地震遺址加固方法的探討

孔德剛， 趙成江， 程曉偉， 張小兵

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 前言

2008年5月12日四川省汶川發(fā)生了8.0級(jí)特大地震，2010年4月14日，青海省玉樹(shù)發(fā)生了7.1級(jí)大地震。這兩次地震的強(qiáng)大破壞力將許多縣城夷為平地，人員傷亡慘重，財(cái)產(chǎn)損失巨大。在汶川地震中，在地震和由地震引起山體滑坡的雙重沖擊下，致使北川縣城在此次地震災(zāi)害中80%以上的房屋被損毀，100%的建筑成為危房。在玉樹(shù)地震中，1.5萬(wàn)戶居民房屋倒塌，有10萬(wàn)戶災(zāi)民需要轉(zhuǎn)移安置。為紀(jì)念這特定的歷史事件，受地震破壞的建筑物和文物建筑遺址憑借著其獨(dú)特的稀缺性和復(fù)雜性，被定位為地震遺址加以保護(hù)。但由于建筑地震遺址的結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下遭到了嚴(yán)重的破壞，故必須首先對(duì)其進(jìn)行搶險(xiǎn)加固以盡可能的延長(zhǎng)地震遺址的保存時(shí)間。本文以北川老縣城K06商住樓和玉樹(shù)縣格薩爾賓館為例，探討地震遺址的加固方法，以供大家處理類似工程參考。

1 地震遺址加固設(shè)計(jì)的原則

充分考慮震損建筑遺址的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并借鑒文物保護(hù)的理念和原則，地震遺址加固方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。

（1）最小干預(yù)原則

地震遺存的建筑物和構(gòu)筑物受到結(jié)構(gòu)破壞，其自身具有不穩(wěn)定性，在受外力的影響下存在部分或整體坍塌的可能性。同時(shí)地震遺存建筑物和構(gòu)筑物將作為文物一直保存，借鑒文物保護(hù)的理念和原則，對(duì)地震遺存的建筑物和構(gòu)筑物從事各項(xiàng)保護(hù)、整治和再利用工作，遵循最小干預(yù)原則，盡量減少對(duì)遺存本體造成負(fù)面影響。

（2）原真性原則

為最大程度地展示地震遺存，震損房屋防護(hù)性加固措施應(yīng)盡量進(jìn)行隱蔽，從外形的整體和局部上不破壞地震遺址原有的風(fēng)貌和形象特征。防護(hù)的材料和構(gòu)筑物不得改變或損傷被防護(hù)的原材料和原結(jié)構(gòu)。

（3）可逆性原則和可視別原則

結(jié)構(gòu)加固后地震遺存本體清晰，包括加固措施在內(nèi)的任何新增措施是可逆的。新增措施與地震遺存本體是有明確分離的兩個(gè)系統(tǒng)，可以方便地修改和撤除，而不影響遺存本體的原真性。

（4）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)可能發(fā)生變形、開(kāi)裂、位移和損壞部位，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安排專人每天進(jìn)行觀測(cè)記錄。通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，確切掌握在施工進(jìn)行階段和施工完成后建筑物的變形變化情況，確保建筑物和施工人員在施工進(jìn)行階段的安全，評(píng)價(jià)建筑物加固施工的效果。

（5）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工

由于震損建筑已經(jīng)破壞很嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)階段，建筑物內(nèi)很多區(qū)域不能進(jìn)入調(diào)查和測(cè)量，對(duì)建筑物的破損情況沒(méi)有辦法充分了解。在施工進(jìn)行階段，隨著認(rèn)識(shí)水平的提高并根據(jù)監(jiān)測(cè)資料反饋的信息，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以逐步完善并有效地做好保護(hù)工作。

（6）整體以抗倒塌能力補(bǔ)強(qiáng)加固為主，局部以受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)加固為輔

加固的方法可以總結(jié)為兩大類：受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)加固、結(jié)構(gòu)抗倒塌能力補(bǔ)強(qiáng)加固。地震遺址加固工程中應(yīng)首先以結(jié)構(gòu)抗倒塌能力補(bǔ)強(qiáng)加固為主，以受損結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)加固補(bǔ)強(qiáng)為輔，針對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的特殊情況制定設(shè)計(jì)方案。

2 地震遺址的現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 北川老縣城K06商住樓

K06商住樓位于北川老縣城遇難者公墓南側(cè)，景家山滑坡前緣。該樓為框架-磚混結(jié)構(gòu)，共六層。其中底部?jī)蓪訛榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，上部四層為磚混結(jié)構(gòu)。受汶川特大地震影響，該樓目前整體破損嚴(yán)重，加之受景家山滑坡的沖擊，K06商住樓整體結(jié)構(gòu)岌岌可危，有傾覆倒塌的危險(xiǎn)。一樓鋼筋混凝土柱體向南西嚴(yán)重傾斜，最大傾斜量達(dá)15°之多。柱體上下節(jié)點(diǎn)處受壓（或受拉）嚴(yán)重，混凝土大面積開(kāi)裂脫落，內(nèi)部鋼筋外露，局部鋼筋發(fā)生頸縮斷裂現(xiàn)象。由于樓體二層上下結(jié)構(gòu)形式不同，造成一、二層框架結(jié)構(gòu)和三層以上磚混結(jié)構(gòu)在地震力作用下，其受力狀態(tài)和變形有差異性，因此三樓墻體破裂嚴(yán)重，多處墻體表現(xiàn)為受壓形成的寬大“X”破裂面，并伴隨受剪錯(cuò)位。地震引發(fā)的景家山滑坡對(duì)樓房造成巨大沖擊力，擠壓建筑后側(cè)擋墻，并推動(dòng)樓體發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使樓體下部（1、2層）框架柱及墻體發(fā)生明顯扭曲?？可絺?cè)（東側(cè)）柱體呈彎曲狀，個(gè)別直接折斷。樓體一層地表大面積隆起，最大隆起高度達(dá)50 cm（圖1、圖2）。

圖1 北川老縣城K06商住樓震后全景Fig.1 Damage of K06 building in Beichuan old county town after the Wenchuan great earthquake.

2.2 玉樹(shù)縣城格薩爾賓館

格薩爾賓館是一藏族風(fēng)格的三層磚混結(jié)構(gòu)的建筑。受到地震力的強(qiáng)烈沖擊作用，第二層前墻柱子完全破壞，致使上層塌落于底層之上，向前錯(cuò)出約1 m有余;后墻雖然多處開(kāi)裂、甚至局部被壓潰，但仍然保持直立；上層前、后墻立柱多有斷裂，甚至個(gè)別立柱發(fā)生倒塌，損壞嚴(yán)重，并且整體向前（北）傾斜并錯(cuò)出，隨時(shí)都有倒塌的可能；下層基本完好，除了墻體及立柱局部開(kāi)裂之外，并無(wú)太大的損傷。第二層與第三層?xùn)|側(cè)山墻局部倒塌，角柱斷裂，破壞嚴(yán)重，但仍然起支撐作用，層間輪廓分明。賓館西側(cè)新建建筑尚未竣工，整體性極差，已完全倒塌。賓館內(nèi)部原用的縱橫墻許多已完全倒塌。第三層部分樓板受擠壓隆起破壞（圖3、圖4）。

3 主要加固措施

3.1 北川老縣城K06商住樓

通過(guò)對(duì)K06商住樓目前的破壞狀況，震損成因及穩(wěn)定性的調(diào)查分析推斷，大樓整體已處于極限平衡狀態(tài)，雖然沒(méi)有整體倒塌，但已喪失其使用功能。由于K06商住樓作為典型地震破壞類型的建筑具有保存加固的價(jià)值，為展示地震遺址區(qū)場(chǎng)景，減少自然外力對(duì)其繼續(xù)的侵害，根據(jù)該樓的變形方向、破壞程度和破壞部位，結(jié)合文物保護(hù)的理念制定如下加固措施。

3.1.1 型鋼支撐加固

圖2 K06商住樓的破壞局部Fig.2 Some particial damages of the K06 building in the earthquake.

圖3 玉樹(shù)縣城格薩爾賓館震后全景Fig.3 Damage of Gesar Hotel in Yushu county town after the Yushu earthquake.

鑒于目前樓體一層柱體多傾斜破壞，近乎喪失其原有的承重能力，故在樓體一層設(shè)置一定數(shù)量的支撐柱，以保障樓體長(zhǎng)期穩(wěn)定性，根據(jù)此次加固維修的可逆性、可識(shí)別原則，支撐柱采用型鋼，并與樓體環(huán)境協(xié)調(diào)。支撐柱底部設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，保證支撐柱地基的穩(wěn)定。

3.1.2 錨拉板墻加固樓體的破壞變形不僅僅是地震作用的結(jié)果，景家山滑坡體對(duì)其持續(xù)作用亦是樓體破壞變形的重要因素之一。故在樓體一層靠山側(cè)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索錨拉，以削弱滑坡對(duì)樓體的作用，錨索呈梅花狀布置，橫向間距2.0 m，豎向間距1.0 m，采用5束低松弛無(wú)粘結(jié)鋼絞線制作而成，并設(shè)置一定數(shù)量的傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)其受力變化情況。

圖4 格薩爾賓館的破壞局部Fig.4 Some partical damages of Gesar Hotel in the earthquake.

3.1.3 裂縫補(bǔ)強(qiáng)加固

地震致使樓體一樓立柱和梁、二樓立柱和梁和三樓以上墻體出現(xiàn)裂縫，密集寬大的裂縫嚴(yán)重影響樓體的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此需要對(duì)墻、板、梁、柱等裂縫進(jìn)行注漿加固。對(duì)混凝土梁、柱裂縫用透明的低粘度改性環(huán)氧樹(shù)脂灌縫膠壓力注漿加固，這樣即可以對(duì)裂縫進(jìn)行加固，又可最大限度的保留地震后混凝土或鋼筋等的破壞遺跡，滿足原真性原則。對(duì)大于10 mm的砌體裂縫用改性丙烯酸酸脂乳液水泥砂漿注漿加固，對(duì)小于10 mm的砌體裂縫用改性丙烯酸酸脂乳液純水泥漿注漿加固。

改性聚丙烯酸脂乳液水泥漿粘度低，滲透力極強(qiáng)，粘接強(qiáng)度高，韌性及抗沖擊性好，抗老化性及耐介質(zhì)(酸、堿及水等)性好。他和混凝土的顏色一致，不影響建筑遺址外貌，同時(shí)起到很好加固作用。

3.1.4 地基注漿加固

由于一層中部地面出現(xiàn)隆起，最大隆起高度達(dá)50 cm，這嚴(yán)重破壞了立柱的基礎(chǔ)，對(duì)建筑物的穩(wěn)定造成很大的影響。因此對(duì)地面隆起部位采用水泥砂漿注漿加固地基基礎(chǔ)。

3.2 玉樹(shù)縣城格薩爾賓館

格薩爾賓館由于地震破壞，二層整體垮塌，大部分三層落于一層之上，墻柱多處斷裂、破損、倒塌，已失去結(jié)構(gòu)的整體性。一層基本完好，僅局部出現(xiàn)細(xì)微的拉張裂縫，地基的承載作用及地基與上部樓體的連接基本完好。結(jié)合文物保護(hù)的理念制定如下加固措施:

3.2.1 室外鋼管防傾覆支撐加固

由于第三層大部分塌落于第一層樓體上，第三層樓體整體墻、板、構(gòu)造柱等結(jié)構(gòu)也已失去承重作用，原樓體已失去結(jié)構(gòu)的整體性，并且有向前傾斜倒塌的趨勢(shì)。為保證上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生傾覆破壞，在三層圈梁和構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置各自獨(dú)立的鋼管斜支撐柱六根。為保證支撐住基礎(chǔ)的穩(wěn)定，支撐住下部設(shè)置鋼管樁，鋼管樁埋深超過(guò)凍結(jié)深度2 m。

3.2.2 室內(nèi)整體結(jié)構(gòu)支撐加固

賓館二層大部分已壓垮，窗間墻、過(guò)梁、預(yù)制板等破壞脫落情況非常嚴(yán)重，室內(nèi)空間甚至已整體扭曲變形。為保證上部結(jié)構(gòu)不再繼續(xù)下錯(cuò)，對(duì)樓房第二層、第三層垮塌嚴(yán)重的部位增設(shè)構(gòu)造柱。構(gòu)造柱根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇鋼管或混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2.3 裂縫補(bǔ)強(qiáng)加固

賓館墻體和梁、柱裂縫分布非常密集，為保證其能繼續(xù)發(fā)揮作用。對(duì)混凝土梁、柱裂縫用透明的低粘度改性環(huán)氧樹(shù)脂灌縫膠壓力注漿加固；對(duì)大于10 mm的砌體裂縫用改性丙烯酸酸脂乳液水泥砂漿注漿加固；對(duì)小于10 mm的砌體裂縫用改性丙烯酸酸脂乳液純水泥漿注漿加固。

3.2.4 二層頂圈梁加固

在地震力的作用下，原二層前側(cè)墻完全壓潰，塌落于一層之上，整體上前低后高，向前傾斜；東側(cè)墻體處兩角柱雖然已經(jīng)斷裂破壞，但尚未倒塌，仍然起支撐作用，如此致使原二層前側(cè)與東側(cè)頂部圈梁發(fā)生翹曲變形。為增強(qiáng)東側(cè)墻體二層頂部圈梁的整體性，采用化學(xué)螺栓連接槽鋼加固，將原圈梁連接為一整體。

3.2.5 內(nèi)部縱橫梁粘貼碳纖維加固

在增強(qiáng)房屋內(nèi)部完好縱橫梁的承載力，在縱橫梁底部粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。由于縱橫梁跨度普遍較大，故采用碳纖維布得粘貼層數(shù)為二層粘貼。

4 結(jié)論和建議

地震遺址的保護(hù)無(wú)論是對(duì)于探索地震破壞規(guī)律還是紀(jì)念遇難者、警示后人，以及提高公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)都具有重要的現(xiàn)實(shí)和歷史意義。

(1) 由于地震遺址多數(shù)情況下破壞嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)入建筑物內(nèi)部仔細(xì)進(jìn)行調(diào)查，故在施工進(jìn)行階段，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查和認(rèn)識(shí)的深入不斷對(duì)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以逐步完善并有效地做好保護(hù)工作。

(2) 在地震遺址加固工程施工期間和施工完成后，對(duì)建筑物可能發(fā)生變形、開(kāi)裂、位移和損壞部位，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安排專人進(jìn)行觀測(cè)記錄。通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，確切掌握在施工進(jìn)行階段和施工完成后建筑物的變形變化情況，確保建筑物和施工人員在施工進(jìn)行階段的安全，評(píng)價(jià)施工完成后的效果。

(3) 由于地震遺址的特殊性和復(fù)雜性，在任何加固工程施工前，技術(shù)人員必須對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)調(diào)查評(píng)估，保證施工過(guò)程不會(huì)對(duì)建筑物的安全和穩(wěn)定造成進(jìn)一步的影響，保證施工人員的安全。

(4) 地震遺址加固施工前，應(yīng)根據(jù)建筑物破壞情況合理安排工序。應(yīng)先安排施工防止建筑物倒塌的工程措施，后施工對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的工程措施。

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[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002

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