某中学体育馆抗震加固设计与分析

林 华 LIN Hua

0 引言

“汶川地震”造成大量房屋损坏和倒塌，其中，中小学校舍也损坏严重，且有相当比例的校舍倒塌，造成了严重的人员伤亡。中小学校由于人员密集，且中小学生在地震中的逃生能力较差，校舍一旦倒塌，人员伤亡尤为惨重，因此，中小学校舍的抗震防灾能力应高于一般的民用建筑。为了保证中小学师生的生命安全，自2009 年开始，国务院在全国范围开展“校安工程”，对所有中小学校舍进行全面排查鉴定，对存在隐患和问题的校舍采取相应措施，消除安全隐患。

半个多世纪以来，随着我国经济和工程建设的发展，结构抗震设计理论及规范从无到有，并逐步完善，建筑物抗震设防能力逐步提高。但是，由于受建造时期经济条件的制约，早期建造的中小学校舍已经远远不能满足现有的抗震设防要求，存在较大的安全隐患。为提高既有中小学校舍的抗震性能，进行结构抗震加固是最经济实用且直接有效的方法。现有结构抗震加固的方法众多，具体工程中应结合既有建筑的实际情况，遵循安全、经济、合理、有效、实用的原则，灵活运用各种加固方法，切实有效地提高既有中小学校舍的抗震性能。

本文对某中学框架结构体育馆的抗震加固设计进行了介绍与分析，希望能给从事相关工作的设计人员提供一些参考和借鉴。

1 工程概况

该工程为某中学体育馆，建于1984 年，位于上海市浦东新区。体育馆为一层单跨框架结构，总建筑面积为660 m2，建筑平面为长方形，东西方向宽约19 m，南北方向长约32 m，高度约为8.1 m（图1、2）。

图1 加固前外立面

体育馆的基础采用钢筋混凝土独立基础，基础底面标高为-1.95m，基础底面的尺寸为2200mm×3600mm、2800 mm×4 200 mm、3 800 mm ×3 000 mm、4 600 mm ×3 000 mm。

体育馆的结构体系为钢筋混凝土单跨框架结构，主要轴网尺寸为6 300 mm×4 000 mm、6 400 mm ×4 000 mm（图3），主要框架柱截面尺寸为400 mm×600 mm；屋面板为钢筋混凝土预制空心板，板厚度为120 mm。

图2 加固前内景

图3 结构平面示意图

2 抗震鉴定

既有建筑抗震加固前，均应依据其设防烈度、抗震设防类别、后续使用年限和结构类型等条件，进行抗震鉴定，抗震鉴定报告是后期进行抗震加固设计的基础和依据。根据实际情况及后续使用要求，该工程依据7 度设防烈度、乙类抗震设防、后续使用年限30 年（A 类建筑）等条件进行抗震鉴定，主要鉴定结果如下：①现场调查和鉴定表明，体育馆结构布置、层高、轴线尺寸、构件截面等基本满足原设计要求。②原设计资料及实测结果验算分析表明，体育馆梁、柱及基础基本满足承载力要求；体育馆的质心和刚心位置基本重合；最大层间位移角满足规范规定的1/550 限值要求；最大层间位移与平均层间位移比满足规范要求；柱轴压比最大为0.24，满足规范限值要求。③抗震措施核查表明，体育馆梁柱端的箍筋间距不满足规范要求；填充墙与相邻混凝土框架柱无拉结筋。④体育馆为乙类设防，框架为单跨框架，对抗震不利，不符合现行国家标准《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）[1]中第6.2.1 条第2 款中的规定。

3 抗震加固设计

3.1 抗震加固方法比选

单跨框架结构抗侧刚度小，耗能能力弱，缺乏冗余约束，发生地震时易引发结构连续破坏及倒塌。国内外历次地震都证明了单跨框架结构是抗震严重不利体系。因此，现行国家标准《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）中第6.2.1 条第2 款规定，框架结构不宜为单跨框架；乙类设防时，不应为单跨框架结构。

该工程体育馆原始设计为单跨框架结构，不满足现有抗震设防的要求，存在结构安全隐患，应采取有效的抗震加固措施。经分析，针对单跨框架的抗震加固方法主要有：增设框架柱、增设抗震墙、增设型钢支撑和增设耗能减震支撑四种。

3.1.1 增设框架柱

对于单跨框架结构房屋，可在不影响建筑使用功能的前提下增设框架柱，将其改造为两跨或多跨框架结构。这种方法的优点是可以显著提高房屋结构的横向抗侧力刚度和抗震性能。但缺点是新增框架柱需增设基础，加固量相对较大；且新增框架柱可能对日常使用造成影响。结合该工程实际情况，新增框架柱会对体育馆的建筑使用功能造成极大的影响。因此，该加固方法不适用于该工程。

3.1.2 增设抗震墙

单跨框架结构房屋，可以采用在适当的位置，增设钢筋混凝土抗震墙进行抗震加固，将原单跨框架结构加固成框架-剪力墙结构，增加结构安全冗余度，提升房屋的整体抗震性能。这种加固方法可以有效解决单跨框架抗震能力不足的问题，且新增抗震墙一般设置在角部外墙位置，对建筑使用功能几乎不造成影响。

3.1.3 增设型钢支撑

单跨框架结构房屋，可以采用增设型钢支撑的形式进行抗震加固，以提高房屋单跨方向的横向抗侧力刚度。这种加固方法的优点是自重轻、工期短，对原结构构件影响较小；缺点是对建筑使用功能有一定影响，后续要定期进行维护，且不适用于大跨度的框架结构。结合该工程实际情况，单跨方向新增型钢支撑，对体育馆的建筑使用功能造成极大的影响。因此，该加固方法不适用于该工程。

3.1.4 增设耗能减震支撑

单跨框架结构房屋，可以采用增设屈曲约束支撑、黏滞阻尼支撑等耗能减震构件的形式进行抗震加固。这种方法与增设型钢支撑的加固方法类同，区别是其选用耗能减震支撑，可有效减少主体结构的地震反应，提升结构的抗震性能。但是该加固方法同样对体育馆的建筑使用功能造成极大的影响，不适用于该工程。

综上所述，根据工程的实际情况及抗震鉴定报告，经综合分析研究后，决定采用增设抗震墙的加固方法，解决单跨框架抗震能力不足的问题。

3.2 抗震加固方案

该工程抗震加固设计方案为：增设钢筋混凝土抗震墙，将原单跨框架结构加固为框架-剪力墙结构；框架柱和框架梁端部采用碳纤维加固，解决其端部箍筋间距不满足规范的问题；填充墙和框架柱间增设拉结筋，以提高房屋的整体性。

3.2.1 增设抗震墙

为解决该工程原设计为单跨框架结构，不满足现行国家标准中要求的问题，采取增设抗震墙的加固方法。经综合考虑，在体育馆四周角部位置，增设了钢筋混凝土抗震墙加固（图4、5），将原单跨框架结构加固成框架-剪力墙结构，以提高原结构的整体抗震性能。对新增抗震墙采取了结构措施，使其与原结构框架梁柱进行可靠连接，保证共同受力。

图4 结构加固平面示意图

图5 增设抗震墙加固详图

3.2.2 碳纤维加固

根据抗震鉴定报告，该工程梁柱端的箍筋间距不满足规范要求。经综合分析，在原钢筋混凝土框架柱、框架梁的端部，采用粘贴碳纤维布的方法进行抗震构造加固处理[2]（图6、7），以提高原结构构件的抗震性能。

图6 框架柱粘贴碳纤维布加固详图

3.2.3 填充墙加固

根据抗震鉴定报告，该工程的填充墙与相邻混凝土框架柱无拉结筋。经综合分析，在原填充墙的两侧，采用墙面剐槽嵌入法，增设拉结筋，并采用植筋方式与原钢筋混凝土框架柱进行连接[3]（图8），恢复填充墙与原主体结构的拉结，增强房屋的整体性，减少墙体与框架柱接缝处的开裂风险。

图7 框架梁粘贴碳纤维布加固详图

图8 填充墙加固示意图

4 抗震验算分析

4.1 计算模型

根据上述抗震加固方案，采用系列结构软件1.8.3 版进行三维空间建模（图9），按照现行国家标准《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010，2016 年版）[4]中的相关要求进行参数取值，对加固后结构进行计算分析。

图9 计算模型示意图

4.2 主要分析参数

该工程主要分析参数见表1。

表1 结构主要分析参数

4.3 验算分析

该工程在采取上述加固措施后，在新的结构体系下，其验算结果如下：①混凝土框架梁、框架柱配筋均满足规范要求；②混凝土框架柱的轴压比均满足规范要求（柱轴压比最大为0.24）；③结构自振周期满足规范要求；④地震作用、风荷载作用下，其层间位移满足规范要求。

4.3.1 结构自振特征

根据结构特征，选取了结构前3 阶自振模态进行振型分解反应谱法分析（表2）。可见，该结构有效质量参与系数、周期比均满足规范要求。

表2 中，以扭转为主的第一自振周期T3/以平动为主的第一自振周期T1=0.65<0.9，满足规范要求。

表2 结构前3 阶自振特征

4.3.2 多遇地震下结构验算分析

计算结果表明，该工程在多遇地震作用下，X、Y 方向楼层最小剪重比、最大层间位移角、层间位移比均满足规范要求（表3）。

表3 主要弹性计算分析结果

4.3.3 风荷载下结构验算分析

计算结果表明，该工程在风荷载作用下，X、Y 方向楼层最大层间位移角、层间位移比均满足规范要求（表4）。

表4 主要弹性计算分析结果

5 结语

该工程加固抗震设计中，在完全保证建筑日常使用功能的前提下，遵循安全、经济、合理、有效、实用的原则，采取了最经济和影响最小的加固方法，使得原始并没有抗震设防设计的既有建筑，达到了现行抗震鉴定标准中的要求，消除了结构的安全隐患，有效提高了结构的整体抗震性能。另外，通过该工程抗震加固设计的实践及分析，可为今后类似工程提供一些参考。