南桥小学教学楼结构加固设计的概念与分析

文/袁军 上海沪闵建筑设计院有限公司 上海 201199

1、项目概况

汶川地震后，校舍的结构安全问题凸显出来。2009年开始上海市应《国务院办公厅关于印发全国中小学校舍安全工程实施方案的通知》文件要求，全市展开了对不符合重点设防7 度抗震烈度要求的中小学校舍进行加固的工作。南桥小学教学楼于2017年补充开展此项工作。

南桥小学教学楼分为三个单体，北楼、南楼、辅助楼，均为4 层砖混结构。三个单体楼分别于上世纪80年代～90年代建造，单体间设伸缩缝脱开。本结构加固设计安全等级：一级；抗震设防烈度：7 度（0.10g）；设计地震分组为第二组;建筑抗震设防类别：乙类；B 类建筑，加固后的设计使用年限：40年。本工程承重墙为240 厚粘土砖，横墙间距为7.8 米，楼面采用预制空心楼板，圈梁的布置基本完整，设计保留单体间的伸缩缝。

图1 南桥小学教学楼结构平面布置图

2、主要问题及相应采取的加固措施

按上海市房地产科学研究院提供的《奉贤南桥小学北教学楼、南教学楼、辅助用房抗震鉴定》（2018-K003）结构主要情况及主要存在问题如下。

（1）乙类设防房屋总高度与总宽度（单面走廊房屋的总宽度不包括走廊宽度）的最大比值为2.3，大于2.0。（2）构造柱与墙体连接处砌成马牙槎，但无拉结筋。（3）部分墙体抗震承载力不足，部分墙体抗压承载力不足。（4）北楼承重墙体的砌筑砂浆实际达到的强度等级低于M2.5，砌筑砂浆强度推定值一层至四层均为1.2MPa。（5）教学楼横墙较少、跨度较大的房间，宜为现浇或装配整体式楼屋盖，现状为预制空心楼板。（6）乙类设计的教学楼横墙较少，外墙四角、内外墙交接处、楼梯间四角未设置构造柱或构造柱设置不足。（7）南楼的北侧端头处，结构布置在平面内不闭合，仅靠楼板拉结。（8）承重窗间墙最小宽度1.2m、承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离为1.5m 等局部砌体墙段尺寸略小。

采取加固措施如下：（1）整体上建筑采用加大墙体截面法加固，北楼采用单面、双面混凝土板墙加固方法；南楼、辅助楼采用单面、双面钢筋砂浆面层加固。钢筋砂浆面层加固或者混凝土板墙加固，可较大程度的提高砌体的抗剪、抗压能力。新增砂浆面层或混凝土墙板的内部钢筋使得构造柱、圈梁、墙体与新增混凝土形成有效拉结、形成整体，结合原有砖墙形成抗震墙，以达到加强墙体抗震承载力、加强砂浆强度、增大墙体厚度的效果。（2）预制空心楼板的加固上，采用墙顶增加角钢方式，以增加预制空心楼板搭接宽度，增强整体性。（3）外墙四周、楼梯四角内外墙纵横墙交界处设构造柱，外墙采用捆绑方式增加钢筋混凝土构造柱，内墙采用捆绑方式增加钢箍砖核心构造柱，以改善其承载力、增强建筑整体性。（4）南楼的北侧端头处楼面下增设梁，与两侧原有柱子拉结，以形成结构围合。（5）在满足建筑规范及使用的前提下，门窗适当缩小，以增设混凝土收口，局部增设构造柱，以补强门窗洞口削弱的影响。

除了上述处理方式，结构设计时还采取了下列方法作为加强措施：（1）南楼最北侧外伸段端头的两个承重柱采用截面加大法增大柱加强，以更好的控制建筑在地震作用下产生的扭转效应。（2）通道、开洞四周、窗间墙宽度过小或抗震能力不满足要求的部位，周边增设构造柱，采用双面钢筋砂浆面层或者双面混凝土板墙加固。（3）建筑四角增设构造柱外，建筑四角周边原有墙体即便计算满足，设计也人为的布置了钢筋砂浆面层或者混凝土板墙，以加强其角部刚度、改善平面抵抗地震的影响。

3、电子计算与手算复核

计算上主要采用PKPM 鉴定加固模块按时建模，经计算加固后的高厚比、抗震（抗力与效应之比）、受压承载力计算、局部受压计算等计算均符合设计要求。考虑实际的加固工程有一定的复杂度，电子计算程序可能存在计算偏差，故此进行手算抗震承载力以复核。计算思路及过程如下，依据抗震鉴定报告，本工程为B 类建筑，一二级鉴定都应满足，由于高宽比等不满足规范要求，应按《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）公式5.2.14 计算墙体综合抗震能力指数

βi-为楼层墙体平均抗震能力指数，此处βi应为加固后楼层平均抗震能力指标进行计算，故此应乘以加固增强系数η。即公式为

其中φ1φ2-分别为体系影响系数和局部影响系数。φ1φ2按《建筑抗震加固技术规程》（JGJ116-2009）中 表5.2.11-1 及5.2.11-2 取值，η 按《建筑抗震加固技术规程》（JGJ116-2009）中公式5.3.2-2 及公式5.3.2-1 计算，

η0查表5.3.2.1，插入法求值，tw0原墙厚为240。按《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）公式5.2.13，

Ai-楼层抗震墙在层高1/2 处净截面积的总面积，Abi-楼层建筑平面面积，ζoi-抗震墙的基准面积率，λ-地震7 度烈度及设计基本地震加速度0.1g 参数为1。取最弱处计算，βci大于1，满足要求，不必计算局部墙体综合抗震能力指数。因此，加固后墙体抗震承载力计算满足。

4、加固设计与施工措施

4.1 承重墙增大截面加固法

采用钢筋砂浆面层加固及混凝土板墙加固是砌体结构砖墙较为传统的加固方法，也是目前最为通常的技术。钢筋砂浆面层加固及混凝土板墙加固方法：凿除砖墙粉刷面层，凿除墙顶斜砖，墙体如有裂缝进行修补，敷设钢筋网，钢筋网与墙及构造柱用拉结筋拉结，与原有构造柱拉结措施采用化学植筋，墙顶空隙采用微膨胀细石混凝土灌实，墙面抹高标号（钢筋砂浆面层加固）砂浆或者浇筑混凝土（混凝土板墙加固）。

图2 钢筋砂浆面层/单面混凝土板墙

设计上值需注意，钢筋宜采用HRB335 或HRBF335 级钢筋，钢筋网的横向钢筋遇有门窗时，单面加固宜将钢筋弯入洞口侧边锚固，双面加固宜将两侧横向钢筋在洞口闭合。双面的钢筋网应采用Ф6 的S 型穿墙筋固定，间距宜为900mm，单面加面层的钢筋网应采用Ф6 的L型锚墙筋固定，间距宜为600mm,锚固长度宜不小于180mm。钢筋遇楼板时应进行穿洞，为了减少穿洞对楼板的影响，建议每隔800mm 设穿楼板洞，竖向钢筋面积应不小于设计的每延米的竖向钢筋面积。

混凝土板墙加固混凝土面层厚度不应小于60mm，当采用喷射混凝土施工时，不应小于50mm，竖向受力钢筋直径不应小于12mm。板墙加固应自基础起，混凝土锚入原有基础。

钢筋砂浆面层加固的厚度室内应为35～45mm，室外或潮湿环境钢筋砂浆面层应45～50mm。钢筋网外保护层厚度不应小于10mm，钢筋网片与墙面的空隙不应小于5mm，钢筋网的钢筋直径宜为4mm 或6mm，实心墙宜为300x300。底层的面层，在室外地面下宜加厚并伸入地面下500mm。

4.2 增加外构造柱做法

外墙四角、楼梯间四周及墙体交汇处如无构造柱按计算及相关构造增设构造柱，构造柱布置应上下层对齐，平面上也宜左右对称。设构造柱可提升房屋的整体抗震性，并解决局部承重墙承压不足的问题。

图3 新增构造柱

构造柱应埋置至基础，并于原有条基上增设混凝土锚固柱墩，以使构造柱与原有基础有良好的拉结。构造柱直径应不小于12，与楼层圈梁有可靠连接，形成整体，上述措施这样可以使构造柱与圈梁共同作用，将砌体分块包围又共同作用，同时采用刚4Ф12 拉杆于楼层1/3 及2/3 层高处与垂直方向的内墙进行拉结，使内墙与构造柱形成一个整体，上述措施能良好的控制砌体的裂缝产生，保证建筑的整体性完整及与原有结构的共同作用效应。

4.3 预制空心楼板增设角钢加固

预制空心楼板下采用化学锚栓锚固与墙顶圈梁固定角钢，角钢固定后缝隙灌注环氧树脂胶粘结角钢，以增加其搁置长度，避免其地震中预制楼板突然脱落、瞬时倒塌的可能性。采取角钢加固是目前广泛应用的楼板加固方式，相对其他方法也很大程度上减少了施工的复杂程度。

4.4 柱增大截面加固法

南楼最北侧外伸段端头的两个承重柱经计算，其纵筋已不满足设计强度要求，其箍筋设置不满足现行规范的要求，截面加大法能较好的解决柱子的纵筋和箍筋不足的问题。增大截面也有利于其抵抗地震力。

小结：

加固工程有多种方式方法，设计人员应结合实际进行恰当的加固方法选择，尤其校安工程加固的设计其特殊性：它牵涉广大师生们的安全，是社会的焦点；校安工程加固的作业时间不宜拉长，尽量控制施工周期，以让学校尽早回迁，开展正常的教学秩序。所以在设计应进行合理的计算和分析，选用安全上可靠，技术上成熟，时间上可控的方案进行加固作业。