建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法的應(yīng)用

文／高興增、劉思印 山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司 山東聊城 252000

引言：

我國地處世界上兩個最活躍的地震帶，東臨環(huán)太平洋地震帶，西及西南為阿爾卑斯-喜馬拉雅地震帶，是世界上地震多發(fā)的國家之一。據(jù)地震史記載，中國所有省份都發(fā)生過5 級以上地震。除了浙江和貴州兩省以外，其他省份均發(fā)生了6-6 級地震。如果建筑結(jié)構(gòu)不考慮抗震設(shè)計或不重視抗震設(shè)計，將給人民群眾的生命健康和財產(chǎn)損失帶來災(zāi)難性的后果。與此同時，由于人類的生產(chǎn)和地殼的移動，導(dǎo)致了我國中小規(guī)模的地震增多，造成的破壞也越來越大。為了確保建筑物的結(jié)構(gòu)安全，防止其在地震中快速倒塌，就需要進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計，以確保其自身的抗震能力。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析時，應(yīng)從多個角度出發(fā)，從整體抗震性能、單元之間的銜接等角度，從復(fù)雜的角度出發(fā)，按照相關(guān)的規(guī)范和規(guī)范，從復(fù)雜走向簡化，實(shí)現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)；從而使建筑體系在地震作用下達(dá)到更好的防震作用，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全。

1、地震災(zāi)害的主要特點(diǎn)

地震是一種較為常見且破壞力強(qiáng)的自然災(zāi)害，其往往會造成一定的人員傷亡與財產(chǎn)損失，部分情況下還會引起其他災(zāi)害性事故。其主要具有以下特點(diǎn)：（1）突發(fā)強(qiáng)烈的地震常常無法準(zhǔn)確預(yù)報，僅憑現(xiàn)有的技術(shù)方法，僅在發(fā)生地震發(fā)生之前的數(shù)十秒內(nèi)進(jìn)行檢測，很難對其進(jìn)行有效的防范。從古代起，人類就一直害怕地震，為了預(yù)測地震，減少損失，先輩們曾經(jīng)做過很多次的地震預(yù)測，但是因?yàn)榈卣鸬臅r間太短，所以很難準(zhǔn)確預(yù)測地震的結(jié)果。由于缺乏有效的控制手段，所以只有加強(qiáng)房屋的結(jié)構(gòu)形式，才能降低經(jīng)濟(jì)的損害，并為人民提供良好的居住環(huán)境。（2）具有強(qiáng)烈的破壞性，是地震的一個重要特征，一般以地表破壞和建筑物破壞為特征。就目前情況來看，建筑物抗震等級，是根據(jù)破壞程度劃分的，主要有基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞以及倒塌五個等級，抗震設(shè)防要求為小震不壞、大震不倒、中震可修，要求建筑施工必須達(dá)到。（3）社會影響深遠(yuǎn)。大型的地震造成了巨大的生命危險，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施很難在短期內(nèi)得到修復(fù)。例如2008 汶川大地震后，經(jīng)過數(shù)年的努力，當(dāng)?shù)氐闹亟üぷ鹘K于得以完工。

2、基于抗震性能的加固設(shè)計方法

2.1 抗震性能設(shè)計概述

建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力是指建筑物在地震中的承載能力、變形能力和耗能能力、剛性與破壞形式的改變與發(fā)展。具有大延性的建筑具有較強(qiáng)的抗震性能，由于其較高的塑性使得其具有較大的變形能力，塑性區(qū)的發(fā)育可以有效消散地震能，進(jìn)而削弱其地震響應(yīng)。其結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)遵循“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”的原則。因此，在地震作用下，如何改善建筑物的抗震性能，可以通過改善其結(jié)構(gòu)的受震和受力。為了達(dá)到抗震設(shè)計的目的，對新建建筑物進(jìn)行多次地震的驗(yàn)算，以確保其在多次地震作用下的受震能力，并采取了相應(yīng)的抗震措施來確保其延性。

2.2 抗震加固設(shè)計方法

（1）地震動水準(zhǔn)的確定。對于后續(xù)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)，選擇現(xiàn)行抗震規(guī)范的多震、加防、罕遇地震。對于目標(biāo)使用年限小于50 年的結(jié)構(gòu)，地震作用可以相應(yīng)減小；（2）選擇合適的加固方案。為了降低原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋必須降低其地震作用，可采用增加新的側(cè)向力構(gòu)件如剪力墻或支座來分擔(dān)地震作用，通過設(shè)置阻尼來降低整個建筑結(jié)構(gòu)的地震作用。另外，我們還可以利用房屋裝修的機(jī)會，通過將原有的磚瓦隔斷墻改為輕鋼龍骨石膏板等類似的輕質(zhì)隔斷墻，減少建筑屋面面層的厚度，采用輕質(zhì)裝飾材料減輕結(jié)構(gòu)重量，還可以達(dá)到減震效果的目的；（3）選擇性能設(shè)計指標(biāo)。分別對加固結(jié)構(gòu)的彈性和罕遇地震的動力彈塑性進(jìn)行了分析。要求整體地震變形試驗(yàn)和抗震承載力試驗(yàn)（不含抗震措施）滿足現(xiàn)行規(guī)范要求;罕遇地震作用下的彈塑性變形應(yīng)滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求，具體如表1 所示。

表1 預(yù)期性能目標(biāo)

3、抗震加固方法在建筑結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)用

在經(jīng)歷了多次的震害之后，人們越來越認(rèn)識到抗震設(shè)計的重要意義，并建議“概念設(shè)計”，而“概念設(shè)計”則可以從某種意義上影響到建筑物的抗震性能。它的目標(biāo)在于使建筑的構(gòu)造形態(tài)得到更好的選擇，使其更符合“大震不倒”的需要。鑒于建筑物的構(gòu)造形態(tài)多種多樣，下面就以砌體結(jié)構(gòu)為例說明抗震加固方法在地震中的應(yīng)用。為了改善建筑的抗震性能，對現(xiàn)有的老式砌體結(jié)構(gòu)房進(jìn)行加固，是改善住宅整體抗震性能的關(guān)鍵。目前，關(guān)于砌塊結(jié)構(gòu)房屋的地震防震技術(shù)已有較多的探討，其方法有：直接法與間接法。直接法是加大構(gòu)件的橫斷面以達(dá)到增強(qiáng)作用，而間接方法則是將共同作用的構(gòu)件加入到墻體中。目前我國常用的加固方法主要有以下幾種：

3.1 砂漿面層或板墻加固法

在對原有的砌體塊進(jìn)行表面加工后，再噴涂水泥漿料或現(xiàn)澆板（見圖1a），使其截面積增大，并增加配筋，從而可以有效地改善其承載能力和剛性。該方法施工簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，是目前廣泛采用的砌塊結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方法，具有較為完善的施工技術(shù)和施工技術(shù)。但是施工周期較大，占用了建筑的空間，增大了建筑的重量。

3.2 外加圈梁、構(gòu)造柱加固法

不需要改變原有的結(jié)構(gòu)，只在外側(cè)增加環(huán)梁，在連接部位加一根構(gòu)造柱子，構(gòu)成了橫梁-柱構(gòu)架式外貼體系（圖1b）。具有施工簡單，工期短等特點(diǎn)。

3.3 外包鋼加固法

一般采用高密度的水泥砂漿將角鋼固定在受加強(qiáng)部件的表層，并采用焊接方法進(jìn)行焊接。用橫式的綴片或夾子進(jìn)行聯(lián)結(jié)，從而構(gòu)成一個受力體（如圖1C）。該方法的優(yōu)勢在于基本不增大構(gòu)件的橫斷面，可以顯著地提高承載力，而且可以迅速地進(jìn)行工程建設(shè)，但是使用的鋼筋數(shù)量很多，成本也很高，且鋼材耐蝕性也很低。

圖1 砌體結(jié)構(gòu)加固方法

3.4 砌體托換加固法

該方法僅需要將原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部破壞，再以新的磚塊取代即可（見1d）。這種方法不會對改建過程中其它構(gòu)件的正常運(yùn)用造成一定的干擾，但是會對承重路徑和原來的房屋的受力狀況產(chǎn)生一定的變化，而且這種方法比較繁瑣，對工程的要求也比較高。

3.5 修補(bǔ)、灌漿加固法

對于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的墻，可以通過機(jī)械力的擠壓，將膠粘劑或環(huán)氧樹脂等注入到要修補(bǔ)的裂縫中，并在其固化后達(dá)到修補(bǔ)裂縫、提高承載力的目的。當(dāng)出現(xiàn)灰泥質(zhì)量較差時，可將原有的砂漿塊逐級開挖，并進(jìn)行全壁注漿。

3.6 FRP 加固技術(shù)

纖維強(qiáng)化復(fù)合材料（FRP）是將纖維與基質(zhì)材料按照一定的比例進(jìn)行攪拌而制成的復(fù)合材料。FRP 的補(bǔ)強(qiáng)法主要有兩類：外貼法和嵌入式。嵌入式是在原有零件的表面上開一個凹槽，清洗凹槽，再將環(huán)氧等膠質(zhì)物質(zhì)灌注到凹槽中，再將FRP 筋和FRP 板插入凹槽中，經(jīng)過膠態(tài)強(qiáng)化處理，可以提高結(jié)構(gòu)的受力特性。

上述幾種墻體結(jié)構(gòu)的地震加固技術(shù)已得到了較多的實(shí)踐證明，能夠達(dá)到基礎(chǔ)的加固要求。其不足是要求大型機(jī)械作業(yè)，施工周期長，部分項(xiàng)目成本高，會對住宅的使用面積、用途等產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)。FRP 技術(shù)是一種新興的結(jié)構(gòu)形式，它比常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式更具重量、強(qiáng)度、耐腐蝕性和可設(shè)計性。外貼式補(bǔ)強(qiáng)是將FRP 布材用環(huán)氧等膠態(tài)物質(zhì)粘結(jié)在建筑物外表面，利用FRP 與結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力，達(dá)到增強(qiáng)效果。FRP 光纖與裂縫垂直的夾角愈大，則其發(fā)展及擴(kuò)展的能力愈大。此外，受多次地震載荷的影響，其剪切方向也會有所改變，F(xiàn)RP膠片應(yīng)能有效抑制兩種方向的開裂。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用橫向、對角、X 型和混合等方法。

4、建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法的應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某中學(xué)體育館是一座單跨框架結(jié)構(gòu)，占地660m2，呈矩形，東西兩邊寬度19m，南北長度32m，高8.1m。體育場地基是以單層鋼筋砼地基為基礎(chǔ)，地基底面標(biāo)高為-1.95m，地基下表面尺寸為2200mm×3600mm、2800mm×4200mm、3800mm×3000mm、4600mm×3000mm。該體育場采用了一種以6300mmX4000mm、6400mmX4000mm 的鋼筋砼單梁框架結(jié)構(gòu)，其主體立柱的橫斷面為400mm×600mm；房屋的樓板是用120mm厚的鋼筋砼預(yù)制中空板。

4.2 抗震鑒定

在既有建筑房屋抗震加固之前，必須根據(jù)抗震設(shè)防等級、抗震等級、后續(xù)使用年限、構(gòu)造型式等因素，進(jìn)行抗震鑒定，以作為今后抗震加固的參考。本項(xiàng)目按七度設(shè)防、乙級抗震設(shè)防、后續(xù)使用年限30 年（A 類）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震評估，其主要結(jié)論為，實(shí)地勘察和鑒定表明：（1）場地布置、層高、軸線尺寸；部件的橫斷面等均符合最初的設(shè)計規(guī)范。（2）根據(jù)原有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證和計算，證明體育館的梁、柱、基礎(chǔ)均達(dá)到了極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)動中心與運(yùn)動中心的中心和中心點(diǎn)是一致的；最大層間的位移角度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中1/550 的極限；最大層之間的最大位移和平均層間的變形率符合設(shè)計的規(guī)定；最大圓柱軸壓比達(dá)到了0.24，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定。（3）經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)體育場梁柱端箍筋的間隔不符合設(shè)計規(guī)范；灌漿墻體與鄰近的鋼筋砼結(jié)構(gòu)沒有受拉結(jié)。（4）體育場為B 級結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為一跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受地震影響，不能滿足GB50023-2009 《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中第6.2.1 條第2 款的要求。

4.3 抗震加固設(shè)計

4.3.1 抗震加固方法比選

由于受側(cè)向剛性較低、能量消耗較低、缺少多余的限制，在地震中容易引起結(jié)構(gòu)的持續(xù)損壞和坍塌。以往的國內(nèi)外地震表明，單梁框架結(jié)構(gòu)是一個非常具有破壞性的抗震系統(tǒng)。故在我國《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中第6.2.1 條第2 款的要求下，該框架不能采用單一框架；B 級建筑不能采用單一的框架式建筑。本項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)是一種單層框架式的，不能適應(yīng)現(xiàn)行的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，存在著一定的安全風(fēng)險，必須對其進(jìn)行有效的防震和加固。通過對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的研究，提出了增加框架柱、增設(shè)抗震墻、增設(shè)型鋼支架、增加消能減振支架等措施。

（1）增設(shè)框架柱

針對單跨框架結(jié)構(gòu)的住宅，可以在不損害其正常的使用性能的情況下，增加一根框架柱子，并將其轉(zhuǎn)換成兩跨或多跨的框架。該方案具有明顯改善住宅建筑的橫向抗側(cè)力和地震特性。但其不足之處在于，新建的框柱會增加地基，且需要增加相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)；另外，增加的框柱會對其正常的應(yīng)用產(chǎn)生一定的干擾。根據(jù)本項(xiàng)目的具體狀況，新建的框架柱將嚴(yán)重地改變場館的結(jié)構(gòu)功能。這種加固措施在該例應(yīng)用中并不合適。

（2）增設(shè)抗震墻

對于單層框架結(jié)構(gòu)，可以采取在合適的地點(diǎn)設(shè)置加強(qiáng)后的鋼筋砼防震墻體，將原有的單梁框架結(jié)構(gòu)改為框-剪，提高結(jié)構(gòu)的安全性，提高住宅的整體地震能力。該方案能夠有效地克服傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的抗震性能缺陷，并將其布置在邊角部位，對結(jié)構(gòu)的使用性能沒有明顯的影響。

（3）增設(shè)型鋼支撐

為改善住宅的單跨梁水平荷載，可以采取附加型鋼柱的形式進(jìn)行抗震處理。該加固方式具有自重輕、工期短、對原有構(gòu)件無明顯影響的特點(diǎn)；其不利之處在于對工程的使用性能有一定的影響，后期需要進(jìn)行經(jīng)常性的維修，并且不適合大跨的框架。根據(jù)本項(xiàng)目的具體條件，在單跨處增設(shè)了一種新型的鋼架，這將會嚴(yán)重地改變場館的結(jié)構(gòu)和使用性能。這種加固措施在實(shí)際應(yīng)用中并不合適。

（4）增設(shè)耗能減震支撐

在單層框架結(jié)構(gòu)住宅中，可以采取附加彈性約束支撐、粘滯阻尼支撐等耗能的減振部件。該加固方式類似于增加型鋼支架，不同之處在于采用了消能式減振支架，可以有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。然而，這種加固方式對場館的施工性能也有很大的影響，因此并不適合于此項(xiàng)施工。

最后，結(jié)合項(xiàng)目的具體狀況和結(jié)構(gòu)的地震評估結(jié)果，經(jīng)過全面的分析和研究，確定增加防震墻體的方案，該方法可以有效地克服單一結(jié)構(gòu)體系的地震承載力。

4.3.2 抗震加固方案

本項(xiàng)目的抗震加固方案是：增加一層鋼筋砼防震墻體，將原有的單跨框架結(jié)構(gòu)改為框-剪力；鋼結(jié)構(gòu)的立柱和梁末端用碳纖維加強(qiáng)，并可有效地消除兩端的鋼筋。填充墻和框架柱間增設(shè)拉結(jié)筋，以提高房屋的整體性。

（1）增設(shè)抗震墻

為了克服原有的單梁框架式，不能達(dá)到現(xiàn)行的規(guī)范，采用了增加抗震墻的方式進(jìn)行了加固。經(jīng)過全面的分析，為了改善原有的結(jié)構(gòu)體系，在體育場四角部位增加了一層鋼筋砼防震墻，將原有的一層框架結(jié)構(gòu)改為一層框-剪力墻。對新建的防震墻體采用了結(jié)構(gòu)上的加固方法，使得墻體與原有的框架梁柱能夠牢固地結(jié)合在一起，從而確保墻體的整體受力。

（2）碳纖維加固

經(jīng)結(jié)構(gòu)分析，梁柱端箍筋的間隔不符合設(shè)計規(guī)范。在原有鋼筋混凝土框架柱和框架梁的末端，采用粘貼碳纖維布的方法進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)加固處理，以提高原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能。

（3）填充墻加固

經(jīng)地震評估，其填充墻體與鄰近的混凝土框架柱間不存在拉結(jié)鋼筋。經(jīng)過全面的研究，在原填充墻的兩側(cè)，采用墻面剮槽嵌入法，增設(shè)拉結(jié)筋。通過將其與原有的鋼筋砼框架柱間進(jìn)行聯(lián)接，使其與原有的承載力保持一致，提高整體性能，降低了墻體與柱間接合部裂縫的危險。

4.4 抗震驗(yàn)算

該體育館在采取上述抗震加固措施之后，在新結(jié)構(gòu)體系下，計算結(jié)果如下：（1）混凝土框架梁、框架柱配筋滿足規(guī)范要求；（2）混凝土框架柱軸壓比滿足規(guī)范要求（柱最大軸壓比為0.24）；（3）結(jié)構(gòu)振動周期滿足規(guī)范要求；（4）在地震作用和風(fēng)荷載作用下，層間位移滿足規(guī)范要求。

結(jié)語：

綜上所述，對于地震多發(fā)國而言，必須對建筑的抗震設(shè)計與加固進(jìn)行有效的處理，在確定了建筑的構(gòu)造形態(tài)基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行科學(xué)的抗震設(shè)計。如此，就可以將地震帶來的影響降到最低。文章通過對某中學(xué)體育館結(jié)構(gòu)進(jìn)行的地震補(bǔ)強(qiáng)計算，說明了在結(jié)構(gòu)的抗震加固中，應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，充分保障了房屋的正常使用性能，采用最經(jīng)濟(jì)、最少的方式進(jìn)行加固，以保證原有未進(jìn)行地震設(shè)防的房屋符合現(xiàn)行地震評估規(guī)范的規(guī)定，該工程不僅解決了建筑物的安全性問題，而且使其整體的地震反應(yīng)能力得到了顯著的改善。同時，對其進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和分析，對同類項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。