建筑消能減震加固技術(shù)介紹

薛彥濤

引言

全國既有建筑總量613億平方米，其中：城市房屋占1/3；需要改造40億平方米，還有大量的工業(yè)建筑。由于歷史、使用、規(guī)范變更、區(qū)域抗震設(shè)防變化等原因，建筑需進(jìn)行抗震加固。采用消能減震技術(shù)加固是在現(xiàn)有建筑中安裝適當(dāng)數(shù)量的消能器，當(dāng)建筑遭遇地震作用時(shí)，消能器通過結(jié)構(gòu)變形消耗建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，將部分建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能消散掉，大大減少建筑結(jié)構(gòu)本身的位移或變形，使原本不能滿足承載能力和變形能力抗震目標(biāo)的房屋達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)房屋的抗震加固目的。從1990年八五科技攻關(guān)開始進(jìn)行消能減震研究工作，1998年完成北京火車站等3個(gè)重要工程的消能減震加固。至今，全國已有大量建筑，尤其是中小學(xué)校舍、醫(yī)院的抗震加固采用了消能減震技術(shù)。

為進(jìn)一步規(guī)范消能減震加固技術(shù)在現(xiàn)有建筑（除古建筑外，建成并投入使用2年以上的建筑）中的應(yīng)用，經(jīng)過長期的研究和實(shí)踐積累，2014年中國建筑科學(xué)研究院會(huì)同同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、北京市建筑設(shè)計(jì)研究院等單位開始編制《建筑消能減加固技術(shù)規(guī)程》，2019年 4月1日頒布實(shí)施，適用于抗震設(shè)防烈度為6度、7度、8度、9度地區(qū)的現(xiàn)有建筑采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、維護(hù)及消能減震產(chǎn)品檢測。本文將基于此規(guī)程從加固目標(biāo)、消能器、計(jì)算與設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收等方面對建筑消能減震加固技術(shù)進(jìn)行簡要的介紹，以期更多人了解這種技術(shù)并促進(jìn)這種技術(shù)的發(fā)展和其在工程中的實(shí)際應(yīng)用。

加固目標(biāo)

消能減震加固和傳統(tǒng)加固一樣需要在抗震鑒定的基礎(chǔ)上開展。設(shè)防目標(biāo)除了 “小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本要求外，根據(jù)近年來房屋抗震設(shè)計(jì)更加精細(xì)化的發(fā)展趨勢，特別提出采用性能化設(shè)計(jì)，以滿足特殊建筑更優(yōu)化的加固方案要求和更高的抗震設(shè)防目標(biāo)；性能化設(shè)計(jì)使房屋加固從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡，這種目標(biāo)可以是針對房屋承重結(jié)構(gòu)的，也可以是針對建筑內(nèi)重要設(shè)備或者非承重構(gòu)件的，從宏觀震害角度可以分為完好無損壞、輕微損壞、中等破壞（一般加固即恢復(fù)使用）和不嚴(yán)重破壞（經(jīng)過大修加固后可恢復(fù)使用）四個(gè)等級。針對不同的預(yù)期目標(biāo)設(shè)計(jì)不同的加固方案，在充分的論證后選擇最佳加固方案。在《建筑消能減加固技術(shù)規(guī)程》的基本規(guī)定中針對從高到低的四級預(yù)期性能目標(biāo)，給出了“三水準(zhǔn)”（多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震）作用下建筑的宏觀損壞程度、層間變形位移角和承載力要求的具體指標(biāo)，為按照性能化目標(biāo)進(jìn)行建筑加固提供了依據(jù)。

消能器

消能器是消能減震加固中的關(guān)鍵裝置，它和相關(guān)的支撐或者連接構(gòu)件組成消能部件，安裝到現(xiàn)有建筑中，實(shí)現(xiàn)抗震加固的目的。消能器通過內(nèi)部材料或構(gòu)件的摩擦、來回往復(fù)的變形（彈性、塑性或黏性）來耗散或吸收地震能量。其中金屬消能器是由各種不同金屬材料元件或構(gòu)件制成，利用金屬元件或構(gòu)件屈服時(shí)產(chǎn)生的彈塑性滯回變形來耗散地震能量，由于這種變形是不可恢復(fù)的，所以設(shè)計(jì)意圖是只有在發(fā)生罕遇地震的情況下才發(fā)揮作用。摩擦消能器是由鋼元件或構(gòu)件、摩擦片和預(yù)壓螺栓等組成，利用兩個(gè)或兩個(gè)以上元件或構(gòu)件間發(fā)生相對位移時(shí)產(chǎn)生的摩擦做功而耗散地震能量；黏滯消能器是由缸體、活塞、黏滯材料等部分組成，利用黏滯材料運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生黏滯阻尼來耗散能量；而黏彈消能器是由黏彈性材料和鋼板或圓形、方形或矩形鋼筒等組成，利用黏彈性材料的剪切變形來耗散能量的減震裝置。摩擦消能器、黏滯消能器和黏彈消能器在風(fēng)或者小地震作用下就應(yīng)該進(jìn)入工作狀態(tài)。另外屈曲約束支撐由核心單元、外約束單元等組成，是一種利用核心單元產(chǎn)生彈塑性滯回變形耗散能量的減震裝置，由于這種支撐可以和鋼筋混凝土框架共同工作，適用于超過規(guī)范要求高度的框架結(jié)構(gòu)加固（圖1）。

根據(jù)工作原理劃分，黏滯消能器和黏彈消能器屬速度相關(guān)型消能器，其耗能減震能力與地震中房屋振動(dòng)的速度有關(guān)；摩擦消能器和各類金屬消能器（包含屈曲約束支撐）屬位移相關(guān)型消能器，其耗能減震能力與地震中房屋振動(dòng)的位移有關(guān)。

圖1 某幼兒院采用屈曲約束支撐抗震加固

消能器應(yīng)具有良好的耐久性和環(huán)境適應(yīng)性，在工程使用前應(yīng)通過相關(guān)質(zhì)量檢測。目前，建筑用消能器尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，各生產(chǎn)廠家多以工程要求定制產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定性和質(zhì)量存在很大不確定性，因此，消能器應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。首先，生產(chǎn)廠商應(yīng)嚴(yán)格出廠檢驗(yàn)要求，對黏滯消能器、黏彈消能器和摩擦消能器應(yīng)進(jìn)行必要的力學(xué)性能檢驗(yàn)，出具產(chǎn)品合格證。其次，在工程安裝前應(yīng)進(jìn)行抽檢，檢驗(yàn)由具有資質(zhì)的第三方試驗(yàn)室完成。檢驗(yàn)數(shù)量根據(jù)消能檢測后能否使用有所不同，黏滯消能器、黏彈消能器和摩擦消能器檢驗(yàn)后仍可使用，抽檢數(shù)量20%，對重要工程，設(shè)計(jì)人員可增加消能器的抽檢數(shù)量。除本規(guī)程外，消能器型式檢驗(yàn)內(nèi)容和檢驗(yàn)要求應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能阻尼器》JG/T 209和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》JGJ 297中相關(guān)規(guī)定要求。

消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代末，還沒有超過現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的建筑加固后續(xù)使用年限，消能器的實(shí)際使用年限還未得到驗(yàn)證，只能通過推算的方法預(yù)測消能器的使用年限。金屬類消能器由于金屬材料的穩(wěn)定性比較明確，只要做好防腐蝕處理，滿足加固后續(xù)使用年限是沒有問題的。黏滯消能器中采用了高分子材料，存在一定耐久性問題，主要是密封件的老化，目前多數(shù)生產(chǎn)廠家保證的使用年限是30年。

計(jì)算與設(shè)計(jì)

采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多遇地震下的強(qiáng)度驗(yàn)算和彈性變形計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性變形計(jì)算。89版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范首次提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，設(shè)計(jì)中，小震不壞體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)算和控制彈性

變形，結(jié)構(gòu)承載力滿足地震作用效應(yīng)要求，結(jié)構(gòu)變形滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不開裂的要求。罕遇地震作用下，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施和彈塑性變形驗(yàn)算，將結(jié)構(gòu)變形控制在極限變形范圍內(nèi)，滿足大震不倒的要求。彈塑計(jì)算軟件日趨成熟，使得結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形驗(yàn)算成為可能，因此，本規(guī)范規(guī)定采用消能減震技術(shù)加固的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性計(jì)算。

彈塑性計(jì)算要求工作人員對計(jì)算軟件的功能有切實(shí)的了解，計(jì)算模型的選取應(yīng)符合本規(guī)程及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)對所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判別，確認(rèn)其合理有效后方可在設(shè)計(jì)中應(yīng)用。例如汶川地震中，大量樓梯出現(xiàn)拉斷破壞，說明樓梯在結(jié)構(gòu)中起了斜撐作用，計(jì)算時(shí)，應(yīng)針對具體結(jié)構(gòu)的不同，考慮其作用，區(qū)別對待?？蚣芙Y(jié)構(gòu)樓梯斜撐作用明顯，計(jì)算模型應(yīng)計(jì)入樓梯單元；抗震墻結(jié)構(gòu)或樓梯周圈有抗震墻時(shí)，可忽略樓梯的作用；其他情況需設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。

具體的抗震加固方案應(yīng)根據(jù)房屋抗震鑒定的結(jié)果，綜合分析現(xiàn)有建筑的現(xiàn)狀和加固目標(biāo)，區(qū)別對待，提出合理方案。如果鑒定結(jié)果是建筑剛度較小，地震下變形較大，宜采用既能提高結(jié)構(gòu)剛度又能耗能減震的金屬或摩擦消能器；如果房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則，地震時(shí)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和由于相鄰樓層剛度突變發(fā)生薄弱層破壞，則可以選用屈曲約束支撐進(jìn)行局部加固。由于作用在結(jié)構(gòu)上的地震作用，通過樓板傳遞到消能部件上，所以如果房屋樓板整體性不夠，比如采用預(yù)制樓板，則應(yīng)在樓面鋪40～50mm的混凝土現(xiàn)澆層或采取加強(qiáng)樓面整體性的措施。

以多層和高層鋼筋混凝土房屋為例進(jìn)行消能減震加固，具體可根據(jù)所列情況選用位移相關(guān)型消能器（含屈曲約束支撐，以下同）、速度相關(guān)型消能器等（圖2）。

1.房屋剛度不足、明顯不均勻或有明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用位移相關(guān)型消能器加固。

2.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不足或抗震構(gòu)造措施不滿足要求且房屋剛度足夠時(shí)，框架結(jié)構(gòu)可增設(shè)速度相關(guān)型消能器加固。其他類型的結(jié)構(gòu)可采用位移相關(guān)型消能器或速度相關(guān)型消能器。

圖2 某商場頂層影劇院改造消能減震加固采用軟鋼消能器和摩擦消能器加固

圖3 消能子結(jié)構(gòu)范圍

3.剛度和承載力均不滿足時(shí)，可采用位移型消能器加固。

4.單跨框架，宜設(shè)置屈曲約束支撐加固，并在必要時(shí)加強(qiáng)樓蓋和屋蓋的整體性。

消能部件通常沿結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向設(shè)置，宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)相對變形或速度較大的部位，其數(shù)量和分布應(yīng)通過綜合分析合理確定。另外消能子結(jié)構(gòu)是與消能部件相關(guān)聯(lián)，并保障消能器發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)單元，當(dāng)消能器僅用于對結(jié)構(gòu)薄弱層加強(qiáng)時(shí)，消能子結(jié)構(gòu)范圍可取對應(yīng)加強(qiáng)樓層及其下一層，且向下范圍可不超過嵌固層頂，其他情況消能子結(jié)構(gòu)范圍應(yīng)從消能器所在樓層向下一直延伸到嵌固層頂部，如圖3所示。

施工與驗(yàn)收

1.消能部件由消能器和支撐或連接消能器的構(gòu)件組成。按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50300對分部、分項(xiàng)工程的劃分原則，將消能部件工程劃分為結(jié)構(gòu)加固分部工程的一個(gè)子分部工程進(jìn)行施工質(zhì)量驗(yàn)收。

消能部件子分部工程可按不同施工階段劃分相應(yīng)的分項(xiàng)工程，其中消能部件原材料和成品的進(jìn)場驗(yàn)收，是指進(jìn)入消能部件各分項(xiàng)工程實(shí)施現(xiàn)場的主要原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、成品件或其他特殊定制成品（如消能器等）的進(jìn)場驗(yàn)收。

消能部件中附加鋼結(jié)構(gòu)的制作，可劃分為鋼零件及鋼組件的加工、鋼構(gòu)件組裝、組裝的焊接連接、緊固件連接、鋼構(gòu)件預(yù)拼裝、鋼構(gòu)件防腐涂料涂裝等六個(gè)分項(xiàng)工程。

消能部件安裝維護(hù)，可劃分為消能部件安裝、安裝和焊接連接、緊固件連接、消能部件防腐防火涂料涂裝等四個(gè)分項(xiàng)工程。

各階段的施工作業(yè)，應(yīng)根據(jù)具體工程設(shè)計(jì)情況確定其所含的分項(xiàng)工程。

檢驗(yàn)批是分項(xiàng)工程施工質(zhì)量管理和驗(yàn)收的基本單元，可根據(jù)與施工方式一致且便于質(zhì)量控制的原則劃分。消能部件分項(xiàng)工程的檢驗(yàn)批，可按主體結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)批的劃分方法確定，例如按樓層、施工流水段、變形縫等劃分。

2.消能器進(jìn)場驗(yàn)收時(shí)應(yīng)提供產(chǎn)品合格證或產(chǎn)品自檢合格報(bào)告；監(jiān)理（建設(shè)單位）對消能器的檢驗(yàn)內(nèi)容為：消能器的規(guī)格型號(hào)、性能參數(shù)、制作偏差、外觀、包裝，以及針對本項(xiàng)工程的具有檢測資質(zhì)的（至少包括CMA檢測資質(zhì)）第三方產(chǎn)品抽檢報(bào)告。

3.消能器進(jìn)場后應(yīng)由設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理（建設(shè)單位）共同確認(rèn)并委托具有相應(yīng)資質(zhì)及檢驗(yàn)?zāi)芰Φ牡谌綑C(jī)構(gòu)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)。

消能器制作是一項(xiàng)專門技術(shù)，其采用的材料除鋼材、焊接材料和緊固件外，還有油、橡膠及其他黏滯材料，以及摩擦材料、礦質(zhì)材料、涂料等。因此，產(chǎn)品在進(jìn)場時(shí)各類材料以及消能器成品應(yīng)具有質(zhì)量合格證，并注明成品的規(guī)格型號(hào)、性能參數(shù)、制作偏差等，應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能阻尼器》JG/T209及設(shè)計(jì)文件的規(guī)定。

消能部件維護(hù)

為保證消能部件在地震作用下能正常發(fā)揮預(yù)定功能，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全，并為以后工程應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)修訂積累經(jīng)驗(yàn)，業(yè)主或房產(chǎn)管理部門應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)使用過程中進(jìn)行維護(hù)管理。定期檢查是由物業(yè)部門對消能部件本身及其與建筑物連接的狀況進(jìn)行的正常檢查，其目的是力求盡早發(fā)現(xiàn)可能的異常以避免消能部件不能正常使用。消能器達(dá)到使用年限后應(yīng)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，抽樣率不小于3%，當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)，應(yīng)加大一倍數(shù)量進(jìn)行檢驗(yàn)，如檢驗(yàn)結(jié)果仍不合格時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全數(shù)檢驗(yàn)，并對不合格的消能器進(jìn)行更換。

當(dāng)遭遇多遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)變形較小，消能器位移也不大，通常不需要進(jìn)行特別關(guān)注，只需增加一次常規(guī)檢查即可。結(jié)構(gòu)遭遇設(shè)防地震和罕遇地震后，消能器會(huì)發(fā)生較大變形，檢查時(shí)應(yīng)對消能器、支撐和連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真檢查。罕遇地震后還應(yīng)對消能器進(jìn)行抽檢，檢驗(yàn)內(nèi)容由設(shè)計(jì)單位確定。

結(jié)束語

多年來我國在采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固方面開展了大量的試驗(yàn)研究，取得了系統(tǒng)的研究成果，并在實(shí)踐中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。采用消能減震加固方案可極大減少對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的直接加固，只需要對與消能減震部件相連接的構(gòu)件進(jìn)行加固，是這種技術(shù)最大的優(yōu)勢。鑒于消能減震加固能大幅提高建筑的抗震能力，使現(xiàn)有建筑采用消能減震加固后達(dá)到更高的抗震設(shè)防目標(biāo)，消能減震加固非常適用于有性能化設(shè)計(jì)需求的工程。

消能減震技術(shù)適用范圍較廣，可用于不同結(jié)構(gòu)類型和高度的建筑加固。消能器利用結(jié)構(gòu)變形消耗能量，因此需要結(jié)構(gòu)有一定的變形能力，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架抗震墻結(jié)構(gòu)、框架- 筒體結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等都具有較強(qiáng)的變形能力。此外，底框結(jié)構(gòu)（底部框架上部砌體結(jié)構(gòu)）中的底部框架、內(nèi)框架砌體結(jié)構(gòu)、單層及多層工業(yè)廠房也可采用消能減震技術(shù)加固；裝配式建筑可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用適合的消能減震技術(shù)。實(shí)踐證明這種加固技術(shù)力學(xué)機(jī)制明確，在未來的鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)建筑加固中比傳統(tǒng)的加固技術(shù)有更廣泛的應(yīng)用空間，也更為經(jīng)濟(jì)有效。尤其是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固，無論是加固效果、加固工期，還是加固成本，都是較優(yōu)的選擇。但這種加固方法對設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì)要求較高，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，各生產(chǎn)廠家多以工程要求定制產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定性和質(zhì)量存在很大不確定性。