試論抗震加固的原理和方法

陳自鋼 錢 斌

1 抗震加固基本原則

1.1 抗震加固與一般加固的區(qū)別

抗震加固與一般加固有所不同。一般加固往往是根據(jù)缺陷性質(zhì)有針對(duì)性地加固?？拐鸺庸滩粌H需要有針對(duì)性對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固,還需要對(duì)建筑物進(jìn)行整體性加固,使現(xiàn)有建筑達(dá)到規(guī)定的抗震設(shè)防要求?？拐鸺庸淘O(shè)計(jì)以提高建筑物的整體抗震強(qiáng)度和變形能力為主,通過對(duì)原有的抗震構(gòu)件進(jìn)行加固或增加新的抗震構(gòu)件,提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力,改善結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度分布的不均勻性,加強(qiáng)易倒塌構(gòu)件的連接,提高抗震能力。

1.2 抗震加固的基本原則

1)抗震加固前必須作出抗震鑒定,視其必要性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性,對(duì)沒有價(jià)值進(jìn)行抗震加固的應(yīng)予拆除。2)抗震加固的重點(diǎn)是城市生命線工程和易造成次生災(zāi)害的工程等。加固主要是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和提高抗變形能力,及加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)和危險(xiǎn)部位。3)抗震加固要使結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的設(shè)防要求,可包括構(gòu)件受損失后抗震能力不足的恢復(fù)性加固,構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)性加固,提高結(jié)構(gòu)抗震能力的局部加固或全面加固及改變使用性質(zhì)后的適當(dāng)加固。4)以抗震鑒定結(jié)論為加固目標(biāo)和依據(jù)。抗震鑒定和抗震加固是前后延續(xù)的工作,前者是衡量抗震加固是否達(dá)到規(guī)定目標(biāo)的標(biāo)志;加固設(shè)計(jì)仍采用抗震鑒定所用的抗震驗(yàn)算方法,僅計(jì)算參數(shù)按加固后的狀態(tài)取值。5)提高綜合抗震能力的優(yōu)化原則?？拐鸺庸虝r(shí),需針對(duì)房屋存在的缺陷,弄清使結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定設(shè)防要求的關(guān)鍵,盡可能清除不利于抗震的因素,還要結(jié)合各方面要求,將加固方法逐一進(jìn)行分析和比較。通過優(yōu)化決策,再按各方面的具體規(guī)定進(jìn)行加固設(shè)計(jì)與施工。6)加固有效性的控制。加固手段要確保有效地提高結(jié)構(gòu)綜合抗震能力,如防止損傷原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件,確保新舊構(gòu)件的可靠連接,構(gòu)件承載力驗(yàn)算時(shí)計(jì)入新舊部分協(xié)同工作程度的影響,尤其要避免局部加固導(dǎo)致薄弱部位轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生新的抗震薄弱部位。7)地基基礎(chǔ)現(xiàn)有承載力的利用。由于地基土在豎向荷載的長期作用下,土體固結(jié)壓密,土與基礎(chǔ)接觸處發(fā)生化學(xué)變化,地基的靜承載力有一定的提高,當(dāng)加固時(shí)所增加的重力不多時(shí),可不做地基驗(yàn)算或不進(jìn)行地基處理。8)加固材料和施工的特殊要求。加固所用的材料強(qiáng)度等級(jí)要比加固構(gòu)件的強(qiáng)度等級(jí)提高;加固施工前,需對(duì)原構(gòu)件的實(shí)際尺寸進(jìn)行復(fù)核,這些均與新建工程的要求有顯著不同。

1.3 常用抗震加固基本方法與類型

1)對(duì)于同時(shí)提高承載力和結(jié)構(gòu)剛度的,以增設(shè)構(gòu)件,擴(kuò)大原構(gòu)件截面為基本方法;對(duì)于僅需要提高構(gòu)件受剪承載力的,是以設(shè)置鋼構(gòu)套為基本方法;對(duì)需要提高變形能力的情況,是以增設(shè)連接構(gòu)件,外包鋼構(gòu)套等為基本方法;2)對(duì)于原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系明顯不合理的情況,條件許可時(shí)可采用增設(shè)構(gòu)件的方法予以改善,否則采取同時(shí)提高承載力和變形能力的方法;3)對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體性連接不符合抗震要求的情況,以提高變形能力為基本方法;4)對(duì)于局部構(gòu)件的構(gòu)造不符合抗震要求的情況,可選擇不使薄弱部位轉(zhuǎn)移的局部處理或選擇改變結(jié)構(gòu)體系,使地震作用由增設(shè)的構(gòu)件承擔(dān),從而保護(hù)局部構(gòu)件;5)對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造不符合抗震要求的情況,可僅對(duì)可能倒塌傷人的部位加以處理。

2 抗震加固常用方法

2.1 直接加固法

2.1.1 針對(duì)構(gòu)件的加固法

1)加大截面加固法。加大截面加固法是采用與原有構(gòu)件相同材料,增大構(gòu)件截面面積的一種傳統(tǒng)的加固方法,可提高被加固構(gòu)件的抗彎、抗壓、抗剪、抗拉等能力,還改變自振頻率,使正常使用要求的性能得到改善?？蓮V泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等構(gòu)件的加固。2)外包鋼加固法。外包鋼加固法分為干式和濕式兩種。對(duì)除在構(gòu)件的端部處,外包鋼與被加固構(gòu)件之間無任何連接或雖然塞有水泥砂漿但不能確保結(jié)合面有效傳遞剪力的外包鋼加固構(gòu)件,稱為干式外包加固。此時(shí),外包鋼體系和被加固構(gòu)件獨(dú)立工作。當(dāng)在外包鋼與被加固構(gòu)件之間填入膠凝材料,確保結(jié)合面有效傳遞剪力,使外包鋼與被加固構(gòu)件形成整體,共同變形時(shí),稱為濕式外包加固。外包鋼加固法可以大幅度提高構(gòu)件的抗壓和抗彎性能,比較廣泛地應(yīng)用于不允許增大截面尺寸且需要較大幅度提高承載力的軸心受壓和小偏心受壓構(gòu)件。外包鋼加固也可以用于受彎構(gòu)件或大偏心受壓構(gòu)件的加固,但宜采用濕式外包鋼加固。3)預(yù)應(yīng)力加固法。預(yù)應(yīng)力加固法是采用高強(qiáng)度鋼筋或型鋼等材料,在被加固構(gòu)件體外增設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿或撐桿。加固時(shí),通過施加預(yù)應(yīng)力,使體外的拉桿或壓桿與被加固構(gòu)件共同受力,克服被加固構(gòu)件的應(yīng)力超前現(xiàn)象,改變?cè)薪孛娴氖芰μ卣?提高加固后體系的承載能力和剛度。預(yù)應(yīng)力拉桿加固廣泛應(yīng)用于受彎構(gòu)件和受拉構(gòu)件的加固,對(duì)提高截面的剛度、減少原有構(gòu)件裂縫寬度和撓度、提高加固后構(gòu)件截面的抗裂能力非常有效。預(yù)應(yīng)力撐桿加固可應(yīng)用于軸心或小偏心受壓構(gòu)件的加固。4)改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法。改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法主要可分為兩種:增設(shè)支點(diǎn)法是以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算跨度或高度,以減小構(gòu)件的作用效應(yīng),而使其承載力和變形性能滿足要求的加固方法。增設(shè)支點(diǎn)法適用于房屋凈空不受限制的大跨度結(jié)構(gòu)的加固。托梁拔柱法是在不拆或少拆上部結(jié)構(gòu)的情況下拆除、更換、接長柱子的一種加固方法,適用于要求房屋使用功能改變、增大空間的結(jié)構(gòu)加固。5)受彎構(gòu)件外部粘鋼加固法。此法是用建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面,具有共同工作性能良好、粘鋼所占空間小,加固施工周期短等特點(diǎn),適用于承受靜力作用的一般受彎構(gòu)件,溫度不超過60℃、相對(duì)濕度不大及無化學(xué)腐蝕的使用環(huán)境中。6)碳纖維(CFRP)加固法。碳纖維布(CFRP)加固是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù),碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的10倍、彈性模量是鋼筋的數(shù)倍,可利用高性能結(jié)構(gòu)膠將碳纖維織物(布)粘貼于構(gòu)件表面,從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)及改善抗震性能的目的。采用碳纖維加固具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):a.由于碳纖維對(duì)混凝土的約束作用,構(gòu)件受力性能明顯得到改善。試驗(yàn)表明采用碳纖維加固,按通常的粘貼層數(shù)(如兩層),梁的抗彎抗剪能力提高50%以上,柱正截面承載力和延性性能可提高70%;b.碳纖維布質(zhì)輕且薄,加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、荷載增加均不大,不影響原有建筑使用功能,因此極適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固。

2.1.2 針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗震加固方法

框架結(jié)構(gòu)的加固方法很多,但其中增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻仍是一種主流方法。利用新增的剪力墻承擔(dān)主要的地震力,減小結(jié)構(gòu)的變形,降低框架柱的配筋構(gòu)造要求,從而使加固工作量大大減少。目前,梁柱加固的常用方法有加大截面法、外包鋼法以及碳纖維加固法。這些方法并非抗震加固所特有的方法,普通的工程質(zhì)量事故處理也常使用。對(duì)于抗震加固而言,梁柱節(jié)點(diǎn)的加固遠(yuǎn)比梁柱構(gòu)件本身的加固更重要。

2.2 間接加固法

1)房屋隔震技術(shù)。從抗震規(guī)范的地震影響曲線可看出,當(dāng)結(jié)構(gòu)周期增大時(shí),地震作用減小。最有效地使結(jié)構(gòu)周期增大的方法是隔震技術(shù),使房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)完全分開,在分開處放置隔震材料。最常用的隔震材料為疊合橡膠隔震墊,其作用是使地面水平地震加速度在隔震層處中斷,或使向上傳遞的地震加速度大大減小。在設(shè)計(jì)計(jì)算中,其表現(xiàn)形式是上部結(jié)構(gòu)周期延長,因而地震作用減小,結(jié)構(gòu)反應(yīng)亦減小,從而達(dá)到抗震加固的目的。2)消能減震技術(shù)。減震加固結(jié)構(gòu)通過抗震評(píng)估確認(rèn)既有建筑某層的層承載力不滿足抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)要求時(shí),通過設(shè)置耗能減震裝置,達(dá)到增大結(jié)構(gòu)阻尼、減小層間位移的目的。減震裝置種類較多,且仍在不斷開發(fā),補(bǔ)強(qiáng)方法也隨既有建筑物的實(shí)況和功能要求而異。對(duì)鋼筋混凝土房屋,用得較普遍的是增設(shè)粘滯阻尼減震墻。3)增設(shè)剪力墻加固技術(shù)。結(jié)構(gòu)剛度增大有兩個(gè)可能:a.剛度增大,結(jié)構(gòu)周期縮短,根據(jù)反應(yīng)譜方法,地震作用相應(yīng)增大;b.剛度增大,結(jié)構(gòu)變形減小,從而使內(nèi)力減小,兩者所起作用相反。因此,只要?jiǎng)偠热〉煤侠?地震作用雖然增加,但結(jié)構(gòu)變形仍然減小。實(shí)踐證明,大多數(shù)結(jié)構(gòu)增設(shè)剪力墻后,將使結(jié)構(gòu)變形減小,這時(shí),地震作用主要由剪力墻抵御,框架結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力與變形大大減小,從而達(dá)到抗震加固的目的。

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