既有砖混结构教学楼的抗震性能鉴定研究

丁于强

DING Yuqiang

(柳州城市职业学院,广西 柳州 545001)

2008年5·12汶川地震中坍塌的中小学教学楼引起了政府、社会和广大教育工作者对中小学教学楼的抗震能力的关注。国内部分学者对既有建筑物在地震中的倒塌情况做了调查[1],并做了部分既有建筑物的抗震能力研究工作[2-3]。广西壮族自治区教育系统也组织过一次对中小学教学楼的安全排查工作，排查工作以定性为主,虽然取得了显著成果,但缺少对教学楼抗震能力定量的分析。

本文根据现行《建筑抗震鉴定标准(GB50023—2009)》[4],选取广西柳州市某砖混结构教学楼进行抗震鉴定,并通过二级鉴定对该教学楼抗震能力进行核算,对抗震能力给出定量分析,得出抗震鉴定结论并为后续抗震加固提供依据。

1　工程概况

某小学教学楼位于柳州市雒容镇,现为4层砖混结构。该建筑建于1992年,基础形式不详,原为3层，2000年加建第4层。该建筑平面形状为“一”字形,东西长48.94m、南北宽8.80m,建筑面积为1546.50m2,建筑总高度为15m,见图1。该教学楼原始和加层施工图、竣工图全部遗失,设计资料无从考证。

图1　教学楼立面图

2　检测目的

该教学楼已使用近30年,20世纪90年代末曾加盖1层,且该教学楼所处地区抗震设防标准已修改。为核实该教学楼工程结构的实际情况,对该教学楼进行了现场查勘及检测,并根据检测结果建立PKPM结构模型,通过模型仿真对该教学楼的安全性和抗震性能等做出鉴定并提出处理建议。按照教学楼所在地抗震设防烈度,教学楼所属建筑物的类别进行静荷载作用下承载力计算和地震作用下抗震能力验算。

3　现场查勘和检测

3.1　现场查勘

现场查勘该建筑2～4层楼板为预制板,屋面板为现浇板,承重墙体均为240mm厚黏土烧结砖墙。经现场查勘及开凿检查,承重墙体无明显结构裂缝,墙体砌筑质量一般、砂浆不饱满。

该建筑所处地区抗震设防烈度为6度,使用用途为小学教学楼，根据《建筑工程抗震设防分类标准(GB 50223—2008)》[5]该建筑为乙类建筑物,抗震设防烈度应提高1级,故应为7度。

该建筑后续使用年限为30年,为A类建筑,采用A类建筑鉴定方法对其进行鉴定。在对其鉴定时要分为第一级鉴定(抗震构造措施核查)和第二级鉴定(抗震承载力验算)。

3.2　检测内容

1)现场测量绘制建筑平面图,各部位构件尺寸,检测结构整体倾斜率。

2)对该教学楼的主要建筑材料进行原位检测和强度等级评定。如：承重墙体砖、砌筑砂浆、混凝土构件。

3)对该教学楼混凝土构造柱、圈梁设置情况进行现场检测。

4)对该教学楼的混凝土柱、梁截面尺寸、配筋情况进行现场检测。

5)对该教学楼的基础进行沉降观测。

3.3　检测结果

1)现场测量，绘制该教学楼建筑平面图,见图2。

图2　教学楼一层平面图

采用全站仪对该建筑整体倾斜率进行测量,结果表明该建筑屋面上各测点,顶点位移最大值为23mm,整体倾斜率为1/626,未超出鉴定标准规定侧向位移安全性限值,四个角点的倾斜方向不具有一致性,该建筑未发生整体倾斜。

2)材料强度检测

根据《建筑结构检测技术标准(GB/T50344—2004)》[6]现场在每层随机抽取部分承重墙体和混凝土构件,凿开表面抹灰层,进行原位检测。该教学楼为砖混结构,且正在使用。为减少对该教学楼的影响,墙体砂浆强度采用贯入法检测其强度[7],所检测1～4层砌筑砂浆抗压强度的换算值在0.8MPa～1.8MPa之间；砖砌体抗压强度采用回弹法检测其抗压强度[8],抽样从1～4层承重墙中抽取,烧结普通砖抗压强度的平均值范围在8.48MPa～11.27MPa之间,检测单元抗压强度平均值为7.8MPa；采用回弹法检测混凝土结构构件抗压强度,混凝土构件的强度推定值在14.6MPa～20.1MPa之间。

3)构造柱、圈梁设置情况

本次通过无损扫描构造柱和圈梁的位置，在承重墙进行扫描发现,1～4层混凝土承重墙位置上未发现有构造柱；在对结构楼板与承重墙交接处进行扫描,发现一、二层未设置圈梁,三、四层设有圈梁,圈梁截面尺寸为240mm×180mm。

4)钢筋直径检测

本教学楼混凝土构件内部受力钢筋直径检测采用钢筋直径检测仪及局部凿孔实测的方法检测。检测结果显示1～4层混凝土大梁底部钢筋均为4根直径为20mm的三级钢，顶部为2根直径为20mm的三级钢,箍筋为一级钢直径8mm，间距200mm，混凝土柱每边均为3根直径为14mm的三级钢。

5)地基基础检测

该建筑建于1992年,目前正在使用,受条件制约未对基础进行开挖检查和检测。因上部结构无明显整体倾斜,且承重墙体未出现明显不均匀沉降裂缝,故目前地基基础处于正常工作状态。

4　抗震能力鉴定

4.1　第一级鉴定：抗震措施核查

1)高度和层数：该建筑为4层,总高度为13.4m,层数和高度均满足《标准》表5.2.1 A类建筑砌体房屋的最大高度和层数限值规定。

2)结构体系：该建筑平面体型规则,且竖向刚度沿建筑高度均匀分布，抗震横墙的最大间距10.8m,符合《标准》表5.2.2的要求。

3)承重墙体砖和砂浆实际强度：经实际检测砖强度等级为MU7.5,满足《标准》第5.2.3条第1款“砖强度等级不宜低于MU7.5”的规定；砂浆强度等级约为M1.0,满足《标准》第5.2.3条第2款“墙体的砌筑砂浆强度等级,当7度时超过二层不宜低于M1.0”的规定。

4)整体连接性构造措施：墙体布置平面内闭合,纵横墙连接可靠；但楼梯间四角未设置构造柱,不符合《标准》表5.2.4-1“乙类设防时A类砖房构造柱设置要求”的规定；内、外墙圈梁布置部分符合《标准》表5.2.4-2“A类砌体房屋圈梁的布置和构造要求”的规定；纵横墙交接处咬槎较好,楼盖、屋盖支撑长度均满足《标准》5.2.5“楼盖、屋盖构件的最小支撑长度”的规定。

5)易引起局部倒塌的部件及连接：承重的门窗间距大于7度时的0.8 m，无出屋面的楼梯间、电梯间等均符合规范相关规定。

由上述抗震措施核查可知,该建筑部分抗震构造措施不符合《标准》第一级鉴定标准的要求,应进行第二级鉴定。

4.2　第二级鉴定：综合抗震能力指数方法进行抗震验算

根据现场检测数据,采用中国建筑科学研究院结构设计软件PKPM2010—V3.1对该建筑抗震承载力进行核算。设防地震分组为第一组，抗震验算应按不低于本地区设防烈度的要求采用6°(0.05 g)，场地类别为Ⅱ类，修整后的基本风压为0.3kN/m2。核算前根据第一级鉴定结果并结合《标准》表5.2.14-1“体系影响系数值”和表5.2.14-2“局部影响系数值”分别调整体型影响系数Ψ1、局部影响系数Ψ2。

楼面恒载和屋面恒载按实际取值,楼面活荷载取2.5kN/m2,屋面为不上人屋面,荷载取2.0kN/m2,砌体的砂浆强度、砖强度和混凝土构件的混凝土强度、钢筋数量、直径等均以实际检测为准。

1)受压承载力核算结果见图3～6。

承载力核算结果表明：1～3层部分承重墙体的抗力与荷载效应的比值小于1.0,4层承重墙体的抗力与荷载效应的比值大于1.0，故该建筑1～3层承载力不满足《标准》要求。

2)抗震鉴定结果

一层两个方向的楼层平均抗震能力指数βi和楼层综合抗震能力指数βci分别为,βi90=0.85、βci90=0.77,βi0= 0.53、βci0=0.48；

二层两个方向的楼层平均抗震能力指数βi和楼层综合抗震能力指数βci分别为βi90=0.86、βci90=0.70,βi0= 0.53、βci0=0.43；

图3　一层墙受压承载力计算图

图4　二层墙受压承载力计算图

图5　三层墙受压承载力计算图

图6　四层墙受压承载力计算图

图7　一层第二级鉴定结果

图8　二层第二级鉴定结果

图9　三层第二级鉴定结果

图10　四层第二级鉴定结果

三层两个方向的楼层平均抗震能力指数βi和楼层综合抗震能力指数βci分别为βi90=0.88、βci90=0.79,βi0= 0.53、βci0=0.48；

四层两个方向的楼层平均抗震能力指数βi和楼层综合抗震能力指数βci分别为βi90=1.35、βci90=1.42,βi0= 0.79、βci0=0.71。

第二级鉴定核算结果见图7～10。

核算结果表明：1～3层90°、0°两个方向楼层平均抗震能力指数和楼层综合抗震能力指数均小于1.0；四层0°方向平均抗震能力指数和楼层综合抗震能力指数亦小于1.0，故各楼层抗震能力不满足《标准》要求。

5　鉴定结论及加固建议

5.1　鉴定结论

1)第一级鉴定结果：承重墙砖砌体和砂浆的实测强度等级均不满足抗震鉴定规范要求；整体连接性构造措施部分满足抗震鉴定要求；结构体系、楼层高度和层数、易引起局部倒塌的部件及连接等鉴定项均满足抗震鉴定要求。

2)第二级抗震鉴定结果：1～3层承重墙体的抗震能力指数大部分小于1.0,楼层综合抗震能力指数和楼层平均抗震能力指数均不满足抗震鉴定规范要求；4层A轴、B轴外墙抗震能力指数小于1.0,①～⑨轴承重墙体抗震能力指数大于1.0，楼层综合抗震能力指数和楼层平均抗震能力指数均不满足抗震《标准》要求。

3)根据该建筑物第一、二级鉴定结果和承载力核算结果,评定该建筑的综合抗震能力不满足《建筑抗震鉴定标准(GB 50023—2009)》的要求,应对其进行抗震加固,提高其综合抗震能力。

5.2　加固建议

1)对1～4层承载力核算不满足要求的墙段和抗震能力不满足要求的墙体进行补强加固，提高承载力和抗震能力。

2)按规范要求在内外墙和纵横墙交接处设置圈梁、构造柱,增强该建筑的整体连接性和构造措施,提高其综合抗震能力。