設防烈度調整后既有建筑抗震加固對策與方法

薛彥濤

設防烈度調整后既有建筑抗震加固對策與方法

薛彥濤

薛彥濤，中國建筑科學研究院，研究員，博士。建筑抗震設計規(guī)范編制組成員、消能減震加固設計規(guī)程主編、隔震建筑設計規(guī)程編制組成員。現(xiàn)任中國中國建筑學會抗震防災分會理事、中國建筑學會高層建筑結構專業(yè)委員會委員、抗震加固改造技術專業(yè)委員會委員，中國建筑學會結構減震控制委員會委員。主持和參與科技部八五科技攻關項目“中高層建筑耗能減震的研究”、十一五項目“大型及重要建筑抗震計算理論與試驗技術研究”和二十五項目“建筑抗震前沿理論與技術研究”。獲國家科技進步二等獎、住建部華夏建設科學技術一等獎、二等獎。在既有建筑的鑒定與加固改造工作方面進行了大量的研究與工程應用工作，主持或參加了全國政協(xié)禮堂、北京火車站、北京飯店西樓、北京大學仿古建筑群、301醫(yī)院病房樓等建筑的抗震鑒定與加固工作。在減隔震技術方面成績突出，主持研發(fā)金屬消能減震器，獲多項發(fā)明專利，產(chǎn)品在北京軌道交通指揮大廈、海南椰風酒店、301醫(yī)院等工程中大量應用，負責成都凱德風尚小區(qū)高層住宅隔震設計、山西忻州市中小學校舍隔震加固設計咨詢工作。

概述

第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》即將頒布實施，全國部分區(qū)域抗震設防烈度將有所改變。第一，全國范圍建筑都應進行抗震設計，最低的抗震設防烈度為Ⅵ度，個別原不設防地區(qū)甚至調到Ⅶ度（0.10g）；第二，部分Ⅵ度區(qū)調整到Ⅶ度(0.10g)，少數(shù)區(qū)域調整到Ⅶ度半（0.15g），個別區(qū)域調至Ⅷ度（0.20g）；第三，部分Ⅶ度（0.10g）調到Ⅶ度半（0.15g），少數(shù)調到Ⅷ度（0.20g）；第四，部分Ⅶ度半（0.15g）調到Ⅷ度（0.20g），個別區(qū)域降低到Ⅶ度（0.10g）；第五，部分Ⅷ度（0.20g）調到Ⅷ度半（0.30g），個別區(qū)域降低到Ⅶ度半（0.15g）；第六，Ⅷ度半（0.30g）和Ⅸ度區(qū)維持不變。這次地震動參數(shù)區(qū)劃的變化特點是Ⅶ度以下的中低烈度區(qū)變化較大，Ⅷ度以上的中高烈度區(qū)變化較小。

帶來的問題

設防烈度提高后，原既有建筑面臨的問題是：其一，建筑物承受的地震作用將大幅增加，地震動提高0.05g的區(qū)域，地震作用將提高1.5倍；地震動提高0.10g的區(qū)域，地震作用將提高2倍；地震動提高0.15g的區(qū)域，地震作用將提高3倍。建筑物承載能力將嚴重不足，結構抗變形能力也會不足。其二，隨著烈度提高，建筑物延性不足，需提高建筑物的抗震等級，地震動提高0.10g及以上的區(qū)域幅度將從提高一級到提高二級不等。對地震動提高0.05g的區(qū)域，如果跨烈度，如Ⅶ度半（0.15）提高0.05到Ⅷ度（0.20），抗震等級也將提高一級，否則抗震等級不變。

建議對策

針對地震動參數(shù)區(qū)劃圖的變化，對建筑物分輕重緩急進行抗震鑒定，根據(jù)鑒定結果采用相應加固措施。具體建議如下。

第一，對原不設防區(qū)的建筑進行全面抗震鑒定，采取合理措施，使建筑具備抗震能力。

第二，對原設防烈度調高較多（地震動峰值加速度提高≥0.10g）的地區(qū)，應對建筑進行抗震鑒定，并采取加固措施，提高抗震能力。

第三，地震動峰值加速度提高0.05g的地區(qū)，可對重點建筑進行抗震鑒定，采取加固措施，提高抗震能力。對于其他建筑，在進行修繕、改造時，再進行抗震鑒定。

重點加固對象

第一，未采取抗震設防措施的已建成的建筑物、構筑物，應當按照國家有關規(guī)定進行抗震性能鑒定，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法》中明確規(guī)定，這一類建筑物包括：重大建設工程；可能發(fā)生嚴重次生災害的建設工程；具有重大歷史、科學、藝術價值或者重要紀念意義的建設工程；人員密集場所的建設工程；地震重點監(jiān)視防御區(qū)內的建設工程。

第二，抗震設防烈度提高的省會級城市的建筑物應該通過抗震鑒定予以確定，抗震能力嚴重不足的，應及時采取加固措施。

第三，各地區(qū)抗震加固的重點建筑包括中小學校舍、幼兒園、醫(yī)院建筑、城市生命線工程和易造成次生災害的工程等。

加固方案的選擇

加固方案需根據(jù)房屋的抗震鑒定結果確定，加固時應充分考慮建筑物的抗震安全性，同時兼顧其使用性和經(jīng)濟性要求。

抗震設防烈度提高后鋼筋混凝土結構和鋼結構的首要問題是整體結構變形可能不滿足規(guī)范要求（砌體結構沒有這種情況），加固措施以增加結構剛度為主。一種方法是在結構中增設混凝土墻和鋼支撐，這種方法可以很好地解決以上問題；另一種方法是采用消能減震方法，它可以同時增加結構剛度和結構阻尼，結構阻尼的增加可以有效降低地震作用力，對罕遇地震下結構的抗倒塌很有幫助；還有一種方法是增加構件截面面積，這種方法通常結合構件加固進行，但對剛度提高有限，加固量大。

其次是結構構件達不到規(guī)范要求，可能有3種情況：一是構件承載力不滿足要求，構造措施滿足要求；二是構件承載力滿足要求，構造措施不滿足要求；三是兩者都不滿足要求。

加固方案選擇須綜合考慮。

首先，少數(shù)構件不滿足承載力要求時，可采取構件直接加固的方法，同時解決承載力與構造措施兩個問題。

其次，大量構件不滿足承載力要求時，應采用有效降低構件地震作用力的方法加固，可采取結構體系轉換法、消能減震加固法。對于混凝土框架結構，可增加抗震墻，轉變成框架抗震墻結構；對于鋼框架結構，可增加支撐，轉變框架支撐結構。增加的抗震墻和支撐可有效降低原構件承擔的地震作用力，使構件原承載力就可滿足要求，而無須加固或加固量很少。消能減震加固法不改變原結構體系，可以為結構提供附加剛度和附加阻尼，一方面降低了結構的地震作用力，另一方面消能部件還可分散地震作用力，使原結構構件承擔的地震作用力減小。砌體結構采用降低地震作用力方法加固時，采用隔震加固效果顯著。

第三，大量構件構造措施不滿足要求時，可考慮采用基于性能的加固設計方法。此種方法通常采用消能減震技術提升結構性能，使結構滿足大震時的性能要求，如大震輕微破壞，實現(xiàn)降低構造措施的目標。砌體結構則應采用隔震加固方法，可將地震作用力降低一半以上，從而實現(xiàn)降低構造措施的目的。

最后，承載力與構造措施均不滿足時，消能減震加固或隔震加固應該是最好的選擇，轉換結構體系加固在構造措施變化相差不大時也是一個選擇。砌體結構則只可采用隔震加固方案。

加固技術簡述

混凝土結構加固

針對鋼筋混凝土結構的抗震加固，主要有以下幾種加固方法。

1.增大截面法

又稱為外包混凝土加固法，即通過在原混凝土構件外疊澆新的鋼筋混凝土，增大結構構件截面面積及配筋，達到提高結構的承載力和剛度的目的。增大截面法適用于混凝土柱、板、梁等結構構件。增大截面加固法可提高構件剛度，解決構件的抗彎、抗剪承載力不足的問題，也可同時解決抗震構造不足的問題。

2.外包鋼加固法

是在加固構件四周包以角鋼，從而提高構件承載力的一種加固方法。分干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式：干式外包鋼法，是指角鋼直接包于被加固構件的四周，或雖然填塞有水泥砂漿，但不能保證結合面能有效地傳遞剪力；濕式外包鋼法，是指在角鋼和被加固構件之間留有一定的間隙，間隙用乳膠水泥砂漿或注入結構膠填實，該方法可以在幾乎不改變構件截面尺寸的情況下顯著提高構件的承載力，增大構件的延性和剛度。外包鋼加固法適用于混凝土柱、梁等。外包鋼加固對構件剛度提高不明顯，可解決構件的承載力和構造要求。

3.改變受力體系加固法

通過增加結構抗側力構件，如混凝土抗震墻、鋼支撐等，改變在地震作用下結構的受力方式，將地震作用力的絕大部分，轉由新增抗震墻和鋼支撐承擔，原結構構件承擔較小部分的地震作用力，使構件原有的承載力滿足抗震要求，由此達到對原結構的加固目的。改變受力體系加固法對提高結構承載力有很大幫助?；炷量蚣芎蠹涌拐饓蟪蔀榭蚣芸拐饓Y構，框架的構造措施可有所降低。該方法的缺點是抗震墻的施工較困難。

4.粘鋼加固法

用黏結劑（結構膠）把薄鋼板粘貼在混凝土構件的表面，使鋼板與混凝土協(xié)同工作的一種加固方法，主要用于混凝土構件的抗彎承載力和抗剪承載力加固，也可解決構造問題。

5.粘碳纖維加固法

與粘貼鋼板加固法類似，粘碳纖維加固法是指用黏結劑把碳纖維片材粘貼在混凝土構件的表面，發(fā)揮碳纖維高強抗拉作用，替代鋼材。該方法主要用于混凝土構件的抗彎承載力和抗剪承載力加固。研究表明，混凝土柱采用粘碳纖維整體纏繞加固時，可以極大提高其延性。磚混結構加固

砌體結構在我國量大面廣，是20世紀70年代以前未按抗震設防要求設計的構件的主要結構形式，其加固方法主要有以下幾種。

1.圈梁構造柱加固

在結構外增設混凝土圈梁和構造柱，它能有效地提高磚墻的承載力和延性性能，是20世紀90年代以前的主要加固方法之一。該方法可解決砌體結構構造問題，但對結構承載力提高有限。

2.鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法

在磚墻的兩面敷設鋼筋網(wǎng)片后抹上高強砂漿面層，形成組合墻體，即俗稱的“夾板墻”，可大大提高磚墻的承載力，但不能解決構造問題。

3.混凝土板墻加固

20世紀90年代磚砌體結構逐漸采用混凝土板墻加固技術。該方法是在磚墻面上敷設一層60 ～80 mm厚的配筋混凝土薄墻板，與磚墻共同工作，一方面可以大大提高磚墻的抗震承載力，另一方面還可以起到圈梁和構造柱的作用。

高強不銹鋼絞線網(wǎng)+高強聚合物砂漿加固技術

高強不銹鋼絞線網(wǎng)+高強聚合物砂漿加固方法是近年來開發(fā)的新型加固技術。該方法是將預先編織好的高強不銹鋼絞線網(wǎng)張緊，用膨脹螺栓固定在被加固的混凝土構件表面，然后抹20 ～40 mm厚高強聚合物砂漿。其原理是通過高強聚合物砂漿與被加固構件混凝土面的黏合力，將被加固構件所受到的外載荷作用力，傳給高強不銹鋼絞線承擔。

清華大學首先進行了該項技術的鋼筋混凝土構件抗彎加固和抗剪加固的試驗研究，取得很好的加固效果，不僅抗彎承載力和抗剪承載力可以得到明顯提高，而且抗彎剛度也能夠得到顯著提高。中國建筑科學研究院工程抗震研究所進行了該技術的混凝土柱、磚墻和混凝土框架節(jié)點的加固研究，同樣取得滿意效果。同時耐火試驗表明，該加固方法具有很強的耐火性，完全達到防火要求。

高強不銹鋼絞線具有強度高（通常是普通鋼筋的3～7倍）、不生銹等優(yōu)點。聚合物砂漿為無機材料，與混凝土材料具有良好的黏結性能，并且具有耐久和耐火的特點。目前，該技術已成功應用于北京中國美術館、北京師范大學（原輔仁大學）北校教學樓、廈門鄭成功紀念館等建筑的抗震加固中。

該方法適用于混凝土構件加固和砌體結構的加固，可有效提高構件的承載力。

基礎隔震技術

基礎隔震技術是在上部結構和基礎之間設置隔震裝置，阻隔地震能量向上部結構傳遞，從而減少結構地震反應力的一種抗震技術。常用的隔震支座有橡膠隔支座、鉛芯橡膠支座、彈性滑板支座等。隔震加固可以極大降低上部建筑受到的地震作用力，當?shù)卣鹱饔昧p到原結構的40%時，結構的抗震措施可按降低一度取，這對烈度提高一度地區(qū)的建筑的抗震加固是經(jīng)濟有效的選擇。該方法缺點是施工難度稍大，后期需要維護。

目前，隔震技術廣泛用于國內外建筑抗震加固中。國外，美國鹽湖城大廈、洛杉磯政府大樓等幾十棟建筑采用了此法進行加固。日本對一些辦公樓、歷史文物建筑等公共建筑也采用了隔震技術進行加固。國內，在中小學加固中首次采用了該項技術，山西省忻州市10萬平方米中小學建筑采用了隔震加固技術，其中包括混凝土框架建筑和砌體建筑。隔震加固后，上部結構不需要再加固，隔震技術取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

消能減震技術

傳統(tǒng)的抗震設計方法是靠結構的延性來耗散地震能量。但問題在于結構受到一次強烈地震時，結構構件在利用自身的延性耗散地震能量的同時，也會受到嚴重的損傷。為了解決這個矛盾，在結構上附加各種阻尼器，通過阻尼器大量耗散地震輸入到上部結構的能量，從而達到保護主體結構免遭破壞的目的。常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏滯液體阻尼器等。

消能減震技術近年被大量應用在已有建筑物的抗震加固上，與傳統(tǒng)的加固技術相比主要優(yōu)勢有：一是施工現(xiàn)場無濕作業(yè)，基本不影響原建筑的正常使用功能；二是能在保持原建筑外貌不變的前提下，實現(xiàn)提高抗震能力和改善使用功能的協(xié)調；三是消能效果明顯，結構經(jīng)過合理的設計，可以滿足各種設防烈度下的抗震要求；四是可以有效地節(jié)約經(jīng)費和縮短工期?；谝陨蟽?yōu)勢，消能減震技術在建筑物的抗震加固中的應用前景十分廣闊。

北京飯店抗震加固

我國1998年啟動的首都圈防震減災示范區(qū)中，北京的一些標志性建筑如北京火車站、北京飯店、北京展覽館、中國歷史博物館、中國革命歷史博物館、京西賓館等國家重點工程等采用黏滯阻尼器加固。采用這種阻尼器，只提供附加阻尼，不改變結構周期，因此加固后可以有效降低結構受到的地震作用力，使原結構的承載力滿足抗震要求，同時解決了構造不足的問題。

屈曲約束支撐是一種性能優(yōu)良的金屬阻尼器，目前在國內大量采用，抗震加固中尤其多。金屬阻尼器可以提供附加阻尼和附加剛度，當結構變形較小時只提供附加剛度。加固后，多遇地震下，支撐的作用就是普通鋼支撐的作用，可以提高結構剛度，分擔大量地震作用力，使原結構構件承擔的地震作用力減小，達到加固目的。在罕遇地震下，支撐可以提供附加阻尼，減小結構變形，實現(xiàn)結構的性能目標，為性能化加固設計創(chuàng)造條件。北京301醫(yī)院某醫(yī)學中心、中國軍事博物館、北京后沙峪小學等，均采用了屈曲約束支撐加固，同時解決了構造不足的問題。

基于性能化的加固設計方法

抗震構造不滿足要求時宜采用基于性能化的加固設計方法。該方法的基本思路是通過提高結構的承載能力，使結構滿足罕遇地震下的性能目標，從而降低結構對延性的需求，使抗震構造措施降低成為可能。

《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）對結構性能水準規(guī)定了4個等級，在不同設防水準的地震作用下的目標要求見表1。

表1　結構性能目標

針對性能目標，《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）還給出量化指標，規(guī)定了結構豎向構件對應于不同破壞狀態(tài)的最大層間位移角（見表2）。實際操作時，可按照表2中罕遇地震下的層間位移角，確定結構的性能。例如，鋼筋混凝土框架結構在罕遇地震下彈塑性層間位移角滿足1/250時，為性能2。

表2　結構豎向構件對應于不同破壞狀態(tài)的最大層間位移角

確定結構性能水準后，可按表3確定抗震等級。結構中同一部位的不同構件，可區(qū)分豎向構件和水平構件，按各自最低的性能要求所對應的抗震構造等選用。

表3　結構構件對應于不同性能要求的構造抗震等級

設計中通常利用性能2和性能3來降低構造措施。以鋼筋混凝土框架結構為例，采用消能減震方法加固，提高結構承載力，進行罕遇地震下彈塑性分析，樓層層間位移角小于1/250時為性能2，結構的構造措施可以降一度采用。如果罕遇地震下的層間位移角小于1/120時為性能3，則還要提高地震作用一倍，進行強度驗算，此時可不考慮地震作用效應調整，滿足要求，則構造措施降一度采用。

結語

第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》實施后，全國部分區(qū)域抗震設防烈度將有所提高，大量建筑物的抗震性能將不能滿足抗震設防烈度提高后的抗震要求。針對這種情況，應先進行抗震鑒定，根據(jù)鑒定結果采取相應的加固措施，可采用構件直接加固法、轉變結構體系加固法、減隔震技術加固法等，加固時應充分考慮建筑物的抗震安全性，同時兼顧其使用性和經(jīng)濟性要求。