这栋建筑物属于典型的B类砌体结构,应使用乙类建筑工程的抗震鉴定标准。凹形结构平面建筑的墙体结构比较对称,同轴线是窗间墙体宽度均匀,传力结构十分明确。该建筑接建的两层均高3.3m,均由横向槽钢梁、混凝土柱、轻质夹心墙和轻质面板组合构建,未经过抗震检测的砌体结构,加层后新建砌体结构与原有砌体结构形成了复杂的结构体系,两种组合砌体的动力特性与受力特征的差异加大了该建筑的抗震鉴定和加固设计的复杂性。这栋建筑接建后的高度和层数**出每级抗震鉴定标准,与原建砌体结构相比,后续使用年限和周期增长,刚度减小,两种组合砌体结构相连处较易受到地震的严重破坏,总体结构的地震作用反应增大。对该建筑的安全、抗震能力分析要结合两种组合结构的特性和相互作用,引入0.56的砌体结构体系影响系数和0.72的局部影响系数来进行抗震验算,将接建两层按照原建砌体结构的抗震标准进行抗震鉴定,增加非抗震能力墙体的加固设施。经过抗震鉴定,该建筑的结构布局、砌体结构体系和抗震承受力,都不符合B类砌体结构建筑的抗震设防达到的要求,砌筑砂浆的强度小。由于加固工作的施工量非常大,应该考虑拆除接建楼层,再权衡加固设计,优化加固方案。
二、对多层砌体结构房屋进行抗震加固的必要性
多层砌体结构房屋由粘土砖、混凝土砌块等砌成,是我国当前大量采用的建筑结构之一。由于砌筑材料属于脆性材料,抗拉、抗弯及抗剪强度均不高,因此多层砌体结构房屋的延性较差,抗震能力低[2]。从国内外历次巨大震害可以看出,多层砌体结构房屋的破坏尤为明显。在1923年发生的日本关东大地震中,大部分砖石房屋受到严重损害,8000幢砖石房屋仅有12.5%可以修复继续使用;我国1976年发生的唐山大地震,多层砖混结构房屋破坏率高达70% - 90%;1993年我国云南普洱大地震中,多层砖混结构房屋倒塌率高达75%[3];2008年我国的汶川大地震,震区建筑多为抗震能力较低的砌体房屋,破坏面积大,受损状况严重,是我国建围以来破坏程度较大和恢复难度较高的强烈地震灾害。
多次大规模地震灾害中,多层砌体结构房屋受到的破坏程度较高。多层砌体结构房屋量大面广,在强烈地震作用下开裂、倒塌现象严重,对其进行抗震加固是有效减轻地震灾害的主要措施。对多层砌体结构房屋进行抗震加固提高建筑的抗震能力,可以延长房屋寿命,增强房屋抵抗爆炸等突发事故的能力,提高房屋的安全性,在地震发生时,可以有效降低房屋的损坏程度,减少人员伤亡和财产损失。与进行抗震设防和抗震加固的建筑物相比,未进行抗震设防和抗震加固的建筑物在地震中受到的破坏往往比较严重,在1976年我国的唐山大地震中,京津地区在震前对一批主要建筑物进行了抗震加固,在地震中这批建筑物损害不大,无严重破坏现象,没有一处发生倒塌,震后仅1天就恢复使用,而其他没有进行抗震加固的建筑物则损坏严重。因此,对多层砌体结构房屋进行抗震设防和抗震加固,提高建筑物的抗震能力和安全性能,具有重要的现实意义。
三、多层砌体结构房屋的震害特点及原因分析
分析多层砌体结构房屋震害的特征及其原因,找出建筑物的薄弱部位,是进行建筑物抗震加固的前提。多层砌体结构房屋受到震害可能由于设计时抗震能力不足、施工过程中施工质量不良或其他原因所致。从多层砌体结构角度考虑,砌体结构墙体自重和刚度大,在水平方向受水平荷载抗侧移,在垂直方向受竖向荷载受压,在地震发生时吸收的能量多,受各种复杂的应力作用影响[4]。多层砌体结构房屋的震害特点及原因可以从水平结构和竖向结构两方面进行分析。
2.1 多层砌体结构房屋水平结构的震害特点及原因
多层砌体结构房屋水平结构主要指楼盖和屋盖,在强烈地震作用下,可能出现整体水平移位、各构件之间相对移位,和部分构件自身强度不足受到损坏。对整体性较好的现浇钢筋混凝土楼盖和屋盖,其震害较轻,而对整体性较差的屋盖,震害通常较为严重。水平结构的震害常出现楼板或屋面板沿接缝处产生裂缝、屋面梁支承长度减小、楼板或屋面板局部拱起、构件联结处松动、墙体局部沿楼盖或屋盖支撑处开裂等现象。由于房屋结构水平方向的抗剪强度不足,易造成檐口或楼盖支承处的墙体沿支承面产生水平裂缝或斜裂缝。并且,在强烈地震中,由于屋架支撑系统不完全、预制钢筋混凝土楼盖或屋盖各结构构件联结强度不足、部分构件局部支承强度不足、支承长度不足、横墙间距过大等原因,较大程度地削弱了多层砌体结构房屋的整体性,易造成构件之间相对移位和部分构件自身强度不足受到损坏。 多层砌体结构房屋竖向结构主要指墙体、柱等,其震害的主要特征是出现竖向裂缝、水平裂缝、斜裂缝等裂缝。由于门、窗洞口边缘处是墙体应力较为集中和刚度较易发生突变处,在门、窗洞口角端易出现斜裂缝,门、窗洞口上下沿易出现水平裂缝;纵横墙交接处由于联结强度较低易出现竖向裂缝;由于承重横墙和窗间墙受易受剪切破坏,常出现斜裂缝;对屋架下的支承墙体,因缺乏足够的支承强度,易出现竖向裂缝。当这些裂缝在多层砌体结构房屋墙体上密集出现时,将导致墙体部分砌筑材料掉落和墙体破碎,甚至发生墙体倒塌的严重破坏。
目前在抗震加固中采用的具体方法有:
(1)房屋承载力不满足要求时, 可选用下列加固方法。
拆砌或增设抗震墙: 对强度过低的原墙体可拆除重砌。材料可以采用砖或砌块, 也可以采用现浇钢筋混凝土。该方法改变受力分配、传力途径, 甚至改变抗震分析简图, 总体上提高房屋抗震能力, 减少薄弱环节。
修补和灌浆: 对已经开裂的墙体, 可采用压力灌浆修补, 对砌筑砂浆饱满程度差或砌筑砂浆强度等级偏低的墙体, 可用满墙灌浆加固。该方法可以提高已开裂墙体的承载力。修补可恢复到未开裂时的承载力, 压力灌浆可按比原砂浆强度等级提高一级估计其承载力。
面层或板加固: 在墙体的一侧或两侧采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层或现浇钢筋混凝土板加固。该方法主要提高墙体的承载力, 也可以增加楼板的支承长度。
(2)当房屋的整体性不能满足要求时, 可选择下述加固方法。当墙体布置在平面内不闭合时, 可增设墙段形成闭合, 在开口处增设现浇钢筋混凝土框;当纵横墙连接较差时, 可采用钢拉杆、长锚杆、外加柱或外加圈梁等加固;楼、屋盖构件支撑长度不能满足要求时, 可增设托梁或采取增强梁、屋盖整体性等措施; 对腐蚀变质的构 ,
件应更换; 对无下弦的人字屋架应增设下弦拉杆。
(3)当圈梁设置不符合鉴定要求时, 应增设圈梁。外墙圈梁宜采用现浇钢筋混凝土, 内墙圈梁可用钢拉杆或在进深梁端加锚杆代替。
(4)对房屋中易倒塌部位, 可采用下述方法加固。
承重窗间墙宽度过小或抗震能力不能满足要求时, 可增设钢筋混凝土窗框或采用面层、板墙等加固;隔墙无拉结或拉结不牢, 可采用镶边、埋设铁夹套、锚筋或钢拉杆加固;支撑大梁等的墙段抗震能力不能满足要求时, 可增设砌体柱、钢筋混凝土柱或采用面层、板墙加固;出屋面的楼梯间、电梯间和水箱间不符合鉴定要求时, 可采用面层或外加柱加固, 其上部应与屋盖构件有可靠连接, 下部应与主体结构的加固措施相连;出屋面的烟囱、无拉结女儿墙**过规定的高度时, 宜拆矮或采用型钢、钢拉杆加固;悬挑构件的锚固长度不能满足要求时, 可加拉杆或采取减少悬挑长度的措施;当具有明显扭转效应的多层砌体房屋抗震能力不能满足要求时, 可**在薄弱部位增砌砖墙或现浇钢筋混凝土墙, 或在原墙加面层; 亦可采取分割单元, 减小扭转效应。
(5)外加柱加固: 在墙体的交接处采用现浇钢筋混凝土构造柱加固, 柱与圈梁、拉杆连成整体, 或与现浇混凝土楼板、屋盖可靠连接。
(6)包角或镶边加固: 在柱、墙角或门窗洞边用型钢或钢筋混凝土包角或镶边; 柱、墙垛还可用现浇钢筋混凝土套加固。
(7)支撑或支架加固: 对刚度差的房屋, 可增设型钢或钢筋混凝土的支撑或支架加固。
(8)其它加固方法还有: 预应力加固法。是卸荷、加固和改变结构受力三者合一的加固方法。增设支点法。增设支承点, 减小结构跨度和内力, 相应提高结构总体承载能力。增设拉结法, 在结构的周边、纵向、横向、竖向增设相应的拉结, 增强结构整体特性, 防止地震作用下的倒塌。
本文讨论了钢筋混凝土结构抗震加固的原则, 对目前常用的钢筋混凝土结构的加固方法进行了简要的论述, 给出了各种方法的特点和适用范围和一些需要注意的问题。总的来看, 抗震加固有几种思路。
(1)减少结构的自重, 使结构地震力减小, 从而减小构件受力, 增加结构的安全性, 如减轻自重法。
(2)增加结构的截面或构件, 用附加材料或构件分担地震作用, 从而增加结构的安全性, 如钢构套加固法、钢筋混凝土套加固法、贴钢板加固法、碳纤维加固法、增设钢筋混凝土抗震墙等。
(3)改变结构的体系, 和受力性质, 从而增加结构的安全性, 如消能减震法、隔震加固法、增设支点法。
(4)恢复构件的原有性能, 如修补、灌浆、喷射等。随着经济水平、技术水平和人们观念的进步, 单一满足安全性的加固方法已无法满足需求, 开发既满足安全要求、使用要求, 又要满足美观要求的先进的加固方法, 特别是随着智能材料的发展, 用智能材料加固结构必将是今后的发展趋势。
砌体结构, 通常是指由粘土砖、混凝土砌块等砌成的结构, 由于砌体的抗拉、抗剪强度均较低, 因而砌体房屋的抗震性能相对较差,在国内外历次强烈地震中, 砌体结构的破坏率相当高。1976年我国唐山大地震, 在1 000余幢多层砖混结构房屋中, 倒塌率为70% ~ 90%; 1991年的新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震, 多层砖混结构房屋的破坏率达到75%。砌体结构又是我国居住、办公、学校等建筑中普遍使用的一种结构形式, 但材料脆弱、延性较差, 因此是抗震加固的主要对象。抗震加固可以较大地减小建筑物的破坏, 从而减少人员伤亡和财产损失。1976年的唐山大地震中, 天津发电设备厂在震前对64项主要建筑物和设备进行了加固。在地震时, 加固的建筑物基本没有出现严重破坏现象, 没有一个车间倒塌, 设备也完好无损。震后仅用了一天的时间就恢复了生产。而与此相邻的天津重型机械厂, 由于震前没有采取加固措施, 地震中破坏严重, 停产半年。1996年丽江地震中, 丽江地区的大礼堂因经费不足, 只加固了礼堂的中间部位和观众厅, 两边的舞台和前厅没有加固, 结果这次地震造成舞台部分和前厅倒塌。说明在同一建筑上, 加固部位和没有加固部位在地震中的表现也是不同的。在国外的地震中如日本、美国、墨西哥、土耳其等国家的地震中情况都是类似, 说明了未进行抗震设防并未进行抗震加固的建筑物的地震破坏比进行抗震设防或采取加固措施的建筑物的破坏严重得多。