校舍加固中隔震技術(shù)的應(yīng)用與案例分析

楊 濤　董 有　李 廣　王 洋

校舍加固中隔震技術(shù)的應(yīng)用與案例分析

楊 濤董 有李 廣王 洋

楊濤，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，一級注冊建筑師，工學(xué)碩士。在抗震鑒定、既有建筑加固設(shè)計等方面具有豐富經(jīng)驗。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部重點課題《我國既有建筑加層加固技術(shù)與政策體系研究》（課題編號2011-k2-28）技術(shù)總負(fù)責(zé)，是《既有砌體結(jié)構(gòu)隔震支座托換技術(shù)規(guī)程》CECS387：2014主要起草人之一。先后參與多項國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制。負(fù)責(zé)北京市地方圖集《北京市房屋建筑抗震節(jié)能綜合改造圖集——柱、圈梁、鋼拉桿加固分冊》編制技術(shù)總負(fù)責(zé)。獲得“既有框架建筑采用并聯(lián)隔震支座加固的安裝托換方法”“磚混結(jié)構(gòu)隔震支座加固的安裝托換方法”和“采用角鋼鋼架加固磚混結(jié)構(gòu)的方法”等多項發(fā)明專利。主持編制《既有建筑加層技術(shù)與政策研究》書籍（中國建筑工業(yè)出版社）及《農(nóng)宅砌體結(jié)構(gòu)抗震加固構(gòu)造圖集》（中國建筑工業(yè)出版社）等技術(shù)著作。

國內(nèi)外許多使用隔震支座技術(shù)的房屋，經(jīng)過多次強烈地震的考驗，隔震效果良好，抗震性能顯著。

實例1：1994年洛杉磯6.7級地震，共有31座醫(yī)院嚴(yán)重破壞，9座醫(yī)院局部破壞而被逼疏散，南加州大學(xué)醫(yī)院地上7層的隔震結(jié)構(gòu)，地震中絲毫未損，甚至沒有一個花瓶摔下，醫(yī)院屋內(nèi)人員竟然未意識到發(fā)生了強烈地震，各種設(shè)備未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為救災(zāi)中心，對震后緊急救援起到了十分重要的作用。而醫(yī)院周圍建筑物普遍嚴(yán)重破壞，而距離該院1千米外的洛杉磯中心醫(yī)院，地震造成損失達3.89億美元。

實例2：1995年日本阪神7.2級地震中，有2幢隔震結(jié)構(gòu)建筑取得了地震觀測記錄。西部郵政大樓建筑面積46000平方米，總共6層，是當(dāng)時日本最大的隔震建筑。地震記錄觀測地面1層水平向的最大加速度只有基礎(chǔ)的1/4～1/3，該建筑震后結(jié)構(gòu)完好，設(shè)備無損，在救災(zāi)中發(fā)揮了較大作用，隔震效果得到了充分發(fā)揮。Matsumura-Gumi研究所大樓為3層隔震樓，毗鄰的管理大樓為3層非隔震樓，兩棟都得到了地震觀測記錄。隔震樓1層最大加速度值比基礎(chǔ)顯著減小，非隔震樓最大加速度比隔震樓大2～5倍。

實例3：1994年臺灣集集7.3級地震，汕頭市烈度為Ⅵ度，房屋搖晃厲害，居民驚慌失措，水桶里的水濺出了1/3左右，而陵海路隔震樓上的人無震感，不知道地震發(fā)生。

實例4：1995年云南武定6.5級地震，地震發(fā)生時，大理震感強烈，而隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓內(nèi)的大多數(shù)人沒有感覺，不知道發(fā)生了地震。

實例5：1996年云南麗江發(fā)生7級強烈地震。四川西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動，而相鄰的一幢常規(guī)抗震樓只有四層高，樓上居住的人感覺搖晃十分強烈，驚慌失措往外逃跑。

實例6：經(jīng)受4?20蘆山地震考驗的蘆山縣人民醫(yī)院，已成為“樓堅強”的代言人，它的秘密在于地基部分的“彈簧緩沖”。地震后外觀完整且受損較小的蘆山縣人民醫(yī)院主樓引起關(guān)注。

2009年到2011年期間，根據(jù)《全國中小學(xué)校舍安全工程實施細(xì)則》我國大力開展校安工程，對各級各類中小學(xué)校舍進行排查、檢測、鑒定、加固。

目前針對中小學(xué)等抗震要求較高的建筑的抗震加固方法中，大都采用傳統(tǒng)的加固方式，即對砌體結(jié)構(gòu)采用板墻加固、水泥砂漿鋼絲網(wǎng)、增加構(gòu)造柱圈梁等。對于框架結(jié)構(gòu)常采用梁柱加大截面、增加剪力墻、粘貼碳纖維布等方法。經(jīng)過大量的工程實踐，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的加固方式存在一定的缺陷：對原建筑物的裝修破壞較大，使建筑的使用面積減少等。隔震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置橡膠隔震墊裝置，使上部結(jié)構(gòu)與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)分離，阻隔地震波向上部結(jié)構(gòu)傳播的一種結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)措施。它具有水平剛度小、豎向剛度大的特點，可以延長結(jié)構(gòu)的水平自振周期，增大地震波與建筑結(jié)構(gòu)的卓越頻率比，減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使建筑物只在地震作用下產(chǎn)生一定平動，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑物在橡膠墊上產(chǎn)生較大位移，整個結(jié)構(gòu)的變形都集中在底部，整個結(jié)構(gòu)處于平動狀態(tài)和彈性狀態(tài)，以柔克剛，既能隔震，又不影響結(jié)構(gòu)的承載力，減輕地震災(zāi)害及次生災(zāi)害。

隔震技術(shù)用于既有建筑物的加固可以只在首層和地下進行施工，地上結(jié)構(gòu)可以不做改動，可以避開對原建筑裝修大部分的破壞和減少使用面積等弊端，并同時大幅度提高結(jié)構(gòu)的安全度。下面針對隔震技術(shù)在多層磚混結(jié)構(gòu)和多層框架結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用實例分別進行分析。

結(jié)構(gòu)平面布置圖

隔震技術(shù)在多層框架抗震加固中的應(yīng)用實例

項目名稱：某中學(xué)實驗樓抗震加固工程。

工程概況：本項目為四層框架結(jié)構(gòu)，1999年建造，建筑面積約3040 m2。采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，建筑場地類別為Ⅱ類。根據(jù)工程抗震鑒定報告，該結(jié)構(gòu)需要進行抗震加固。實驗樓有大量的設(shè)備，業(yè)主希望在抗震加固中不破壞上部結(jié)構(gòu)，為此我們采用基礎(chǔ)隔震加固技術(shù)，下面對原結(jié)構(gòu)和隔震加固結(jié)構(gòu)進行對比分析。

根據(jù)抗震鑒定報告，本樓下面三個方面不滿足相關(guān)規(guī)范要求：

隔震的計算分析

1.抗震設(shè)防要求

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008），此實驗樓屬于重點設(shè)防類（乙類）。本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g。

2.場地條件

本工程設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35s，多遇地震下amax=0.16，罕遇地震下amax=0.90。

3.隔震方案技術(shù)可行性分析

（1）結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，高寬比為0.375，小于4，變形特征接近剪切變形，符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010，以下簡稱《抗震規(guī)范》）中12.1.3條第1款要求。

（2）建筑場地為Ⅱ類，滿足《抗震規(guī)范》12.1.3條第2款要求。

（3）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值與結(jié)構(gòu)總重力的比值見下表，無其他非地震作用的水平荷載。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，滿足《抗震規(guī)范》12.1.3條第3款要求。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值與結(jié)構(gòu)總重力的比值

4.隔震支座平面布置方案

本項目在±0.000標(biāo)高處增設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板作為隔震層頂板，隔震支座沿框架柱進行布置，設(shè)置在隔震層頂板和基礎(chǔ)之間，隔震支座頂標(biāo)高均設(shè)置在同一標(biāo)高，具體標(biāo)高根據(jù)隔震層頂板梁高確定。本項目隔震支座平面布置圖見上圖。

隔震支座平面布置圖

5.隔震結(jié)構(gòu)動力分析

采用EtabsV9.7.0作為動力分析軟件，選擇兩條天然波和一條按抗震規(guī)范反應(yīng)譜合成的人工波，取三條波作用下包絡(luò)值作為時程分析的代表值。在結(jié)構(gòu)進行多遇和罕遇地震作用下的分析時，地震波的幅值按照Ⅷ度（0.2 g）抗震設(shè)防烈度調(diào)整到相應(yīng)的多遇地震和罕遇地震水平，并取三條波作用下包絡(luò)值作為時程分析的代表值。多遇地震下的波加速度時程曲線的峰值為70 gal，罕遇地震下的波加速度時程曲線的峰值為400 gal。根據(jù)規(guī)范要求，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均應(yīng)超過振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

6.計算分析結(jié)果

（1）由計算結(jié)果可知，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，層間剪力大大降低，最大層間減震系數(shù)小于0.40，可以將上部結(jié)構(gòu)地震影響降低1.0度，設(shè)計采用的樓層地震剪力同時要滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.2.5條的最小地震剪力系數(shù)的規(guī)定?？拐鸬燃壗档秃髽?gòu)造措施可適當(dāng)降低。

（2）隔震前后結(jié)構(gòu)周期比較

對非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)進行了動力特性分析，分析取15個振型，振型質(zhì)量參與系數(shù)滿足規(guī)范要求。結(jié)果見下表。

非隔震結(jié)構(gòu)自振特性 隔震結(jié)構(gòu)自振特性

（3）受壓承載力驗算

本工程隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力均小于12 MPa。

（4）罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算

隔震支座的最大水平位移，小于0.55倍橡膠支座直徑和3倍橡膠厚度。罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算通過。

（5）隔震支座水平屈服荷載驗算

隔震支座水平屈服荷載驗算目的是保證在風(fēng)荷載作用下隔震層不屈服，防止產(chǎn)生較大位移影響房屋的適用性。驗算結(jié)果表明隔震支座滿足要求。

（6）隔震支座在罕遇地震下的拉應(yīng)力驗算

在罕遇地震作用下，隔震支座未出

現(xiàn)拉應(yīng)力。

施工工藝

1.隔震加固施工工藝流程

橡膠隔震支座施工工藝：±0.00頂板框架梁板模板支護→梁板鋼筋綁扎→梁板澆筑混凝土→養(yǎng)護→綁扎并同時澆注上支墩→安裝臨時鋼管液壓支撐→切割隔震墊處框架柱→開始沉降觀測→下支墩鋼筋綁扎，澆注混凝土并同時安裝下預(yù)埋板→調(diào)整下預(yù)埋板的位置并固定→安裝隔震支座、固定→拆除臨時鋼管支撐→橡膠隔震支座的成品保護→隔震溝工程施工→沉降觀測。

2.隔震層橡膠隔震支座施工

隔震層梁、板混凝土完成并達到設(shè)計強度后，進行臨時支撐的加固，完成后進行框架柱切割，按照先上后下的施工原則施工。

在進行隔震施工前要先將原框架柱進行編號，并計算出和標(biāo)出每個編號框架柱的承載力值，依據(jù)承載力值進行液壓支撐。

（1）放置支撐預(yù)埋板

?在放置隔震支座前，要進行荷載卸荷，每個支撐位置四周放置底板預(yù)埋板。

?隔震支座上支墩混凝土鋼筋綁扎前放置隔震支座預(yù)埋板，以便預(yù)埋板套筒能放入鋼筋籠內(nèi)，并與鋼筋綁扎牢固。

?放置預(yù)埋板前要先測量定位，依據(jù)每個框架柱編號以及圖示尺寸重點控制好埋件中心的定位。

第四，結(jié)社交游。 結(jié)社是清初士僧交往的重要方式，是士僧之間交游唱和的重要載體。 社團是一個群體性組織，可以推進禪學(xué)的學(xué)習(xí)與傳播，激發(fā)相似的情感體驗，對于帶有遺民色彩的智樸、宦海漂泊的士大夫來說，確是一個心靈的歸宿。 目前只得兩首相關(guān)詩文：

（2）放置鋼管液壓支撐

?鋼管液壓支撐放置前，要核對底埋板與上方混凝土支墩間凈尺寸，依據(jù)實際測量尺寸進行下料，鋼管規(guī)格為300無縫鋼管，壁厚12 mm。

施工現(xiàn)場照片

?要待柱上支墩混凝土強度達到設(shè)計強度后，方可放置臨時支撐鋼管。

依據(jù)隔震框架柱平面編號圖進行鋼管支撐，鋼管底埋板放置要保證牢固平穩(wěn)，鋼管放置前先放置自鎖式液壓千斤頂，依據(jù)每個柱子最大承載力值調(diào)好數(shù)值，并自鎖，設(shè)專人進行檢查看護。

同時，依據(jù)沉降觀測點進行切割前的觀測，并記錄數(shù)值。

（3）切割框架柱

?框架柱切割前要檢查鋼管臨時支撐是否牢固，以及液壓千斤頂數(shù)值是否有變化，如有要立即停止切割，報項目技術(shù)負(fù)責(zé)人，由技術(shù)負(fù)責(zé)人及安全員和施工負(fù)責(zé)人共同檢查具體變化原因，并及時排除隱患，做好記錄。同時做好沉降觀測點布置和測量。

?切割前要依據(jù)標(biāo)高線彈好切割控制水平線，隔震支座高度誤差要在5 mm允許誤差范圍內(nèi)，不得超出誤差值。

?切割框架柱要嚴(yán)格按照平面圖框架柱編號順序進行，采取先單數(shù)后雙數(shù)的切割順序進行。即先切割編號為①、③、⑤……的框架柱，再進行編號為②、④、⑥……的框架柱的切割，不得同時進行框架柱的切割作業(yè)。

?每切割一個要進行觀測測量，如測量值超出允許偏差值，要立即停止作業(yè)，通知設(shè)計到場進行勘驗。并利用備用自鎖千斤頂進行支撐，穩(wěn)固后作業(yè)人員要撤出施工現(xiàn)場。觀測記錄員要隨時進行沉降觀測，并記錄。

（4）下支墩增大截面

?框架柱切割完成后，對原框架柱下端進行柱增大截面及下支墩的施工，按照鋼筋綁扎和澆筑混凝土要求施工。

?混凝土要及時養(yǎng)護，保證強度達到設(shè)計要求。

（5）安裝隔震支座

?支座安裝前放置上下預(yù)埋板，預(yù)埋板安裝精度；傾斜角1/500以下。

?下預(yù)埋板施工：在安裝下預(yù)埋板之前，首先在基礎(chǔ)底板上標(biāo)識出支墩的中心線，在四周墻壁上標(biāo)識出下預(yù)埋板的標(biāo)高控制線，根據(jù)此中心線和標(biāo)高控制線確定下預(yù)埋板的位置，通過在隔震下支墩四角焊鋼筋棍的方式來調(diào)整下預(yù)埋板的標(biāo)高、位置及平整度，要求鋼筋棍斷面平齊且焊接后頂面標(biāo)高相同，以保證下預(yù)埋板可以在鋼筋棍上平動，從而確定下預(yù)埋板的準(zhǔn)確位置。用短鋼筋分別與螺栓套筒和支墩箍筋焊接，將下預(yù)埋板固定。其位置通過軸線和中心線確定，水平標(biāo)高用標(biāo)高控制線控制。水平度用水準(zhǔn)儀和機械水平尺檢測。

（6）鋼管支撐拆除

?隔震支座放置完成后，逐步拆除臨時鋼管液壓支撐，支撐拆除也要采取每隔一組拆除一組的原則進行。

?拆除支撐同時做好隔震支座檢查工作，發(fā)現(xiàn)有變化要停止拆除，通知設(shè)計及專業(yè)廠家到場進行查看，以保證隔震的穩(wěn)定性。

結(jié)論

隔震施工完成后，學(xué)校能進行正常的教學(xué)活動。經(jīng)過一段時間的跟蹤觀察（見下圖、下表），各種指標(biāo)均屬于正常。

某中學(xué)實驗樓抗震加固工程沉降監(jiān)測中間成果表

綜上所述，本工程采用隔震加固技術(shù)是可行的。

隔震技術(shù)在多層磚混抗震加固中的應(yīng)用實例

項目名稱：某中學(xué)科技樓抗震加固工程。

工程概況：本項目為某中學(xué)科技樓，于1995年設(shè)計建造，地上五層（局部六層）磚混結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，建筑場地類別為Ⅱ類。根據(jù)工程抗震鑒定報告，該結(jié)構(gòu)需要進行抗震加固，為提高結(jié)構(gòu)抗震性能，該項目結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震加固技術(shù)。

結(jié)構(gòu)平面布置圖

根據(jù)該工程抗震鑒定報告，此科技樓如下方面不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

隔震的計算分析

1.場地條件

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008），此實驗樓屬于重點設(shè)防類（乙類）。本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g。

本工程設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，多遇地震下amax=0.16，罕遇地震下amax=0.90。

2.隔震方案技術(shù)可行性分析

（1）結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，高寬比小于4，變形特征接近剪切變形，符合《抗震規(guī)范》12.1.3條第1款要求。

（2）建筑場地為Ⅱ類，滿足《抗震規(guī)范》12.1.3條第2款要求。

（3）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，滿足《抗震規(guī)范》12.1.3條第3款要求。

3.隔震分析

根據(jù)《抗震規(guī)范》第5.1.2條的規(guī)定，本報告選擇了兩條天然波和一條按抗震規(guī)范反應(yīng)譜合成的人工波，取三條波作用下包絡(luò)值作為時程分析的代表值。

在結(jié)構(gòu)進行多遇和罕遇地震作用下的分析時，地震波的幅值按照Ⅷ度（0.2 g）抗震設(shè)防烈度調(diào)整到相應(yīng)的多遇地震和罕遇地震水平，并取三條波作用下包絡(luò)值作為時程分析的代表值。

多遇地震下加速度時程曲線的峰值為70 gal，罕遇地震下加速度時程曲線的峰值為400 gal。

根據(jù)規(guī)范要求，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均應(yīng)超過振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

4.分析結(jié)果

（1）采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后，層間剪力大大降低，最大層間減震系數(shù)小于0.40，可以將上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)降低1度，設(shè)計采用的樓層地震剪力同時要滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.2.5條的最小地震剪力系數(shù)的規(guī)定。

（2）受壓承載力驗算

本工程隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力均小于12MPa。

（3）罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算

隔震支座的最大水平位移，小于0.55倍橡膠支座直徑和3倍橡膠厚度。罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算通過。

（4）隔震支座水平屈服荷載驗算

隔震支座水平屈服荷載驗算目的是保證隔震層在風(fēng)荷載作用下隔震層不屈服，防止產(chǎn)生較大位移影響房屋的適用性。經(jīng)驗算隔震支座滿足要求。

（5）隔震支座在罕遇地震下的拉應(yīng)力驗算

在罕遇地震作用下，隔震支座未出

現(xiàn)拉應(yīng)力。

施工工藝

施工流程

（1）拆除±0.000混凝土地面，并開挖至-1.700 m標(biāo)高處（下托換梁范圍挖至基礎(chǔ)頂面）；

（2）開鑿上、下托換梁銷鍵洞口并澆筑混凝土，隨后綁扎上下托換梁及±0.000處樓板鋼筋并澆筑混凝土；

（3）拆除隔震支座支墩處的墻體，隨即澆注隔震支墩，從拆除隔震支墩處墻體至支墩混凝土達到設(shè)計強度的時間應(yīng)盡量縮短；

（4）支墩混凝土達到強度后，安裝調(diào)試橡膠隔震支座；

施工現(xiàn)場照片

（5）剔除上、下托梁間的墻體，留出隔震縫，隔震縫的縫高要求大于一皮磚；

（6）參考03SG610-1圖集對穿越±0.000樓板的地下管線及防雷引下線等進行改造；完成首層的裝修。

結(jié)論

隔震施工完成后，學(xué)校能進行正常的教學(xué)活動。經(jīng)過一段時間的跟蹤觀察，各種指標(biāo)均屬于正常。

通過以上兩個項目，我們不難看出隔震技術(shù)在既有建筑加固中是可行的方案之一。對一些要求不能破壞其上層建筑裝飾部分或者有大型設(shè)備不能移動，不能減少其使用面積的特殊建筑物的加固，隔震技術(shù)表現(xiàn)得更為突出。