抗震加固與改造技術(shù)探析

張春成， 吳順慶

河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（450003）

1 抗震加固的迫切性

我國是多地震國家，自20世紀(jì)以來，共發(fā)生破壞性地震2600多次，其中6級以上的破壞性地震500余次。宏觀震害經(jīng)驗表明,地震造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的主要原因是房屋建筑的倒塌和工程設(shè)施、設(shè)備的破壞。世界上130多次傷亡巨大的地震，其中95%以上的人員傷亡是由于不抗震的建筑物倒塌造成的。

根據(jù)國際上和國內(nèi)的成功經(jīng)驗,在地震發(fā)生之前對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行抗震加固可以提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命和抗震能力，保障人民生命安全和國家財產(chǎn)免受損失，從總體上提高城市抗震防災(zāi)能力,從而最大限度的減少地震造成的損失。汶川地震后，我國廣大工程技術(shù)人員“對設(shè)防前已建重要建筑物實施可行的加固是抵御地震災(zāi)害、延長建筑物使用壽命的有效措施。對建筑結(jié)構(gòu)采取可行的加固措施后，其整體抗震能力增強(qiáng)，安全度提高，一旦遭遇地震可極大限度的減少人員傷亡及財產(chǎn)損失?！钡暮粲?，充分表明了我國建筑結(jié)構(gòu)抗震加固的嚴(yán)重性和迫切性。

2 抗震加固與改造技術(shù)

2.1 加固與改造的范圍

建筑物加固與改造是根據(jù)建筑物的鑒定結(jié)論,針對建筑物的缺陷和損壞進(jìn)行修復(fù),以恢復(fù)或提高建筑物的安全性和耐久性，也可結(jié)合加固改善建筑物的使用功能，滿足新的適用性要求。根據(jù)我國相關(guān)的法律和規(guī)范要求，需要進(jìn)行抗震加固的建筑物、構(gòu)筑物主要包括三類:

1）未采取抗震設(shè)防措施的已建成的建筑物、構(gòu)筑物，應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗震性能鑒定,并采取必要的抗震加固措施。1997年由全國人大常委會通過的《中華人民共和國防震減災(zāi)法》中明確規(guī)定，這一類建筑物、構(gòu)筑物包括:屬于重大建設(shè)工程的建筑物、構(gòu)筑物；可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑物、構(gòu)筑物;有重大文物價值和紀(jì)念意義的建筑物、構(gòu)筑物；地震重點監(jiān)視防御區(qū)的建筑物、構(gòu)筑物等。

2）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高的地區(qū)已建成的建筑物、構(gòu)筑物?，F(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對部分城市的設(shè)防烈度進(jìn)行了調(diào)整，全國34個省會級城市中，南昌和石家莊提高一度設(shè)防；天津、鄭州、?？凇⑾愀酆团_北提高“半度”設(shè)防。對這些城市或地區(qū)的建筑物、構(gòu)筑物來講，原有建筑物的抗震能力是否能滿足新的抗震設(shè)防要求，應(yīng)該通過抗震鑒定予以確定，如果不能滿足抗震設(shè)防要求,則必須要進(jìn)行抗震加固。

3）在地震中遭到破壞的建筑物、構(gòu)筑物，震后經(jīng)鑒定后認(rèn)為有必要進(jìn)行抗震加固以恢復(fù)其使用功能。

2.2 加固與改造技術(shù)的內(nèi)容

目前，對建筑物、構(gòu)筑物進(jìn)行抗震加固與改造的技術(shù)有很多。這些抗震加固與改造的技術(shù)大體可分為兩大類:一類是增大結(jié)構(gòu)抗震能力的加固與改造技術(shù);另一類則是減小地震作用的加固與改造技術(shù)。

2.2.1 增大結(jié)構(gòu)抗震能力的加固與改造技術(shù)

建國幾十年來，我國的抗震加固與改造技術(shù)得到了飛速發(fā)展。1976年唐山地震后,砌體結(jié)構(gòu)抗震加固的問題日益突出，砌體結(jié)構(gòu)抗震性能不好,砌體墻體抗震能力、變形性能的不足、房屋整體性不好。因此，增大墻體抗震性能的外包鋼筋混凝土面層、鋼筋網(wǎng)和水泥砂漿面層加固技術(shù);增大結(jié)構(gòu)整體性的壓力灌漿加固技術(shù)、增設(shè)圈梁(構(gòu)造柱)加固技術(shù)、拉結(jié)鋼筋加固技術(shù);通過增設(shè)抗震墻來降低抗震能力薄弱構(gòu)件所承受地震作用的增設(shè)墻體技術(shù)等應(yīng)運而生。其中鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固技術(shù)是由中國建筑科學(xué)研究院等單位研發(fā)的，該技術(shù)至今仍然廣泛用于砌筑墻體的加固。

常見的混凝土柱加固技術(shù)有加大截面加固技術(shù)、外包鋼加固技術(shù)、預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)、改變傳力途徑加固技術(shù)、加強(qiáng)整體剛度加固技術(shù)、粘鋼加固技術(shù)以及碳纖維加固技術(shù)等。這些絕大部分都是經(jīng)過長期實踐檢驗可靠性比較高的技術(shù)，已收入國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)》(CECS25—90)。此類技術(shù)不僅有比較充分的理論依據(jù),還提供了詳細(xì)的計算公式。如混凝土柱的外包鋼法加固技術(shù)，開始階段的計算方法是分別計算混凝土柱和外包鋼(外包鋼按鋼結(jié)構(gòu)計算),當(dāng)外包裝的綴板加密并出現(xiàn)濕式的施工方法時,其計算按整體構(gòu)件考慮；當(dāng)綴板施加拉力時,可按約束混凝土進(jìn)行計算。1960年，在瑞士和德國發(fā)展了外粘鋼板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法，粘鋼加固法就是用薄鋼板(4～6mm)或其它鋼襯通過一種雙組分環(huán)氧粘合劑粘于混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生三相材料即混凝土—膠—鋼板的復(fù)合系統(tǒng)。該法增加的構(gòu)件自重很小，擴(kuò)大構(gòu)件斷面很小，也不占用空間，是當(dāng)前最受工程界青睞的一種混凝土結(jié)構(gòu)加固方法。大量工程實踐證明粘在混凝土梁受拉表面的鋼板能提高抗彎能力,同時也能提高抗彎剛度并相應(yīng)減少撓度和開裂。20世紀(jì)80年代初，遼寧省首先引進(jìn)了該項加固技術(shù)，并用于實際工程。遼寧省建筑科學(xué)研究院和中國科學(xué)院大連物化所研制成功用于混凝土構(gòu)件粘鋼加固的JGN結(jié)構(gòu)加固膠,使粘鋼加固技術(shù)得以在國內(nèi)迅速推廣應(yīng)用。1985年編制的 《工業(yè)與民用建筑抗震加固技術(shù)措施》標(biāo)志著我國抗震加固技術(shù)已進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。抗震加固工作達(dá)到了一個新高峰，據(jù)1987年統(tǒng)計，全國已加固房屋近2億多米，并有一批橋梁、水庫、煙囪、水塔等構(gòu)筑物，加固量之大是世界罕見的。

20世紀(jì)90年代初，中國建材院研制出高流動性修補(bǔ)砂漿，使得混凝土構(gòu)件的局部修補(bǔ)技術(shù)得以提高。該項新材料使得混凝土柱的制約加固技術(shù)成為現(xiàn)實。20世紀(jì)90年代中后期，纖維類材料用于加固的研究掀起了高潮，冶金建筑研究院引進(jìn)碳纖維加固技術(shù),河北省建筑科學(xué)研究院開發(fā)了丙綸纖維混凝土加固技術(shù),中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)了玻璃纖維水泥砂漿面層組合砌體加固技術(shù)等。

我國現(xiàn)有公路橋梁有很多是按照20世紀(jì)70年代或80年代初期頒布的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建造的，其設(shè)計荷載普遍較低，針對各種重型車輛，尤其是工程用重型運輸車的不斷出現(xiàn)，公路橋梁負(fù)荷日趨加重，加之舊橋部分老化、破損，在橋梁加固領(lǐng)域中,由于體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是對低強(qiáng)度混凝土構(gòu)件加固的較好的方法，因而愈來愈受到人們的關(guān)注。工程實踐表明采用預(yù)應(yīng)力法加固橋梁在不增加橋梁自重的前提下受力明確、它可以大幅度提高舊橋的承載能力并有效減小裂縫寬度和增加加固后主梁的抗彎剛度(減小撓度)，提高結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)力，對原橋的結(jié)構(gòu)損傷很小，不增加路面標(biāo)高，不影響橋下凈空。同時該方法具有施工簡單，不占用空間等特點。可最大限度地減少對橋上交通的影響，只要合理安排施工流程，可以在有限開放交通的情況下組織施工。體外預(yù)應(yīng)力是指將預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于截面之外的預(yù)應(yīng)力,是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支，是目前研究的熱點。體外預(yù)應(yīng)力加固通常是在梁側(cè)或梁底下部增設(shè)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋補(bǔ)強(qiáng)或預(yù)應(yīng)力加勁鋼絲索并分別錨固在梁的兩端,通過聯(lián)結(jié)構(gòu)件使鋼絲索或粗鋼筋與梁體構(gòu)成一個一次超靜定桁架體系,通過施加體外預(yù)應(yīng)力，起到以抵消部分恒載應(yīng)力而卸載的作用，從而大幅度提高橋梁結(jié)構(gòu)承載能力。它克服了其他方法加固材料中普遍存在的應(yīng)力滯后的缺點,能保證結(jié)構(gòu)和新舊材料的整體性與協(xié)同工作，可以做到隨時更換預(yù)應(yīng)力筋，維護(hù)修補(bǔ)十分方便。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)現(xiàn)已從單純應(yīng)用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)拓展到了鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等，充分證明了其在結(jié)構(gòu)加固技術(shù)方面的優(yōu)勢。

2.2.2 減小地震作用的加固與改造技術(shù)

減小地震作用的加固技術(shù)一般包括隔震加固技術(shù)和消能減震加固技術(shù)。該方法看似沒有加固結(jié)構(gòu)，但實際上如果地震作用的減小，結(jié)構(gòu)反應(yīng)必然減小,這樣就保證了該結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時的安全。消能減震是在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置耗能構(gòu)件(阻尼器)從而加大結(jié)構(gòu)阻尼。通過附加阻尼以耗散或吸收由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)為目的的減震加固技術(shù)。在消能減震結(jié)構(gòu)體系中，當(dāng)輕微地震或陣風(fēng)脈動時，消能(阻尼)裝置或元件處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度，以滿足正常使用要求。在強(qiáng)烈地震作用下，隨結(jié)構(gòu)受力和變形增大,這些消能桿件和阻尼器進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài)，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,充分發(fā)揮耗能作用避免主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入明顯塑性狀態(tài),從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不發(fā)生破壞，不產(chǎn)生過大變形。由姚冶平提出的消能減震加固技術(shù)目前已被成功地應(yīng)用于各類工程中，中國革命歷史博物館、北京火車站中央大廳、北京飯店、北京展覽館等重要建筑的抗震加固改造工程中，都用了消能減振加固技術(shù)。至今已開始消能減震研究的國家超過25個，工程應(yīng)用例子已超過300多例。從地震工程原理出發(fā)，結(jié)構(gòu)周期增大時，結(jié)構(gòu)剛度則減小，因此地震作用減小。隔震加固技術(shù)就是通過設(shè)置某種裝置(隔震層)將地震與結(jié)構(gòu)隔開，減弱或改變地震對結(jié)構(gòu)的動力作用（將地震變形集中到隔震層上），使建筑物在地震作用下只產(chǎn)生很小的振動，不致造成結(jié)構(gòu)或設(shè)施的破壞。此方法能阻隔剪切波向結(jié)構(gòu)的傳播，限制輸入結(jié)構(gòu)的能量，從而保證建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)人員、設(shè)備的安全。

目前有橡膠墊隔震(基礎(chǔ)隔震)、懸吊隔震、滾珠或滾軸隔震、滑移隔震、擺動隔震、彈簧隔震等多種隔震方法。較為成熟的做法是將隔震層放在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，即基礎(chǔ)隔震。即采用在房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置阻尼高、水平變形大、能有效吸收地震能量的鉛芯橡膠隔震墊,使房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)完全脫開，從而增大結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震作用。

3 結(jié)語

隨著結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)的改造技術(shù)也得到了發(fā)展，結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)在結(jié)構(gòu)的改造中發(fā)揮了作用。加固改造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化是該項技術(shù)成熟的標(biāo)志,目前在用和即將頒布的加固改造技術(shù)規(guī)程有:《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》GB5O165—92（鑒定部分）、《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》GB50367—2006、《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》CECS77:96、《磚混結(jié)構(gòu)房屋加層技術(shù)規(guī)范》CECS78:96等。

新的加固材料的研制是推動加固技術(shù)發(fā)展的動力。以往的經(jīng)驗告訴我們,檢測鑒定技術(shù)的發(fā)展依靠于檢驗測試儀器的發(fā)展,加固技術(shù)的發(fā)展依靠于新材料的發(fā)展。由輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐高溫的新材料構(gòu)成的效果好、易施工的加固方法可推動加固材料的發(fā)展。

加固改造理論的提高是該項技術(shù)發(fā)展的另一個方面。目前,存在的問題是加固基本上是針對構(gòu)造和承載能力不足的構(gòu)件，缺乏從結(jié)構(gòu)總體上的把握與判別；加固改造技術(shù)的提高還體現(xiàn)在施工技術(shù)改善和提高施工機(jī)具上，而在這方面的研究一直相對較少。據(jù)全國粗略統(tǒng)計目前仍有4億多平方米的各類建筑和一批工程設(shè)施、設(shè)備和構(gòu)筑物需要加固，大體相當(dāng)于應(yīng)加固面積的50%。5·12四川汶川大地震再次提醒我們，我國仍面臨著嚴(yán)峻的地震形勢，為達(dá)到全面減輕地震災(zāi)害的目的,發(fā)展抗震加固與改造技術(shù)的任務(wù)任重道遠(yuǎn)。