根据北京市总体规划,老旧小区要实施抗震加固改造,还原北京历史文化街区的风貌,对既有建筑进行抗震加固,是减轻地震灾害的重要途径。既有工程改造项目,砌体结构占比大,且普遍存在砂浆强度等级低,墙体水平抗剪承载力不满足要求等情况,需要抗震加固以提高结构整体抗震性能。

　　 砌体加固最常见方法为钢筋混凝土面层加固(也称板墙加固)、钢筋网水泥砂浆面层加固(也称面层加固)。

　　 面层加固适用于抗震措施及墙体抗剪承载力与规范要求相差不大的墙体,面层加固比板墙加固相对简单,可以不设基础,加固费用低,当原砌体的砌筑砂浆等级小于M2.5时,加固效果较好,应优先考虑采用。

　　 板墙加固可大幅提高结构抗震承载力,适用于抗震措施和抗震承载力与规范要求相差较大的墙体;当砌体结构的层数或高度超过规范限值时,需采用改变结构体系的加固方案,《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009) ^[1]中规定,采用总厚度不小于140mm双面板墙进行加固,等同于增设钢筋混凝土剪力墙,改变了结构体系。采用板墙加固时,砌体实测砂浆强度等级不能太低,不宜低于M1,当砂浆强度大于M2.5时,板墙加固的加固效果较好。采用板墙加固进行加固时需要设基础,加固工程量大、施工周期长、造价较高。

　　 砌体结构加固设计大多采用单一加固方案,如所有墙体均采用面层加固或板墙加固,其中,全板墙加固是北京地区砌体结构抗震加固设计最常采用的加固方法,但其合理性有待商榷。加固方案应根据抗震鉴定结果,综合分析后确定,对于原平面或竖向不规则结构应尽量通过加固或新增构件的布置,将原不规则结构改变为规则结构,如所有墙体均采用面层加固或板墙加固,无法改善原结构的受力状况。针对以上问题,本文提出混合加固,即综合采用面层加固和板墙加固,并对某砌体结构实际工程进行板墙加固、面层加固和混合加固三种抗震加固方案的分析。本文所提出的加固设计思路对砌体结构抗震加固方案选型及计算有一定的参考价值。

　　 北京地区某砌体结构教学楼建造于20世纪70年代,地上四层,无地下室,首层层高3.9m,其余各层层高均为3.6 m,建筑物总高度为15.3m,建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为8度(0.2g),场地类别为Ⅲ类。

　　 根据该工程的抗震检测报告,内横墙厚度为240mm,外墙和内纵墙厚度均为360mm,为纵横墙混合承重体系。楼屋面板为现浇钢筋混凝土楼板,基础采用条形基础。原结构设计中未见圈梁、构造柱,粘土砖实测强度等级为MU10,一层砂浆强度推定值:外墙、Ⓓ轴交①～④轴内纵墙、Ⓕ轴内纵墙为3.0MPa,Ⓓ轴交④～⑥轴内纵墙为1.0MPa,内横墙为0.3MPa;二层砂浆强度推定值:外墙为2.4MPa,内纵墙为1.9MPa,内横墙为0.4MPa;三层砂浆强度推定值:外墙、Ⓕ轴内纵墙为1.5 MPa,Ⓓ轴内纵墙、内横墙为0.4MPa;四层砂浆强度推定值:所有墙体均为0.6 MPa。原结构标准层平面布置如图1所示。

　　 依据《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009) ^[2](简称抗震鉴定标准)第1.0.4.1条的规定:在20世纪70年代及以前建造的、经耐久性鉴定可继续使用的现有建筑,其后续使用年限不应少于30年。因此按照后续使用年限30年的标准,对该结构进行了一级抗震鉴定,原结构抗震措施主要鉴定结果见表1。

　　 由于结构不满足一级抗震鉴定,所以对结构进行了二级抗震鉴定计算,计算结果见表2,其中体型影响系数及局部影响系数值取自本工程抗震鉴定报告。根据鉴定计算结果,一至四层纵、横墙的综合抗震能力指数均小于1,不满足抗震鉴定标准的规定,应进行整体结构的抗震加固。

　　 本工程开间大于4.8m的房间面积之和占楼层总面积的比例超过50%,属于横墙很少的多层砌体结构,但房屋的总高度及层数满足规范限值,横墙间距也满足现行规范限值,满足刚性楼盖的假定。

　　 本工程横向墙体面积比纵向墙体面积约少40%,横墙砂浆强度远小于纵墙的砂浆强度,同时本工程为纵横墙混合承重,横墙的压应力较小,从二级抗震鉴定综合抗震能力指数也可看出,横墙抗剪承载力要明显小于纵墙抗剪承载力,抗剪承载力相差接近3倍,X向、Y向刚度差异巨大。横向楼层的综合抗震能力指数很低,首层最小值仅为0.293,而首层纵向楼层的综合抗震能力指数为0.936;其余楼层纵向综合抗震能力指数是横向综合抗震能力指数的1.8倍以上,所以本工程的加固关键是提高横墙的抗震承载力。

　　 从结构平面布置来分析,横墙布置不均匀,②,③轴横墙间距较小,④～⑥轴横墙间距大,结构的刚心和质心在X方向明显无法重合,质心与刚心偏离较大。本工程加固方案应考虑原结构平面不规则性,减少偏心,以提高结构整体抗震性能。

　　 纵墙由于综合抗震能力指数均大于0.7,可以采用钢筋网水泥面层加固,当现场检测砂浆强度较低(<M2.5)时,采用面层加固就可以起到不错的效果。

　　 调整X向刚心的最佳办法是在④～⑥轴间增设抗震墙,但是由于建筑专业不允许增设抗震墙,因此只能通过优化加固方案来调整。

　　 现选取三种加固方案进行比较:1)面层加固,所有墙体均采用双面钢筋网砂浆面层加固,加固总厚度为70mm,砂浆强度等级为M10。2)板墙加固,所有墙体均采用双面板墙加固,板墙总厚度140mm,局部采用140mm厚单面板墙加固,混凝土强度等级为C20;3)混合加固,纵墙及②轴、③轴横墙采用双面钢筋网砂浆面层加固,加固总厚度为70mm,砂浆强度等级为M10;①轴、④～⑥轴横墙采用双面板墙加固,板墙总厚度为140 mm,局部采用140mm厚单面板墙加固;混凝土强度等级为C20。

　　 采用盈建科软件YJK2.0.0中的砌体抗震鉴定计算程序进行抗震鉴定计算,经计算,各种加固方法的综合抗震能力指数β_ci见表3。

　　 由于软件YJK2.0.0中的砌体抗震鉴定计算程序无法给出加固后结构刚心与质心的偏心距,需要根据钢筋混凝土墙与砌体墙的弹性模量比值,将全部砌体墙厚度折算成钢筋混凝土墙厚度,利用等代刚度法来计算加固后结构刚心与质心的偏心距。钢筋混凝土墙折算厚度的计算公式如下:

　　 $t{}_{\text{c}}=\frac{E{}_{\text{m}}}{E{}_{\text{m}}}t{}_{\text{m}}(1)$

　　 式中:E_c为混凝土弹性模量;t_c为钢筋混凝土墙折算厚度;E_m为砌体的弹性模量;t_m为砌体墙厚度。

　　 混凝土强度等级取C20时,E_c=25 500N/mm²;当砂浆强度为M3.0时,E_m=1 390f=1 390×1.34=1 862N/mm²,当砂浆强度为M0.3时,E_m=1 390f=1 390×0.85=1 182N/mm²,其中f为砌体的抗压强度设计值。

　　 加固后首层横向刚心与质心偏心距e见表4。

　　 从表3、表4可见,采用混合加固,4个楼层综合抗震能力指数β_ci均大于1,纵、横墙综合抗震能力指数接近;同时结构首层刚心与质心基本重合,此方案可有效解决原结构刚心与质心偏离的问题,从而降低地震的扭转效应,提高结构整体抗震性能。

　　 墙体加固后,应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的规定,选取从属面积较大或竖向压应力较小的墙段进行抗震承载力验算,本工程设计关键是复核横墙抗震承载力。

　　 采用底部剪力法进行砌体结构抗震加固计算。对于现浇楼盖,楼层的水平地震剪力应按照抗侧力构件的等效刚度比值进行分配。加固后墙体刚度依据《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009) ^[1]进行计算,由于该规程第5.3.2条只提供了面层加固墙体的刚度增大系数,未给出板墙加固墙体的刚度增大系数,而混合加固方案中横墙采用了两种加固方式,现抗震鉴定加固计算程序中楼层水平地震剪力在各个横墙之间的分配与实际有较大差异,需要根据等效刚度验算墙体的实际抗剪承载力。

　　 首层地震总剪力标准值为4 480kN,采用抗震鉴定加固程序直接进行计算,第一种情况考虑地震剪力由全部横墙承担,第二种情况考虑地震剪力全部由新增板墙加固墙体承担。再根据等效刚度混凝土计算模型,得出横墙在Y向地震力作用下的水平地震剪力分配率;然后再根据水平地震剪力分配率,计算出混合加固方案中各横墙的水平地震剪力。水平地震剪力重分配统计如表5所示。

　　 墙体抗震承载力验算公式 ^[3]如下:

　　 面层加固:

　　 $\begin{array}{l}V\le V{}_{\text{Μ}\text{E}}+V{}_{\text{s}\text{j}}/\gamma {}_{\text{R}\text{E}}(2)\\ V{}_{\text{s}\text{j}}=0.02fbh+0.2f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}h/s(3)\end{array}$

　　 板墙加固:

　　 $\begin{array}{l}V\le V{}_{\text{Μ}\text{E}}+V{}_{\text{c}\text{s}}/\gamma {}_{\text{R}\text{E}}(4)\\ V{}_{\text{c}\text{s}}=0.44\alpha {}_{\text{c}}f{}_{\text{t}}bh+0.8\alpha {}_{\text{s}}f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}h/s(5)\end{array}$

　　 式中:V为考虑地震组合的墙体剪力设计值;V_ME为原砌体抗震受剪承载力;V_sj为面层加固后提高的抗震受剪承载力;γ_RE为承载力抗震调整系数,取值0.9;f 为砂浆轴心抗压强度设计值;b为砂浆面层厚度;h为墙体水平方向长度;f_y为水平向钢筋抗拉强度设计值;A_s为水平向单排钢筋截面面积;s为水平向钢筋的间距;V_cs为面层加固后提高的抗震受剪承载力;α_c为砂浆强度利用系数,取0.8;α_s为钢筋强度利用系数,取0.9; f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值。

　　 经复核验算,采用双面板墙加固的墙体,加固总厚度满足140mm厚,水平钢筋为ϕ6@200,混凝土强度等级为C20,墙体抗剪承载力计算结果满足要求;采用双面钢筋网水泥砂浆面层加固的墙体,加固总厚度为70mm,钢筋网为ϕ6@300×300,水泥砂浆强度等级M10,墙体抗剪承载力计算结果满足要求。

　　 由于⑥轴墙体位于防震缝位置,此处无法做双面板墙加固,只能采用单侧板墙加固,板墙厚度选取140mm,配筋采用双层双向钢筋网片,L形钢筋与原砌体墙连接,在纵墙端部两侧增设暗柱,加强纵、横墙构造拉结。具体加固做法见图2。

　　 混合加固和板墙加固加固方案的工程量统计估算详见表6。由表6可见,混合加固法在节约材料、降低造价方面比板墙加固法更有优势,该方案更符合目前提倡的绿色建筑概念

　　 (1)砌体结构抗震加固应注重抗震概念设计,提高结构的整体抗震能力,同时加固方案要考虑施工难易及工程造价,选择合理有效加固方案。

　　 (2)本工程通过混合加固(板墙加固+面层加固),将既有平面不规则结构改变为平面规则结构,加固后纵、横墙的抗震承载能力比较接近,结构质量和刚度均匀对称,减小了结构偏心,降低了扭转作用。

　　 (3)混合加固方案减少了基础加固工程量,施工造价低,在提高结构综合抗震能力同时,比采用板墙加固节约造价约50%。

　　 (4)本文分析了鉴定加固计算程序适用性,依据等效刚度复核墙体实际抗剪承载力。