震综合能力指数得出，当满足式（4）时墙段或者墙体抗震加固后符合要求，当满足式（5）时墙段或者墙体抗震加固后不符合要求。

式（6）（7）（8）中：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墙段的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。当为B类校舍时，加固后墙体的抗震承载力验算通常采用抗震设计规范的方法。由于砌体校舍在地震破坏时主要是由水平地震作用引起的，那么对于砌体结构来说，主要表现的是墙体水平剪力承载力不足而引起的破坏，因此在对砌体校舍抗震加固承载力验算时主要验算的是墙体的水平剪力承载力是否满足规范要求。结合式（2），考虑设计因素将公式中所有的作用都换成设计值。这时把式（2）中的作用效应S换成墙体水平作用剪力设计值V，把加固后构件抗震的抗力RS换成加固后墙体剪力承载力设计值VS得到

式中：η为验算墙体的加固增强系数；VR0为验算构件原有的受剪承载力设计值。对于选用水泥或者是钢筋网水泥砂浆面层加固墙体的加固设计节点详图如图1、图2所示。

2）当原有结构的综合抗震能力指数或墙体抗震承载力与规定值相差较大时可采用板墙加固方法。该法在抗震加固设计时要注意，首先只有原墙体砌筑的砂浆的实际强度等级不低于M2.5时，才可采用此方法；其次新增墙体的混凝土强度宜采用C20和板墙加固应自下而上连续，板墙应有基础且原砖墙相同埋深；最后板墙中设置相互可靠拉结的集中配筋带，可不另设圈梁构造柱。板墙加固设计时，静力荷载由原砖墙承受，板墙仅承受地震作用。加固后的抗震验算也采用抗震综合能力指数法和抗震规范设计的方法。验算公式同式（4）（5）（7）（8）（12）。钢筋混凝土板墙加固设计部分常用节点详图如图3所示。

3.4  抗震加固设计在砌体结构校舍中存在的问题及解决对策

经过研究发现，抗震加固设计在砌体结构中存在的问题主要有以下几方面。

1）在抗震性能验算时，设计人员过于依靠pkpm软件。例如对砌体结构墙体抗震验算时，一般直接依据软件验算的结果，判定墙体抗震的承载力是否满足要求。由于软件本身的参数较多，在建筑抗震等级的设置时，软件不会根据结构的设防烈度和结构的总高度调整抗震等级[5]，只能是设计人员自己在软件中修改，可能因为设计人员未调整抗震等级导致验算结果错误。对于这种情况设计人员应该加强抗震概念设计，根据实际情况，认真核查软件参数的设置，抽取部分构件进行手算，检验验算的准确性。

2）在抗震加固设计时，加固方案选择不合理。例如，在砌体校舍抗震鉴定中发现局部墙体的抗震承载力不足，而对该墙体采用混凝土板墙加固，这时就会导致加固以后的墙体刚度与周边墙体的刚度相差较大，加固后的墙体延性较差，抗震能力较差。对于这种情况，首先应该选择多种抗震加固方案，比较各种方案的利弊从中选择最合适的加固方案，其次在抗震加固设计方案选择时，要重视局部加固方案的抗震验算，防止由于加固以后的局部构件的刚度过大，使建筑的其他未加固的部位变成受力薄弱构件，影响建筑的整体抗震能力，降低了加固效果。

3）在新增混凝土抗震墙设计时，忽略新增墙体与原有砌体墙体的搭接处理。新增混凝土抗震墙设计时，若和原有建筑砌体墙相接，由于和原有砌体墙是2种不同的材料，加固以后二者变形不一致，这样就会使二者相接处出现裂缝，因此在与原有砌体墙相接处，用水泥砂浆钢筋网进行搭接处理，增加原有墙体的变形能力，提高抗震加固设计效果。

4）在抗震加固设计时忽視了施工因素。在抗震加固设计时要考虑，当地施工加固企业的施工水平，采用与施工水平一致的加固设计方案。

4  结束语

除此之外，砌体校舍抗震设计时，受地方政府抗震加固资金的限制，在抗震加固设计时应该选用低成本的加固设计方案。总之，在抗震加固设计前，设计人员确定一个在满足加固经济条件要求的前提下，同时满足工期和简单施工工艺要求的设计方案。在精选的设计方案指导下进行加固施工图的设计，这样可以提高设计效率，保证设计的质量。

注释：

① 童晓蕾.中小学校舍抗震加固及技术经济评价研究[D].杭州：浙江工业大学，2011.

② 袁海军，姜红.建筑结构检测鉴定与加固手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

③ 吴昊.砌体结构教学楼抗震性能及地震破坏机制控制研究[D].成都：西南交通大学，2013.

④ 中国建筑科学研究院.建筑抗震鉴定标准：GB50023—2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院.建筑抗震加固技术规程：JGJ 116—2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 王静.学校多层砌体房屋抗震鉴定问题的研究[D].南昌：南昌大学，2009.

[3] 程绍革，史铁花，戴国莹.现有建筑抗震加固的基本规定[J].建筑结构，2011，41（2）：128-131.

[4] 吴旗.谈砌体结构抗震加固设计方法[J].工程建设与设计，2018（9）：15-17.

[5] 栾向军.浅谈钢筋混凝土结构检测鉴定中遇到的几个问题[J].工程科技，2007（2）：288-290.