閤東東 李興旺 韓龍勇

引言

我國中小學學生在校人數(shù)約2億，校舍近40萬所。中小學校舍屬于公共建筑，人員密度大，加之中小學生屬于自救互救弱勢群體，若校舍的結(jié)構(gòu)抗震性能不足，一旦遭遇大地震，造成的人員傷亡不可估量。國內(nèi)外歷次地震給我們帶來了慘痛的教訓，2008年5月12日，汶川發(fā)生8.0級特大地震，造成直接經(jīng)濟損失1200億美元，死亡失蹤8.7萬多人，根據(jù)震后調(diào)查，在這次地震中四川省學生死亡人數(shù)達5335人，傷者達1.6萬人，倒坍的校舍達到6898間；2010年4月14日晨青海省玉樹縣發(fā)生多次地震，震級最大為7.1級，80%的小學和50%的中學校舍在此次強震中嚴重受損，共207名學生在地震中遇難。

汶川地震后，國家啟動全國中小學校舍安全工程，對各級各類中小學校舍進行排查、檢測、鑒定和抗震加固。對《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》進行修訂，將中小學校舍的抗震類別由原來的一般設(shè)防類提高到重點設(shè)防類（由丙類提高到乙類）。

我國中小學校舍結(jié)構(gòu)形式以砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為主。砌體結(jié)構(gòu)由磚或砌塊通過砂漿粘結(jié)作用砌筑而成，與其他結(jié)構(gòu)形式對比，砌體結(jié)構(gòu)的自重大，側(cè)向剛度大；磚砌體呈脆性，其抗拉和抗剪強度都很低，強震作用下，易發(fā)生脆性剪切破壞，延性極差；砌筑砂漿和磚之間的粘結(jié)力較弱，無筋砌體的抗拉、抗彎及抗剪強度低，抗震及抗裂的性能較差；采用手工方式砌筑，砌筑質(zhì)量難以保證?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般采用單跨外帶懸挑走廊的結(jié)構(gòu)形式，或者在走廊一側(cè)增加框架柱構(gòu)成兩跨或三跨框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)剛度較小，為柔性結(jié)構(gòu)，強震作用下水平位移大，易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞和節(jié)點區(qū)域的破壞。

北京市中小學校舍調(diào)查

自2008年7月10日，北京市教委、市住建委、市規(guī)劃委、市發(fā)改委、市財政局聯(lián)合啟動中小學校舍的排查鑒定工作后，截至2009年年底，全市共完成1799所中小學1470萬平方米校舍的排查鑒定，鑒定結(jié)果如圖1所示。

圖1 中小學校舍檢測鑒定結(jié)果

北京市中小學校普遍存在的易發(fā)生震害的因素有以下幾個方面：

1.建筑開間很大，層高一般較高，橫墻間距太大；

2.結(jié)構(gòu)形式不合理，如有些校舍采用單邊走廊甚至單邊外挑走廊，這類校舍在地震中極易發(fā)生倒塌，在汶川地震中，這類校舍倒塌損壞嚴重；

3.結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施缺失及不滿足規(guī)范要求，如砌體結(jié)構(gòu)，70年代建筑沒有設(shè)置圈梁及構(gòu)造柱，80年代建筑雖設(shè)置了圈梁，但構(gòu)造柱缺失或太少，90年代建筑圈梁及構(gòu)造柱的主筋配置及箍筋布置不滿足要求等；

4.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強梁弱柱，特別是柱筋不足、箍筋不符合加密要求，抗震構(gòu)造措施不滿足抗震要求的建筑物約占43.8%，是建筑抗震改造加固必須重點解決的問題；

5.部分北京市中小學校砌體結(jié)構(gòu)校舍樓梯間不滿足抗震要求，樓梯間是災害逃生通道，大震中樓梯間破壞坍塌必然造成大量傷亡；

6.北京市中小學校砌體結(jié)構(gòu)校舍材料強度值偏低，特別是砌筑砂漿強度一般都小于M2.5，部分校舍歷史久遠，質(zhì)量更難以保證。

砌體校舍抗震加固工程

提高砌體校舍抗震能力的常用加固方法主要包括鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法、板墻加固法、外加圈梁-鋼筋混凝土柱法、隔震加固法等。

1.鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固。鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固鋼筋網(wǎng)采用呈梅花狀布置的錨筋、穿墻筋固定于墻體上；鋼筋網(wǎng)四周采用錨筋、插入短筋或拉結(jié)筋等與樓板、大梁、柱或墻體可靠連接。該方法工藝簡單、施工簡便、造價較低，但對墻體承載力的提高有限。

以北京市六十一中20號教學樓為例，該樓建成于1993年，共3層，建筑面積2356m2，橫墻承重，未設(shè)置圈梁構(gòu)造柱，采用預制樓板。經(jīng)現(xiàn)場檢測，一至三層砌體強度等級分別為MU10、MU7.5和MU10，砂漿強度分別為M2.5、M5.0和M2.5。后續(xù)結(jié)構(gòu)使用年限為40年，采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固，加固平面圖和節(jié)點分別如圖2和圖3所示。經(jīng)綜合考慮地基土固結(jié)承載力的提高、鋼筋網(wǎng)砂漿面層基礎(chǔ)下地基壓力的擴散等因素后，未對地基基礎(chǔ)進行加固。

圖2 結(jié)構(gòu)加固平面圖

圖3 縱橫墻交接處鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固節(jié)點

2.板墻加固法。板墻加固法適用于原磚墻有一定承載能力，但由于層數(shù)較多而需要大幅度提高墻體抗震承載力的情況。板墻加固法是這幾種方法中應用最為廣泛的，造價略高于面層加固法。

《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ 116—2009）第5.3.7條規(guī)定：抗震加固設(shè)計中，砌體結(jié)構(gòu)采用雙面夾板墻的方法改變結(jié)構(gòu)體系時，板墻的厚度至少達到每面70mm、共計140mm厚。北京市建筑設(shè)計研究院有限公司結(jié)合北京地區(qū)的土質(zhì)條件，經(jīng)過試驗與數(shù)值模擬論證，提出每面增設(shè)60mm、共計120mm的板墻，即可視為達到砌體結(jié)構(gòu)改變體系的條件。結(jié)構(gòu)加固設(shè)計中，由于存在開挖和回填量大、地下管線復雜、地基承載力加固困難等因素，地基和基礎(chǔ)加固一般是難度最大、造價最高、工期最長的一個環(huán)節(jié)，地基基礎(chǔ)加固的造價經(jīng)常達到總的結(jié)構(gòu)加固成本的30%以上。根據(jù)我國規(guī)范和工程經(jīng)驗，隨著建筑使用年限的增加，其地基承載力一般會有所提高；對北京地區(qū)而言，多數(shù)情況下地基承載力經(jīng)多年壓實作用后的提高幅度可達1.2倍。因此，如果能充分利用地基承載力的提高來減少或避免地基基礎(chǔ)的加固，則可以大幅度地縮短加固工期、降低加固成本。對大多數(shù)典型的中小學校舍，多數(shù)墻體每面增設(shè)70mm板墻時，增加的重量剛好超過考慮壓實系數(shù)后的地基承載力，需要進行地基和基礎(chǔ)加固。而多數(shù)墻體每面增設(shè)60mm板墻時，增加的重量一般會小于考慮壓實系數(shù)后的地基承載力，可不再進行地基基礎(chǔ)加固，這樣就明顯縮短了工期、降低了加固工程造價，造價可減小20%～30%。

以北京市六十一中學公寓樓為例，該樓建成于1993年，2003年加建兩層，地上共4層，建筑面積1435m2，橫墻承重，未設(shè)置圈梁構(gòu)造柱，采用預制樓板。經(jīng)現(xiàn)場檢測，砌體強度等級為MU10，一至四層砂漿強度分別為M5.0、M7.5、M7.5和M5.0。對大部分承重墻體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙面板墻加固（圖4），部分墻體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土單面板墻加固（圖5、圖6），采用噴射混凝土施工工藝進行施工。

3.外加圈梁-構(gòu)造柱加固。砌體結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震的能力主要依靠其整體性和延性，因此當砌體結(jié)構(gòu)整體性不足時，需采用針對性的措施進行加強。砌體結(jié)構(gòu)保證整體性和延性的措施主要包括：圈梁構(gòu)造柱的設(shè)置、樓屋蓋的形式及橫墻間距的縮小等。當砌體結(jié)構(gòu)圈梁構(gòu)造柱不足時，可采用增設(shè)圈梁、構(gòu)造柱、鋼拉桿的方式進行加固。但該方法的缺點是對墻體本身的承載力無明顯提高。

圖4 結(jié)構(gòu)加固平面圖

圖5 縱橫墻交接處板墻加固節(jié)點

圖6 板墻加固現(xiàn)場綁扎鋼筋

4.隔震技術(shù)加固。采用隔震技術(shù)對老舊建筑進行加固，可以減少輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，將原來由建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形吸收地震能量，轉(zhuǎn)變?yōu)橛筛粽饘赢a(chǎn)生大變形并吸收地震能量，降低地震對上部結(jié)構(gòu)的破壞，達到提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的目的?；A(chǔ)隔震加固時，一般僅對建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分施工，不影響上部結(jié)構(gòu)的功能和正常使用，是一種經(jīng)濟適用的抗震加固技術(shù)，特別適用于高烈度區(qū)需加固的中小學校舍。

圖7 西藏中學男生宿舍樓隔震支座布置圖

圖8 隔震加固施工步驟

以北京西藏中學男生宿舍樓為例，該樓為建于1985年的砌體結(jié)構(gòu)，地上共6層，建筑面積為2564m2。該建筑為砌體結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，地上承重墻體1～3層采用100#紅機磚、100#混合砂漿砌筑，4層以上墻體采用75#紅機磚、75#混合砂漿砌筑，樓板為預制圓孔板，圈梁、構(gòu)造柱及現(xiàn)澆樓板的混凝土設(shè)計標號均為200#。場地類別為II類場地，設(shè)計地震分組為第一組，后續(xù)使用年限40年。橡膠隔震支座設(shè)置在砌體房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間受力較大的位置，如縱橫向承重墻交接處等，該建筑的標準層平面和隔震支座布置如圖7所示。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)應用在砌體結(jié)構(gòu)加固工程中，墻體托換是重要環(huán)節(jié)，隔震支座施工難度較大。本工程采用雙夾梁式托換，雙夾梁由墻體兩側(cè)的縱向托梁和橫向抬梁構(gòu)成，橫向抬梁的作用有兩個：一是對兩側(cè)托梁的拉接作用；二是通過磚墻的“內(nèi)拱效應”承擔大部分豎向荷載，然后傳給兩側(cè)縱向托梁，最后轉(zhuǎn)換成隔震支座處的集中荷載。而托梁下的隔震支座，因其豎向剛度非常大，可作為整個墻梁構(gòu)件的豎向支座。施工工序為：水準測量→室內(nèi)外土方開挖→施工放樣控制標高→上、下橫向抬梁定位及墻體開洞→隔震層上、下部托梁及橫向抬梁施工→待上、下托梁混凝土強度達到100%后支撐特制千斤頂→設(shè)置豎向位移監(jiān)測點及監(jiān)測器→隔震支座設(shè)計位置處構(gòu)造柱及墻體切割→隔震支座安裝就位→隔震支座下支墩施工→隔震支座上支墩施工→切割隔震層墻體，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換→砌筑隔震溝、擋土墻→澆筑底層樓板，主要工序施工現(xiàn)場照片如圖8所示。

混凝土框架結(jié)構(gòu)校舍抗震加固工程

汶川地震中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)校舍的抗震性能明顯低于預期，中小學建筑中柱距一般較大，梁截面較大，容易導致強梁弱柱；以往的常規(guī)設(shè)計中未考慮樓板的影響，也導致了梁的抗震承載力高于柱承載力；框架結(jié)構(gòu)相對較柔，易產(chǎn)生大的變形，地震作用下附屬結(jié)構(gòu)的破壞也導致了很多人員傷亡；框架結(jié)構(gòu)的框架柱同時是抗側(cè)力構(gòu)件和承重構(gòu)件，框架柱破壞后容易出現(xiàn)倒塌。鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)體系和抗震承載力不滿足要求時，可選擇下列加固方法：

1.直接加固原構(gòu)件的方法。當原框架結(jié)構(gòu)的梁柱承載力不足或抗震構(gòu)造措施不足，但側(cè)向剛度可滿足要求時，可以對原框架構(gòu)件采用增大截面、粘貼碳纖維/鋼板、外包型鋼等方法。當側(cè)向剛度不足，可采用增大截面的方法。

2.提高樓層綜合抗震承載力的加固方法。直接對框架構(gòu)件進行加固的方法成本較高，因此多數(shù)情況下框架結(jié)構(gòu)采用增設(shè)抗震墻/翼墻、鋼支撐、消能支撐等方法進行抗震加固。在校舍加固工程當中，針對校舍抗震構(gòu)造措施不滿足乙類建筑抗震設(shè)防標準，而抗震構(gòu)造措施的提高在部分情況下極難通過加固技術(shù)實現(xiàn)，并且構(gòu)造措施的加固會極大破壞室內(nèi)環(huán)境，學校無法正常上課的情況，以提高校舍抗震承載能力為主導，可以通過采用消能減震技術(shù)大幅提高結(jié)構(gòu)的綜合抗震承載力，消能減震子結(jié)構(gòu)大部分位于校舍外部，并不影響學校的內(nèi)部使用功能，也大大減少了對學校環(huán)境的破壞。以下為使用消能減震子結(jié)構(gòu)進行加固的四個典型案例：

1.以北京十一學校初中部教學樓抗震加固為例，該教學樓建成于2000年，為5層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積7000m2，按照規(guī)范要求建筑后續(xù)使用年限定為50年。經(jīng)現(xiàn)場檢測、原有圖紙核查、抗震鑒定驗算，該結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施及抗震承載力驗算均不滿足國家相關(guān)規(guī)范要求，需進行抗震加固。最終選用增設(shè)金屬剪切型阻尼器（外貼式）加固方案，結(jié)構(gòu)首層阻尼器平面布置如圖9所示。結(jié)構(gòu)每層設(shè)置14個阻尼器，全樓共設(shè)置70個阻尼器，兩個方向的附加阻尼比分別為3.7%和4.5%。阻尼器消能方向的初始剛度值為75kN/mm，屈服荷載為150kN，屈服位移2.0mm。阻尼器極限位移為60mm，極限荷載約為237kN。

圖9 結(jié)構(gòu)首層阻尼器平面布置圖

圖10 加固前示意圖

圖11 加固后示意圖

圖12 阻尼器安裝大樣

圖13 1-1剖面大樣

如圖10～圖13所示，在原框架邊柱外側(cè)增設(shè)短墻，用于阻尼器安置；邊梁外側(cè)加寬，用于約束短墻，邊梁加寬部分，通過鍵槽、植筋、角鋼卡件等與原邊梁連接；短墻與阻尼器直接設(shè)置柔性連接；

為減小新老結(jié)構(gòu)連接設(shè)計的難度，限制單個阻尼器的出力上限為250kN。同時，為避免因邊梁加固造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“強梁弱柱”形式的破壞，對邊梁加寬區(qū)域的配筋進行了嚴格控制。加固施工及施工完成后建筑立面照片詳見圖14～圖15。

圖14 加固施工中

圖15 加固后建筑立面

圖16 十一學校采用金屬剪切型阻尼器加固

圖 17 采用VFD加固的豐臺實驗學校

圖18 安裝消能子結(jié)構(gòu)的平谷區(qū)第一職業(yè)學校

2.另一個例子是北京十一學校高中教學樓，該樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高度為23.46m，共6層，平面尺寸為19.2m×99m，底層層高5.46m，其他各層層高均為3.6m?？蚣苤捎昧薈30混凝土，大部分尺寸為600mm×600mm。加固采用的剪切型鋼板阻尼器初始剛度為9.5×107N/m，初始屈服力為190kN，屈服后剛度為3.27×106N/m，極限位移70mm，一共設(shè)置了84個剪切型鋼板阻尼器。在室內(nèi)采用了與鋼支撐組合布置的方式（圖16），對于邊框由于建筑立面的限制，采用與初中部教學樓相同的外貼式。

3.豐臺實驗學校綜合樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高度為13.47m，共4層（第5層為局部塔樓），平面尺寸 為 40m×20m， 底 層、2～4層層高分別為4m和4.5m。框架柱采用了C30混凝土，大部分尺寸為450mm×450mm。采用外貼消能子結(jié)構(gòu)方式加固（圖17），共設(shè)置了34個黏滯流體阻尼器（VFD），阻尼系數(shù)為3×105N.s/m，速度指數(shù)為0.35。

4.平谷區(qū)第一職業(yè)學校綜合實驗樓1號樓始建于1996年，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上共5層，四層為輕質(zhì)彩鋼屋頂，僅在周圍有框架柱，頂部直接座彩鋼屋頂，五層為局部塔樓，布置于建筑兩端，混凝土強度等級為C30。采用外貼附加消能子結(jié)構(gòu)方式進行加固，分別在1～3層共布置66根屈曲約束支撐（圖18）。

結(jié)語

截至2012年12月底，北京市三年加固改造完成中小學校1290所，單體4374棟，改造校舍總建筑面積685萬平方米。改造后的校舍全部達到了重點設(shè)防類抗震標準，有效地提高了校舍綜合防災能力。綜合而言，基本可以認為北京地區(qū)的中小學校舍均能夠滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。