張利花,羅奇峰,胡群芳

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;2同濟(jì)大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所,上海 200092)

0 引言

磚混結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、施工方便、造價(jià)低廉,在我國大部分地區(qū)均有應(yīng)用。磚混結(jié)構(gòu)中墻體是房屋的承重結(jié)構(gòu),也是抵抗水平地震力的唯一構(gòu)件,而磚屬脆性材料,抗震性能很差,若未經(jīng)合理抗震設(shè)計(jì),其抗震性能非常差,故未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)的磚混結(jié)構(gòu)必須要對其進(jìn)行抗震加固改造。

在中小學(xué)校舍中,尤其是農(nóng)村中小學(xué)校舍,大部分都是磚混結(jié)構(gòu)。汶川地震和玉樹地震中,都有磚混結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象,究其原因,除了高烈度地區(qū)地震破壞作用大大超出設(shè)防烈度水準(zhǔn)的原因以外,缺乏抗震設(shè)計(jì)也是部分老舊校舍倒塌或嚴(yán)重破壞的原因之一。

中原地區(qū)某縣校舍鑒定匯總反映,磚混結(jié)構(gòu)占該地區(qū)全部結(jié)構(gòu)形式的99%。因此,對磚混結(jié)構(gòu)校舍的抗震性能分析十分重要。本文就磚混結(jié)構(gòu)三種工況,即未考慮抗震設(shè)計(jì)、考慮抗震設(shè)計(jì)和未考慮抗震設(shè)計(jì)但進(jìn)行了抗震加固改造,對該地區(qū)一磚混結(jié)構(gòu)校舍的抗震性能進(jìn)行計(jì)算,并做對比分析。

1 磚混結(jié)構(gòu)的抗震措施及抗震驗(yàn)算

(1)磚混結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

磚混結(jié)構(gòu)的震害表明,其材料脆性導(dǎo)致抗震能力存在明顯的不足。在進(jìn)行磚混結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),必須從房屋高度、建筑與結(jié)構(gòu)布置以及結(jié)構(gòu)材料與施工上全面注意,其中一項(xiàng)重要構(gòu)造措施是設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱等形成構(gòu)件約束。

磚混結(jié)構(gòu)平面布置宜規(guī)則、對稱、剛度均勻,墻體布置宜連續(xù)、貫通。必須通過抗震計(jì)算判斷抗震承載力是否足夠,并分析、判斷抗震薄弱環(huán)節(jié)。抗震設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)》等現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定[1]。

(2)磚混結(jié)構(gòu)的抗震加固改造

磚混結(jié)構(gòu)未采取抗震構(gòu)造措施或抗震加固措施不滿足要求時(shí),需進(jìn)行抗震加固改造?，F(xiàn)階段,國內(nèi)常見的磚混結(jié)構(gòu)抗震加固改造措施主要有增強(qiáng)房屋整體性的加固措施和對墻體的加固措施。也有學(xué)者提出了一種鋼結(jié)構(gòu)加固磚混結(jié)構(gòu)的方法[2],但此方法尚未大量應(yīng)用。

增加房屋整體性是磚混結(jié)構(gòu)抗震加固中的重要也是比較普遍的加固措施,主要有磚房外加圈梁及鋼拉桿、增設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱以及樓蓋、屋蓋加剛性面層。對墻體的加固措施,可提高墻體的承重能力,從而提高磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能,主要包括對面層的加固及增設(shè)抗震墻等方法[3]。

(3)采用PKP M軟件對磚混結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算

多層砌體房屋抗震強(qiáng)度驗(yàn)算是指水平地震作用下砌體墻片的抗震抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。在PKPM軟件中,磚混結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算首先按底部剪力法計(jì)算各層地震剪力,根據(jù)樓面結(jié)構(gòu)剛度及墻體側(cè)向剛度將地震剪力分配到每片墻體的每個(gè)墻段,然后根據(jù)導(dǎo)算的樓面荷載及墻體自重計(jì)算墻體的平均壓應(yīng)力,最后按墻體截面的抗震受剪承載力計(jì)算公式(1),驗(yàn)算各片墻體和墻段的抗震受剪承載力[4],以抗力與效應(yīng)之比R/S的形式作為抗震驗(yàn)算結(jié)果。

2 某中小學(xué)磚混結(jié)構(gòu)校舍抗震性能對比分析

中原地區(qū)某縣中小學(xué),存在大量磚混結(jié)構(gòu)形式的教學(xué)樓、宿舍樓及辦公室等,根據(jù)該縣校舍鑒定匯總結(jié)果,磚混結(jié)構(gòu)占全部結(jié)構(gòu)形式的99%,其中圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置情況見表1。

表1 中原地區(qū)某縣校舍抗震措施的設(shè)置情況

其中,建設(shè)年代在2000年前的磚混結(jié)構(gòu)占55%,建設(shè)年代在2000年后的磚混結(jié)構(gòu)占45%,圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置情況見表2、表3。

表2 中原地區(qū)某縣2000年前建設(shè)的磚混結(jié)構(gòu)校舍抗震措施的設(shè)置情況

工況一:未考慮圈梁、構(gòu)造柱的抗震驗(yàn)算結(jié)果

表3 中原地區(qū)某縣2000年后建設(shè)的磚混結(jié)構(gòu)校舍抗震措施的設(shè)置情況

在磚混結(jié)構(gòu)房屋中設(shè)置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱,是提高房屋抗震性能的有效措施。構(gòu)造柱與圈梁共同工作,對墻體橫向、豎向加箍,阻止裂縫的擴(kuò)展和延伸,約束墻體開裂后的進(jìn)一步錯(cuò)位,增加房屋的整體抗震性能,從而提高磚混結(jié)構(gòu)房屋抗倒塌能力[5]。現(xiàn)取中原地區(qū)某縣一中小學(xué)磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為例,進(jìn)行抗震性能對比分析。

該教學(xué)樓為3層磚混結(jié)構(gòu),樓蓋和屋蓋采用預(yù)應(yīng)力空心板,其上澆注40 mm厚C20鋼筋混凝土疊合層,內(nèi)外墻均采用普通粘土磚,基礎(chǔ)采用MU10機(jī)磚,M5水泥砂漿砌筑,1～3層及120墻、女兒墻采用MU10機(jī)磚,M5混合砂漿砌筑。該地區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度(0.15 g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類。以PKP M軟件對磚混結(jié)構(gòu)做未考慮抗震設(shè)計(jì)、考慮抗震設(shè)計(jì)和未考慮抗震設(shè)計(jì)但進(jìn)行了抗震加固改造,這三種工況的抗震驗(yàn)算分析,最終結(jié)果以抗力與效應(yīng)之比R/S作為抗震驗(yàn)算數(shù)據(jù),進(jìn)行抗震性能對比分析。驗(yàn)算結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 一層平面圖

圖2 工況一未考慮圈梁、構(gòu)造柱一層抗震驗(yàn)算結(jié)果

工況二:考慮圈梁、構(gòu)造柱的抗震驗(yàn)算結(jié)果

圖3 工況二考慮圈梁、構(gòu)造柱的一層抗震驗(yàn)算結(jié)果

工況三:未考慮抗震設(shè)計(jì)但進(jìn)行了抗震加固改造措施后的抗震驗(yàn)算結(jié)果

砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震強(qiáng)度驗(yàn)算最后可歸結(jié)為一道墻或一個(gè)墻段的抗震強(qiáng)度驗(yàn)算。以上述三種工況的抗震驗(yàn)算結(jié)果所得抗力與效應(yīng)之比R/S為數(shù)據(jù),工況一、工況三墻體抗力與效應(yīng)之比R/S分別與工況二各對應(yīng)墻體抗力與效應(yīng)之比R/S作對比,并分別算出工況一、工況三墻體抗力與效應(yīng)之比R/S占工況二各對應(yīng)墻體抗力與效應(yīng)之比R/S的百分比數(shù)值,再計(jì)算縱、橫向墻體百分比的平均值,最終得到總平均值,其結(jié)果作為對以上三種工況抗震性能對比的依據(jù),結(jié)果見表4、表5。

表4 工況一、三與工況二對應(yīng)大片墻體抗震驗(yàn)算對比百分比

表5 工況一、三與工況二對應(yīng)門窗間各段墻體抗震驗(yàn)算對比百分比

以上述同樣的方法對中原地區(qū)某縣中小學(xué)的磚混結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算及抗震性能對比分析,得到中原地區(qū)某縣中小學(xué)的磚混結(jié)構(gòu)工況一、工況三占工況二的抗震性能的百分比的整體現(xiàn)狀,結(jié)果見表6。

表6 中原地區(qū)某縣磚混結(jié)構(gòu)校舍抗震性能的對比

其中,中原地區(qū)某縣中小學(xué)的磚混結(jié)構(gòu)建設(shè)年代在2000年前和建設(shè)年代在2000年后的磚混結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算及抗震性能對比結(jié)果見表7、表8。

表7 中原地區(qū)某縣2000年前校舍磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的對比

表8 中原地區(qū)某縣2000年前校舍磚混結(jié)構(gòu)抗震性能的對比

3 討論與結(jié)語

在我國很長一段時(shí)期內(nèi),磚混結(jié)構(gòu)所占的比例還是相當(dāng)大的,而且該類房屋在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)所占比例也很大。本文通過抗震性能計(jì)算和對比分析,可初步得出以下結(jié)論:

(1)通過對比分析可以看出,在抗震構(gòu)造措施工程量相差不大的情況下,工況三仍然達(dá)不到工況二的抗震性能,即未考慮抗震設(shè)計(jì)的磚混結(jié)構(gòu)即使做了抗震加固改造措施,其抗震性能也達(dá)不到一開始考慮抗震設(shè)計(jì)的磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能;工況一的抗震性能最多只相當(dāng)于工況二抗震性能的65%左右;尤其是在門、窗間墻段,工況一抗震性能最多僅相當(dāng)于工況二抗震性能的55%左右,即工況一中單體墻段的抗震性能比工況二中單體墻段的抗震性能差很多,故未考慮抗震設(shè)計(jì)的磚混結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震加固改造。

(2)抗震驗(yàn)算對比說明,中原地區(qū)某縣2000年前建的中小學(xué)磚混結(jié)構(gòu)校舍,比2000年后建的抗震性能差很多,原因可歸結(jié)于受不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料以及施工技術(shù)等方面的影響。在同等工程量下,2000年前建的磚混結(jié)構(gòu)校舍在做抗震加固后,其抗震性能與2000年后建的校舍的抗震性能相差近15%左右。故對1980年代前建的磚混結(jié)構(gòu)校舍建議拆除重建,2000年前的磚混結(jié)構(gòu)校舍,如經(jīng)抗震加固驗(yàn)算后能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的,可在進(jìn)行加固改造后繼續(xù)使用。

(3)考慮到教學(xué)樓的重要性,建議新建教學(xué)樓時(shí),盡量采用混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,對于現(xiàn)有教學(xué)樓根據(jù)其建筑年限和抗震性能,按不同情況,制定改造計(jì)劃,加固、改造或拆除舊的磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓。

[1] GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[2] 熊鴛,胡松.一種用鋼結(jié)構(gòu)加固磚混結(jié)構(gòu)的新方法[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,25(2):88-89.

[3] 呂西林,周德源,李思明,等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.

[4] 張宇鑫,劉海成,張星源.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

[5] 李同超,淳于銘,田寶國.淺談磚混房屋的抗震加固[J].城市建筑與商業(yè)網(wǎng)點(diǎn),2009(13):11-14.