教学楼抗震加固设计参考手册
四川省土木建筑学会预应力及预制混凝土专业委员会成都木原建筑设计有限公司
2010年3月
目录
1概要
2现有教学楼在抗震加固中存在的主要问题2.1两种结构体系混用
2.2砖混结构的主要问题
2.3框架结构的主要问题
2.4预制空心楼板的整体性
2.5非结构部件未考虑抗震要求
3教学楼抗震加固的主要方法
3.1砖混结构的抗震加固
3.1.1钢筋网砂浆面层
3.1.2现浇钢筋混凝土板墙
3.1.3增设圈梁-钢筋混凝土柱
3.2框架结构的抗震加固
3.2.1增设抗震墙或翼墙
3.2.2增设阻尼支撑
3.2.3增大截面
3.2.4增设外部构架
3.2.5填充墙框架
4抗震加固实例
4.1结构体系混用
4.2砖混结构超高
4.3砖混结构楼梯间在建筑尽端
4.4砖混结构增设构造柱
4.5框架柱抗震构造措施补强
4.6框架柱轴压比超限加固
4.7增设翼墙加固
4.8利用填充墙框架加固
4.9增设屈曲约束支撑加固
4.10增设金属阻尼器加固
4.11新增现浇外部框架加固
4.12新增预知外部框架加固
4.13新增外部钢支撑加固
4.14单跨框架加固
4.15预制楼板的抗震加固
4.16框架结构楼梯间加固
5教学楼抗震加固的讨论
附录A北京地区中小学校舍抗震鉴定与加固技术细则
1概要
2009年5月国务院对中小学校舍安全工程进行了全面的动员与部署，到2009年年底，全国完成了近40万所中小学、数百万栋校舍的排查和鉴定工作，2010年将进入全面实施加固处理的阶段。四川省作为实施中小学校舍安全工程的重点区域之一，根据排查鉴定的结果，四川省同样有大量的校舍需要进行抗震加固，在校舍的抗震加固中，由于受到使用功能的限制，教学楼、食堂等公用建筑是抗震加固中的难点。
在四川地区学校建筑的抗震加固中，与一般建筑物相比有以下几个特点：
1）设防类别与设防烈度同时提高
中小学学校主要建筑的设防类别由一般设防类提高到重点设防类，与此同时，四川部分地区的设防烈度或分组进行了调整，两项因素的叠加，使得四川地区中小学建筑的抗震加固难度大幅度提高。
2）抗震加固应尽可能减少对学校正常使用的影响
中小学建筑的抗震加固不可避免的会对学校的正常使用带来影响，但由于涉及面大，完成抗震加固的时间紧，如果抗震加固工程不能在假期中完成，就势必需要为学校提供过渡性的上学场地，这样，不仅使得抗震加固的总成本大幅增加，给学生和家长带来不便，而且临时上学场所的学生安全也存在隐患。因此，选择的抗震加固方法应在保证安全的前提下，能够减少施工周期。
3）教学楼等受功能的制约，可采取的加固方法受限制
教学楼等学校主要建筑其使用功能决定了建筑的基本结构方式，如果不能改变使用用途，则抗震加固的方法势必受到限制。
如砖混建筑中，纵墙方向通常需要有较大的开洞，以保证室内的采光需要，但从抗震角度却极大的削弱了纵墙的抗震能力。
4）非结构部件在抗震加固中不可忽视
学校作为人群相对比较密集的区域，非结构部件破坏造成人员伤亡的可能性比一般建筑更大，因此在抗震加固中不能忽视对非结构部件的处理。尤其是走廊栏杆、女儿墙等。
本手册主要以介绍提高教学楼等建筑物整体抗震能力的方法为目的，对构件承载能力的加固方法不作更多介绍。混凝土构件的加固方法可参照四川省土木建筑学会编写的《混凝土结构抗震加固技术参考手册》中的相关内容。
本手册主要针对排查鉴定中结构安全性评定等级为Asu、Bsu 级的多层建筑，其它各类建筑物应对结构安全性加固和抗震加固进行综合考虑，并对加固的经济性进行评估。
本手册以教学楼等类建筑的抗震加固为重点，针对该类建筑在抗震加固中存在的主要问题，结合实际工程项目提出抗震加固的措施，为教学楼等建筑的抗震加固设计提供参考，所列实例设计均已完成或已实施。本手册未包括所有的加固方法，仅介绍较适合于教学楼等建筑抗震加固的方法及应用。各实例重点突出抗震加固中需解决的难点问题，而并非介绍单一项目的全面抗震加固设计，因此，使用者应根据工程的特点综合利用本手册提供的建议，如有需要也可直接向各项目的提供者了解进一步详细情况。
加固设计是一项非常复杂的工作，本手册仅希望能够为设计者在教学楼的加固设计中提供一些思路和参考。
2现有教学楼在抗震加固中存在的主要问题
2.1两种结构体系混用
受建设时期经济条件、技术规范要求的限制，在20世纪90年代前的学校建筑中存在砖混结构与框架结构混用的情况，该类建筑物结构整体的抗震能力较差。其中比较典型的情况有：1）楼梯间采用框架结构，其余部分采用砖混结构；
2）山墙及楼梯间采用砖混结构，其余部分采用框架结构；
3）部分框架与部分砖混混用。
2.2砖混结构的主要问题
2.2.1整体性指标超限
由于设防类别的调整，建筑物层数、总高度、层高、高宽比、横墙间距、楼梯间设置位置等不符合规范要求。其中层数超限应当拆除超出的楼层或改变建筑物用途。
2.2.2墙体抗震能力不满足要求
由于地震设防烈度的调整，或由于砌体砂浆强度不足，导致墙体承载能力不足，其中尤其是纵墙较难满足抗震要求。
2.2.3抗震构造措施不满足要求
由于设防类别的调整，圈梁、构造柱设置以及墙体局部尺寸等抗震构造措施不能满足规范要求。如大房间内外墙交接处、楼梯间四角处未设置构造柱；楼梯间墙体在休息平台或楼层半高处未设置配筋带。
2.3框架结构的主要问题
2.3.1整体性指标超限
框架结构整体性指标存在的主要问题是单跨框架、层间位移超限、平面不规则等。
单跨框架结构形式在学校建筑中大量采用，尽管抗震设计规范中对多层建筑中应用单跨框架并未禁止，但抗震鉴定标准中对单跨框架应用于学校的乙类建筑有明确的限制，因此，在学校建筑的抗震加固中，无论建筑物后续使用年限是多少，单跨框架都应进行处理。
基于扭转对建筑物抗震性能影响的不确定性较大，考虑到教学楼等建筑的重要性，建议对该问题应进行处理。
2.3.2框架结构中构件抗震承载能力不足
由于设防类别以及地震设防烈度或分组的调整，导致构件承载能力不足。尤其是由于框架抗震等级提高，设计内力调整系数提高，导致建筑物一层、二层的梁柱，尤其角柱配筋面积不能满足规范要求。
2.3.3框架结构中抗震构造措施不满足要求
由于设防类别的调整，框架抗震等级提高，导致柱轴压比、柱配箍率、角柱箍筋间距等构造措施不能满足规范要求；框架结构中楼梯间填充墙体与周边构件的拉接不满足要求；由于存在中间休息平台，形成局部短柱，短柱又未进行箍筋加密处理。
2.4预制空心楼板的整体性
无论砖混结构还是框架结构，既有学校建筑中楼屋盖体系仍大量采用预制空心楼板，由于各种原因，预制空心楼板在整体性处理方面存在缺陷，影响了建筑物整体抗震能力。因此，在抗震加固中，应当采取措施提高预制楼盖的整体性。
2.5非结构部件未考虑抗震要求
非结构部件在抗震方面存在的主要问题是女儿墙、外走廊栏杆等所采取的抗震措施不足，在地震中该类部件易发生局部破坏、倒塌。
由于在结构抗震设计中结构设计人员一般并不考虑非结构部件的抗震问题，而震害表明非结构部件在地震中所造成的损失不容忽视，因此，在抗震加固设计中尤其需要对非结构部件抗震问题引起高度重视。
3教学楼抗震加固的主要方法
3.1砖混结构的抗震加固
3.1.1钢筋网砂浆面层
1）特点及适用范围
钢筋网砂浆面层加固是在面层砂浆中配设钢筋网，对于砌筑砂浆强度低于M2.5的情况，能够提高砌体的承载能力，并能够提高砌体的刚度、改善砌体的延性、较大幅度地提高墙体平面外的抗弯强度。
通过钢筋网砂浆面层加固，可以达到提高墙体承载能力及抗倒塌能力的目的，可用于墙体承载能力不足、局部墙体尺寸不足以及易倒塌部位的加固处理。
2）设计注意事项
采用该方法时需要注意如果原墙体砌筑砂浆强度超过M2.5，则不能提高砌体的抗剪强度；由于该方法同时提高了砌体的刚度，如果局部采用该方法进行加固时，则需要注意由于刚度变化对地震作用的影响，一般应按照对称的原则布置需加固的墙体；在教学楼加固中一般应采用双面钢筋网砂浆面层加固；水泥砂浆强度不应低于M10；穿过墙体的钢筋网拉接筋间距不能过大，一般可选用800mm。
3）施工控制要点
原抹灰层应剔除至砌体表面，钢筋网片与墙面间的空隙不应小于5mm，贯通墙体或楼板的钢筋孔洞应用水泥砂浆填实，拉接筋应按要求与钢筋网有可靠连接。
3.1.2现浇钢筋混凝土板墙
1）特点及适用范围
现浇钢筋混凝土板墙加固，是在砌体两侧或一侧增设现浇混凝土组合层，形成砌体-混凝土组合墙体，从而大幅度提高墙体的承载能力和变形能力。一般用于需大幅度提高结构抗震能力、砌体延性的情况，当砌筑砂浆强度强度较高时，也可采用该方法进一步提高砌体强度和延性。
适当增加现浇钢筋混凝土板墙加固的面层厚度，可在一定程度上改变原结构体系的受力特点，对于混合的结构体系具有较好的适用性。
2）设计注意事项
该方法可以提高砌体的抗剪强度和刚度，由于该方法同时提高了砌体的刚度，如果局部采用该方法进行加固时，则需要注意由于刚度变化对地震作用的影响，一般应按照对称的原则布置需加固的墙体；混凝土板墙应设有基础，基础应在设计分析中考虑，尤其是希望通过增设混凝土板墙适当改变原结构体系时；教学楼抗震加固中一般应采用双面板墙，板墙总厚度不少于140mm；穿过墙体的钢筋网拉接筋间距建议不超过800mm；板墙尽端竖向配筋应适当加强。
3）施工控制要点
由于混凝土层厚度较薄，应采用流动度较高的混凝土并采取措施防止混凝土开裂；拉接筋应按要求与钢筋网有可靠连接。
3.1.3增设圈梁-钢筋混凝土柱
1）特点及适用范围
增设圈梁-钢筋混凝土柱，是在结构适当的部位增设混凝土柱及圈梁以提高结构整体的抗震能力和延性。增设圈梁-钢筋混凝土柱后，可提高墙段的承载能力，改善墙体连接的整体构造。
在教学楼的抗震加固中，一般需要在教室纵横墙交接处以及楼梯间四大角处、房屋四角处设置钢筋混凝土柱，在各楼层标高上设置圈梁。
2）设计注意事项
圈梁应闭合，新增柱、新增圈梁与墙体应有拉接，新增柱应有基础。
3.2混凝土结构的抗震加固
3.2.1增设抗震墙或翼墙
1）特点及适用范围
增设抗震墙或翼墙加固，能够提高结构的抗剪能力及侧向刚度，改善整体结构的抗震性能，并减轻原结构中梁、柱构件所承担的地震作用。本方法较适用于结构刚度不足，或需要大幅度提高结构抗震能力，或需要调整结构刚心位置的情形。
在教学楼的加固中，增设的抗震墙应根据设计分析确定，位置可首选设置在楼梯间。
2）设计注意事项
增设的墙体需要增加基础；由于增设的抗震墙会承担大部分的地震作用，可能会使基础处理的工程量较大；新增墙体对相邻构件受力会产生影响；尤其要注意保证层间刚度与各层强度不能差距太大。
3）施工控制关键
植筋需注意避免损害既有梁、柱构件的内部钢筋；浇筑混凝土时，须确保剪力墙与梁的交接处浇筑密实；在原梁柱构件与新增墙的接触面上应凿凹凸槽，以提高界面的摩擦剪力；应采取措施减少混凝土收缩。
3.2.2增设阻尼支撑
1）特点及适用范围
增设阻尼支撑加固，是通过在适当位置设置屈曲阻尼支撑、金属阻尼器、粘滞型阻尼器等，以提高结构阻尼比、减少地震输入为主要目的，同时适度改善结构刚度分布。
当建筑物本身具备足够的抵抗竖向荷载的能力，仅抗震能力有所不足时，采用该方法是较好的选择。该方法可以大量减少梁柱的加固量、节省加固材料及人工费用、降低加固费用；同时由于加固范围较小，可减少或避免造成对建物使用上的困扰，缩短施工工期。
2）设计注意事项
注意新增支撑对相邻构件受力的影响；不需要提供抗侧力刚度时，可采用粘滞型阻尼器；防屈曲阻尼支撑及金属阻尼器则既可提供一定刚度，也可为结构提供附加阻尼以减低地震对结构的作用；采用该方法需要对结构进行非线性分析；实际减震效果与所选用产品的性能密切相关；阻尼器连接节点处理需保证在地震过程中节点不发生破坏，不发生侧向失稳或破坏等问题，以保证阻尼器能正常发挥作用；
3）施工控制关键
由于阻尼器不承担竖向荷载，所以阻尼器安装完后，需处于不受力的状态；阻尼器安装完成后，需做好防锈及防火的处理；安装完成的阻尼支撑的垂直度应满足要求。
3.2.3增大截面
1）特点及适用范围
增大截面加固一般用于框架柱的加固，该方法通过增大构件截面和配筋，在提高构件承载能力与刚度的同时，提高结构的抗震能力。一般用于钢筋混凝土柱轴压比超限、承载力不足的情况，用于提高结构刚度时，其效果有限。
2）设计注意事项
在增大截面加固中，柱的主筋需要重新设置，通常会采用植筋方式来新增主筋，作为主要的结构抗震构件，需要谨慎处理钢筋锚固问题，要注意植筋基材混凝土强度、钢筋间距以及锚固深度的要求；截面增大后不应影响抗震缝间距。
3）施工控制关键
应剔除原构件混凝土保护层，并在表面凿出凹凸槽；必须保证纵向钢筋的锚固；混凝土养护应大于14天。
3.2.4增设外部构架
1）特点及适用范围
增设外部构架加固，是在结构外部设置附加的结构，并与原结构相连接，以提高建筑整体抗震能力。
适用于框架抗震能力不足的情况。由于大量施工时间可在建筑物外部进行，因此较适于加固工程量大且无法腾空内部的情况以及单跨框架。
本方法的特点是利用增设外部框架及斜撑，提高整体结构抗震能力，并减小原结构中梁、柱内力。该方法对原建筑的使用功能基本不产生影响，加固施工时对原建筑正常使用影响较小。
2）设计注意事项
建筑物周围须有足够的空间设置外部框架；新增构架与原结构的连接是保证加固后结构抗震性能的关键。
3）施工控制关键
新增构架与原结构的连接是施工的重点，由于施工期间可能内部仍在使用，因此施工期间的组织及相关安全措施尤为重要。
3.2.5填充墙框架
1）特点及适用范围
通过对框架间的填充墙进行处理，使其满足填充墙框架的要求，从而提高结构抗震能力。
该方法适合于后续使用年限不大于40年的建筑，一般用于横向框架抗震能力不足的情况、单跨框架以及楼梯间的加固。
2）设计注意事项
填充墙材料应采用粘土实心砖、页岩砖或少量配筋的混凝土墙等，大孔砖、加气块、混凝土砌块等强度较低的砌体不适合用于填充墙；采用混凝土填充墙时，配筋仅需按构造配置以防止墙体开裂，并应注意控制结构自重。
填充墙框架在设计中需要对墙两端柱的剪力和轴力进行调整，两端柱可能需要进行加固，并应注意对柱基础的影响。
3）施工控制关键
应注意控制后增墙体与框架梁柱的连接，一般可考虑预留一定宽度的后浇带，采用微膨胀混凝土或灌浆料填实，局部应增设防裂钢筋。
4实例
4.1结构体系混用
1）工程概况
该教学楼修建于1985年，为四层外走廊砖混与框架的混合结构房屋，楼屋面板均为预制空心板。该房屋主要开间尺寸为3.3m，主要进深尺寸为6.60m，房屋总长度为69.32m，总宽度为11.20m，房屋各层层高为3.90m，房屋高度为15.80m。
图4.1.1
图4.1.2
2）存在的主要问题
该教学楼属于砖混与框架的混合结构，其结构体系的抗震性能差；纵横墙交接处未设置构造柱；该教学楼的高宽比为2.27，不满足《建筑抗震鉴定标准》中砖混结构的高宽比不宜大于2.2的要求；经抗震验算，该房屋一～四层纵向墙体的抗震承载能力不足。
3）主要加固措施
采用混凝土板墙加固原墙体，并对纵向梁进行加固处理，将原混合结构体系改变为框架-剪力墙体系。
图4.1.3加固平面图（深色为新增混凝土板墙）
案例提供：四川省建筑科学研究院/赵干荣
4.2砖混结构超高
1）工程概况
本工程为教学楼，五层砖混结构，建于1985年，原设计抗震设防烈度为7度，楼屋面板均为预制空心板。建筑平面见图4.2.1，建筑总长57.600m，总宽15.600m，总高18.9m，建筑面积4635㎡。砂浆强度为M2.5，砖强度为MU10。
图4.2.2教学楼外观
2）存在的主要问题
本工程原设计抗震设防烈度为7度（0.1g，第一组），丙类建筑。地震后要求按7度（0.1g，第三组）、乙类建筑进行抗震加固设计。根据《建筑抗震鉴定标准》，建筑总高度不满足要求。
3）加固的主要措施
依据《建筑抗震加固技术规程》，通过计算并结合该工程的具体情况，通过提高墙体抗震承载能力进行加固处理。由于本项目纵墙抗震承载能力富裕较大，因此仅对该房屋的横墙1~3层采用钢筋网砂浆面层法加固，加固平面见图4.2.3。
4.3砖混结构楼梯间在建筑尽端
1）工程概况
本工程为实验综合楼，四层砖混结构，竣工于1985年，设计抗震设防烈度为7度，楼屋面板均为预制空心板。建筑平面见图4.3.1，建筑物由两栋独立的建筑组成L形，两栋建筑之间由变形缝分隔，建筑总长73.800m，总宽7.200m，总高15.0m，建筑面积2820㎡。砂浆强度为M5。
图4.3.1实验综合楼一层平面图
图4.3.2实验综合楼立面图