隔震技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)中小學(xué)校舍加固中的應(yīng)用

徐 蓉 何 斌 王國(guó)祥

(1.上海中船九院工程咨詢有限公司，上海 200063； 2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008)

?

隔震技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)中小學(xué)校舍加固中的應(yīng)用

徐 蓉1何 斌2王國(guó)祥2

(1.上海中船九院工程咨詢有限公司，上海 200063； 2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008)

結(jié)合“5·12”汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)中小學(xué)校舍的震害，分析了增強(qiáng)此類結(jié)構(gòu)抗震性能的必要性，闡述了基于數(shù)值計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析情況，指出采用增設(shè)隔震層的方式加固砌體結(jié)構(gòu)具有施工周期短、造價(jià)低的特點(diǎn)，可以在此類加固中進(jìn)行推廣。

砌體結(jié)構(gòu)，震害，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，隔震技術(shù)

1 概述

2008年5·12汶川地震給震區(qū)的中小學(xué)帶來(lái)巨大的人員傷亡和建筑結(jié)構(gòu)破壞。在汶川地震余震過(guò)程中，大量科技人員對(duì)震區(qū)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研，得出了寶貴經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[1]將結(jié)構(gòu)破壞程度分為可以使用、加固后使用、停止使用和立刻拆除等四種級(jí)別，指出各類砌體結(jié)構(gòu)，尤其是1978年以前的建筑結(jié)構(gòu)破壞情況最為嚴(yán)重。該文獻(xiàn)指出學(xué)校建筑以砌體結(jié)構(gòu)為主，且抗震性能差，震害嚴(yán)重。

文獻(xiàn)[2]將磚混結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)歸納為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、局部倒塌和倒塌等6種情況；該文獻(xiàn)指出基于唐山大地震后的抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工、質(zhì)量良好的砌體結(jié)構(gòu)在此次大地震中表現(xiàn)較好；遵循規(guī)范加固過(guò)，且施工質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)也經(jīng)受住了地震的考驗(yàn)。

文獻(xiàn)[3]指出砌體結(jié)構(gòu)在極震區(qū)破壞嚴(yán)重，倒塌較多，特別是大空間結(jié)構(gòu)。尤其值得重視的是經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)和合理設(shè)置圈梁構(gòu)造柱措施的砌體結(jié)構(gòu)破壞輕微或基本完好。

大量的調(diào)查研究結(jié)果基本上肯定了GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)無(wú)論在概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施上對(duì)砌體結(jié)構(gòu)做出的規(guī)定基本是可行的，這與唐山大地震時(shí)大量砌體結(jié)構(gòu)倒塌形成了鮮明的對(duì)比。但是作為校舍，尤其是教學(xué)樓這種空曠建筑，其抗震性能無(wú)法滿足新的安全性規(guī)定。對(duì)此類建筑進(jìn)行適度加固改造是必要的，本文則著重就采用隔震技術(shù)在其加固中的應(yīng)用進(jìn)行歸納和總結(jié)。

2 分析方法

隔震技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣已經(jīng)超過(guò)20年，大量科研和實(shí)踐成果已經(jīng)被最新的《抗規(guī)》所采納，本文著重就國(guó)內(nèi)采用數(shù)值計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的成果進(jìn)行闡述。

2.1 基于數(shù)值計(jì)算的隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析

《抗規(guī)》中對(duì)于抗震分析方法包括底部剪力法、振型分解法和時(shí)程分析法。這些方法可以通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算和諸如SAP2000等大型有限元軟件，或者自編軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]指出采用JGJ/T 13—94設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程所得的剪切型多質(zhì)點(diǎn)計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，具有足夠精度。

文獻(xiàn)[5]采用《抗規(guī)》提供的隔震設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化計(jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向(弱軸方向)進(jìn)行計(jì)算，得出隔震后樓層的層間剪力與原結(jié)構(gòu)層間剪力比為0.336，滿足《抗規(guī)》關(guān)于設(shè)防烈度降低1度(減震系數(shù)為0.5)時(shí)所對(duì)應(yīng)的層間剪力比最大值0.35的限值要求的結(jié)論。

文獻(xiàn)[6]采用自編軟件，利用底部剪力法程序計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的基底剪力，同時(shí)確定上部底層結(jié)構(gòu)的剛度和橡膠支座的有效剛度確定選用支座的類型和個(gè)數(shù)。采用在時(shí)程分析法中添加隔震程序的方式獲取最大層間剪力和位移等參數(shù)。該文獻(xiàn)中還提出采用彈性階段、從彈性階段進(jìn)入屈服階段、從屈服階段進(jìn)入剛度退化階段和層間位移超過(guò)層間極限位移這四個(gè)階段作為破壞狀態(tài)的確定原則。

文獻(xiàn)[7]采用結(jié)構(gòu)有限元軟件SAP2000模擬砌體結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比可知，采用隔震裝置后，結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng)，扭轉(zhuǎn)成分降低；時(shí)程分析結(jié)果表明，采用隔震裝置可以大幅度降低結(jié)構(gòu)的加速度峰值。

文獻(xiàn)[8]提出在選用多組時(shí)程曲線時(shí)，應(yīng)按照規(guī)范所提供的地震影響系數(shù)曲線得到罕遇地震水準(zhǔn)下目標(biāo)概率一致反應(yīng)譜(UHRS)，按照目標(biāo)反應(yīng)譜對(duì)所選取的地震波進(jìn)行修正。同時(shí)基于SAP2000有限元軟件采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行水平地震動(dòng)動(dòng)力分析。提出隔震層以上砌體結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜值在高頻部分有較大幅度降低，而低頻部分有所放大的結(jié)論。

采用隔震層的砌體結(jié)構(gòu)，其前幾階振型較為明確，采用剪切型多質(zhì)點(diǎn)模型不失為良好的模擬方式。在采用大型有限元軟件模擬時(shí)，需要在支座單元和墻元的選擇、上部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化等方面進(jìn)行深入研究。

2.2 基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析

通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)研究，可以直觀獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。由于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸和能量輸入本身的限制，通常使用縮尺模型。文獻(xiàn)[9]針對(duì)典型四層外廊式砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的基本單元作為試驗(yàn)對(duì)象，著重描述了縮尺試驗(yàn)所需要注意的各項(xiàng)要點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)采用橡膠支座與疊層橡膠滑板支座的砌體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行1/4比例的等代結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，采用白噪聲作用測(cè)不同階段的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，且采用5種地震波的三種不同工況作為地震激勵(lì)，確定非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)。該文獻(xiàn)指出隔震結(jié)構(gòu)模型的水平隔震效果顯著，有效保護(hù)上部結(jié)構(gòu)安全。

我國(guó)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)量較少，在今后應(yīng)該適當(dāng)增加此類試驗(yàn)研究。

3 工程實(shí)踐

隔震設(shè)計(jì)中對(duì)于隔震層上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均作剛性層假定，這需要在施工實(shí)踐中得以保證，而對(duì)于既有建筑的改造由于工程實(shí)踐較少，其施工工法尚未成套。施工的主要難點(diǎn)在于如何設(shè)置隔震層，將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)脫離開(kāi)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)南京市谷里中學(xué)綜合樓的改造項(xiàng)目進(jìn)行描述，介紹了對(duì)于既有建筑增加隔震層的施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)，尤其是提出對(duì)隔震層下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進(jìn)行加固，對(duì)上部結(jié)構(gòu)采用托換技術(shù)形成剛性托盤；該文獻(xiàn)指出采用隔震技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，可以顯著減少隔震層以上部分的加固量。

文獻(xiàn)[4]描述的是甘肅省某中學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓改造項(xiàng)目，通過(guò)設(shè)置普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座的方式，提出在1層設(shè)置剛性底板和夾梁形成剛性層，同時(shí)通過(guò)在支座下方也設(shè)置夾梁，給支座提供足夠剛度的支撐；文獻(xiàn)同時(shí)也描述了諸如擋土墻等附屬設(shè)施的建造。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在建國(guó)后至今建造了大量砌體結(jié)構(gòu)校舍，這些校舍的抗震能力較低，在大震中容易發(fā)生不同層次的破壞；國(guó)家在汶川地震后對(duì)校舍的抗震設(shè)防提出新的要求，通過(guò)對(duì)墻、板等構(gòu)件進(jìn)行加固的方式進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的加固。實(shí)踐表明，采用傳統(tǒng)加固方式造價(jià)較高、施工周期較長(zhǎng)。

隔震技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣實(shí)踐已經(jīng)超過(guò)20年，其理論較為完善、產(chǎn)品較為可靠、施工工藝也逐漸成熟。

本文描述了隔震技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)中小學(xué)校舍中加固的應(yīng)用，通過(guò)分析方法和工程實(shí)踐等層面對(duì)汶川地震后的理論和工程實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)，可為今后的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考。

[1] 清華大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組,西南交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組，北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組,等.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008(4):1-9.

[2] 姚秋來(lái),薛彥濤,曾德民,等.5·12汶川特大地震都江堰災(zāi)區(qū)震害調(diào)查——磚混結(jié)構(gòu)部分[J].工程抗震與加固改造,2008(4):12-23.

[3] 李英民,韓 軍,劉立平,等.“5·12”汶川地震砌體結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查與分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(5):606-611.

[4] 王洪濤,施衛(wèi)星,汪 洋,等.磚混結(jié)構(gòu)組合基礎(chǔ)隔震加固設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造,2016(1):105-112.

[5] 郭 健,劉偉慶,王曙光,等.隔震技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用研究[J].工程抗震與加固改造,2008(1):43-47，54.

[6] 張永山,王鐵英,王煥定.砌體結(jié)構(gòu)工程抗震軟件的結(jié)構(gòu)隔震功能及算例分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(2):152-156.

[7] 趙 曦,申向東,高 娃,等.既有多層砌體結(jié)構(gòu)隔震加固數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)科技論文,2017(1):101-106.

[8] 吳 迪,霍維剛,周福霖.采用GFRP橡膠隔震技術(shù)的某砌體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(6):45-49.

[9] 蔣 璐,李 旭,馬人樂(lè).某四層砌體結(jié)構(gòu)預(yù)制板教學(xué)樓振動(dòng)臺(tái)縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(2):15-19,27.

[10] 李亞明,胡錫勇,酈敏浩.組合隔振(震)砌體結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)水平隔震試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2013(13):7-12.

[11] 陳文海,徐 賈,郭 彤.既有磚混結(jié)構(gòu)校舍隔震加固技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2014(3):215-218.

On application of seismic isolation technique of consolidation of schools and dormitories in middle and primary schools with masonry structure

Xu Rong1He Bin2Wang Guoxiang2

(1.China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd, Shanghai 200063, China; 2.College of Civil Engineering, Kashgar University, Kashgar 844008, China)

Combining with the seismic disasters for the schools and dormitories with masonry structure in Wenchuan Earthquake on May 12th,2008, the paper analyzes the necessity to enhance the seismic performance of the structure, illustrates the dynamic response analysis of isolated structures based on numerial calculation and ribration platform test, and points out the addition of isolation layer can enhance the masonry structure with short construction period and low cost, so it can be promoted in the consolidation of the type of buildings.

masonry structure, earthquake disaster, test of vibration platform, seismic isolation technique

1009-6825(2017)16-0043-03

2017-03-28

徐 蓉(1967- )，女，高級(jí)工程師

TU352.1

A