基于結(jié)構(gòu)體系的抗震加固方法研究綜述*

張 鑫, 李書蓉, 岳慶霞

(1 山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101；2 山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，濟(jì)南 250013)

0 引言

我國(guó)地處世界兩大地震帶(環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶)的交匯處,是地震多發(fā)國(guó)家。強(qiáng)震易對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞,如2008年汶川地震,倒塌房屋700萬間,震損房屋2 500萬間;2019年四川長(zhǎng)寧地震,倒塌房屋73間,嚴(yán)重?fù)p傷房屋19間,一般損害房屋12 723間[1];2021年四川瀘縣地震,倒塌房屋1 400余間,嚴(yán)重?fù)p壞房屋6 400間,一般損壞房屋2.9萬間[2],震后大量的受損建筑需要進(jìn)行維修加固。另外,第五代《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》提高了許多地區(qū)的設(shè)防烈度,我國(guó)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展完善。既有建筑由于設(shè)防烈度、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不同,導(dǎo)致許多既有建筑的抗震性能不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求,解決該問題的有效途徑是開展結(jié)構(gòu)的抗震加固。

我國(guó)的抗震加固經(jīng)歷了初級(jí)階段、提高階段到現(xiàn)在的綜合發(fā)展階段[3]。一種是基于構(gòu)件的加固,通過增強(qiáng)構(gòu)件的承載力提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,如加大截面法、外包鋼法、粘貼碳纖維法。然而,由于抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高,抗震構(gòu)造措施也相應(yīng)提高,不滿足規(guī)范要求,若采用構(gòu)件加固方法,加固量大、濕作業(yè)多、施工周期長(zhǎng),影響建筑的使用功能。因此,抗震加固應(yīng)首先考慮整體性加固,從基于結(jié)構(gòu)體系的角度進(jìn)行加固,避免由于加固某些構(gòu)件而導(dǎo)致未加固部件成為薄弱環(huán)節(jié)的情況[4-5]。

基于結(jié)構(gòu)體系的抗震加固方法中,增設(shè)剪力墻和鋼支撐是最常采用的加固方法,在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著新型抗震結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展,基于結(jié)構(gòu)體系加固新技術(shù)成為結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì),如減隔震技術(shù)、自復(fù)位技術(shù)和附加子結(jié)構(gòu)等新技術(shù)[5]。

本文分別介紹了減隔震加固、自復(fù)位加固和附加子結(jié)構(gòu)加固的相關(guān)研究進(jìn)展及工程案例,對(duì)抗震加固新方法進(jìn)行了展望。

1 減隔震技術(shù)

1.1 減震技術(shù)

采用減震技術(shù)加固是通過在建筑物某些部位設(shè)置阻尼器,增加結(jié)構(gòu)的耗能能力,地震作用時(shí),通過阻尼器耗能減小建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),避免或延遲主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性,使原本不能滿足抗震要求的建筑達(dá)到抗震目標(biāo)。20世紀(jì)70年代,美籍華裔學(xué)者姚治平[6]首次提出了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念,消能減震由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究,減震技術(shù)在抗震加固的研究也得到了廣泛開展,取得了豐碩的成果。

阻尼器根據(jù)耗能原理分為速度相關(guān)型的阻尼器(如黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等)、位移相關(guān)型的阻尼器(如金屬阻尼器、摩擦阻尼器、屈曲約束支撐)和多種耗能機(jī)制組合使用的復(fù)合阻尼器。Reinhorn等[7-9]對(duì)損傷后的三層鋼筋混凝土框架模型分別采用黏彈性阻尼器、黏滯阻尼器、摩擦阻尼器和黏滯阻尼墻加固,試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析證實(shí)了阻尼器加固可以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。Martinez-Rodrigo和Romero[10]提出了一種非線性黏滯阻尼器加固框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。Hareen和Mohan[11]提出了阻尼器加固框架結(jié)構(gòu)基于能量的設(shè)計(jì)方法。屈曲約束支撐(BRB)的概念最早由日本的Yoshino提出,BRB為結(jié)構(gòu)附加剛度和阻尼,顯著提高既有建筑的抗震能力[12]。但BRB會(huì)增加與其連接的梁柱和節(jié)點(diǎn)的受力,增大損傷,在工程應(yīng)用中需要對(duì)與支撐連接的梁柱和節(jié)點(diǎn)加固[13]。為解決黏彈性阻尼器頻率相關(guān)性等問題,周云等[14]研發(fā)了一系列鉛黏彈性阻尼器,其中扇形黏彈性阻尼器加固梁柱節(jié)點(diǎn)的方法可提高結(jié)構(gòu)的耗能能力,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的機(jī)制[15]。另外,考慮不同阻尼器的特點(diǎn),Pong等[16]提出將位移型阻尼器和速度型阻尼器聯(lián)合使用。翁大根等[17]提出了房屋底部安裝屈曲約束支撐,其余層布置黏滯阻尼器的混合消能系統(tǒng),給出了基于性能和需求的消能減震設(shè)計(jì)方法,并以汶川地震后某實(shí)際建筑的加固為例,進(jìn)行了非線性時(shí)程分析,結(jié)果表明,加固后的結(jié)構(gòu)薄弱層性能得到改善,組合減震方式有相對(duì)較高的性價(jià)比。

減震技術(shù)做為一種安全、有效、日漸成熟的工程技術(shù),廣泛應(yīng)用于既有建筑的抗震加固中,如1998年首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)加固改造項(xiàng)目中北京飯店、北京火車站(圖1)和北京展覽館采用了黏滯阻尼器加固[18-19],東北某政府大樓采用摩擦阻尼器加固[20],西安長(zhǎng)樂苑招商局廣場(chǎng)采用開孔式軟鋼阻尼器加固[21],潮汕星河大廈采用黏彈性阻尼器加固[22],高雄市某超高層建筑[23]和福州人民大會(huì)堂[24]則采用了屈曲約束支撐加固。威海某辦公樓采用由鋼支撐、黏滯阻尼器和橡膠支座組成的消能減震支撐加固[25]。汶川地震后都江堰某辦公樓采用黏滯阻尼器和屈曲約束支撐加固。

圖1 北京火車站

減震加固通過合理設(shè)計(jì)使阻尼器作為第一道抗震防線,地震作用下首先破壞耗能,進(jìn)而保護(hù)主體結(jié)構(gòu),是一種提高結(jié)構(gòu)整體性能的抗震加固方法。基于研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),《建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 547—2018)于2019年正式實(shí)施,規(guī)程的實(shí)施將進(jìn)一步促進(jìn)減震技術(shù)在抗震加固中的應(yīng)用。

1.2 隔震技術(shù)

采用隔震技術(shù)加固是通過設(shè)置隔震層,將地震變形集中到隔震層上,減少原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),達(dá)到提高建筑物抗震能力的目的。根據(jù)已有建筑的不同情況,隔震層可以布置在基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)中間層、頂層等位置?；A(chǔ)隔震加固包括原位隔震加固和建筑物平移后隔震加固。

隔震加固不僅可明顯提高結(jié)構(gòu)的抗震能力,同時(shí)還不破壞原有建筑風(fēng)貌,能保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、建筑內(nèi)設(shè)備、家具等。因此,隔震加固技術(shù)非常適合應(yīng)用在歷史文物建筑和內(nèi)部有重要設(shè)備的建筑物。1988年石砌結(jié)構(gòu)的鹽湖城大廈采用隔震技術(shù)加固,在房屋下安裝了447個(gè)橡膠隔震支座,該工程為最早采用隔震加固的歷史建筑。此后美國(guó)南加州醫(yī)院、舊金山市政廳、新西蘭惠靈頓議會(huì)圖書館、意大利Melfi鐘樓等建筑都采用了隔震加固。

在工程應(yīng)用的同時(shí),國(guó)外學(xué)者對(duì)隔震加固進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究和理論分析。Sakamoto等[26]研究發(fā)現(xiàn),采用隔震技術(shù)加固后的結(jié)構(gòu)頂層加速度明顯減小,約為原結(jié)構(gòu)的1/10。Kawamura等[27]對(duì)日本某16層建筑采取了中間層隔震加固方法,將第8層的22根柱切斷插入鉛芯橡膠支座,并采取技術(shù)措施保證管道、電梯、外墻的變形可以達(dá)到400mm。分析結(jié)果表明,下部結(jié)構(gòu)的地震力顯著減小,上部結(jié)構(gòu)不需要加固。Luca等[28]對(duì)附加橡膠支座加固的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn),結(jié)果表明,加固后結(jié)構(gòu)抗震性能提高,上部結(jié)構(gòu)位移和受力減小。Matsagar和Jangid[29]對(duì)比分析了原結(jié)構(gòu)和采用不同隔震支座(高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座)加固的抗震性能,證實(shí)了不同隔震支座加固的有效性。為促進(jìn)隔震加固在實(shí)際工程的推廣,Cardone和Flora[30]提出了一種在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)荷載下允許上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有限損傷的隔震加固設(shè)計(jì)方法,該方法與以上部結(jié)構(gòu)彈性為目標(biāo)設(shè)計(jì)方案相比,加固費(fèi)用可降低30%～40%,未來維修成本也在接受范圍內(nèi)。Natale等[31]根據(jù)意大利阿奎拉城市采用隔震加固混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù),考慮加固后抗震性能提升、加固費(fèi)用和預(yù)期損失等因素,提出了將回報(bào)時(shí)間做為設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估結(jié)構(gòu)加固方案。

國(guó)內(nèi)隔震加固技術(shù)起步相對(duì)較晚,但迅速發(fā)展。徐忠根等[32]研究發(fā)現(xiàn)隔震加固后上部結(jié)構(gòu)樓面加速度減小,可以保護(hù)內(nèi)部?jī)x器設(shè)施安全。對(duì)山西省某中小學(xué)采取隔震加固后,上部結(jié)構(gòu)的地震力降低1/3,加固設(shè)計(jì)措施可降一度[33]。潘毅等[34]將隔震技術(shù)應(yīng)用到了磚石古塔加固中,有效提高了古塔的抗震安全。針對(duì)地震后薄弱層損傷嚴(yán)重,上部樓層基本完好的情況,潘鵬等[35]提出將框架結(jié)構(gòu)的底部薄弱層改為隔震層,分析結(jié)果表明,柱頂隔震加固提高了原結(jié)構(gòu)的抗震性能,且上部結(jié)構(gòu)不需要加固即可滿足規(guī)范要求。

隔震加固的關(guān)鍵技術(shù)之一是上部結(jié)構(gòu)的托換,但目前對(duì)隔震托換的研究相對(duì)較少,設(shè)計(jì)托換結(jié)構(gòu)時(shí)主要參考建筑物平移托換結(jié)構(gòu)的相關(guān)成果,隔震托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)一步完善。另外,考慮隔震層的水平相對(duì)位移較大,設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)供水管、排水管、燃?xì)夤艿扰涔堋⑴渚€采用柔性連接。

隔震基礎(chǔ)加固技術(shù)與建筑物整體平移技術(shù)聯(lián)合使用,尤其是在一些歷史建筑中,可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效益。2001年,江南大酒店整體平移,就位連接采用滑移隔震支座與新基礎(chǔ)連接,結(jié)構(gòu)的地震作用可減小到原地震作用的1/4～1/6[36]。針對(duì)軌道平移,學(xué)者提出保留平移滑動(dòng)支座,與鉛芯隔震支座形成組合隔震支座,共同承擔(dān)豎向荷載,形成隔震層,同時(shí)作為平移后建筑與新址基礎(chǔ)的就位連接方法,并應(yīng)用在濟(jì)南“老洋行”、濟(jì)南宏濟(jì)堂古建筑等平移加固中[37-39]。為了在軟土條件下更好地隔離輕質(zhì)建筑,Zhang等[40]提出了一種由彈性滑動(dòng)支座、厚層橡膠隔震支座、黏滯阻尼器組成的隔震層,且隔震層四周布置了千斤頂復(fù)位裝置,見圖2,該隔震體系應(yīng)用在上海歷史建筑玉佛寺平移隔震工程中。

圖2 隔震體系示意圖[40]

針對(duì)老建筑加層改造,施衛(wèi)星等[41]提出了層間隔震加固方法,并應(yīng)用在上海居民住宅樓、教學(xué)樓等舊房加層改造項(xiàng)目[42]。周福霖等[43]建立了層間隔震體系的兩質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型和多質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力時(shí)程分析模型,研究發(fā)現(xiàn)隔震層的阻尼能夠抑制隔震層下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。Villaverde和Mosqueda[44]對(duì)5層鋼框架進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明屋頂隔震體系可以顯著減小地震反應(yīng)。李宏男等[45-46]結(jié)合沈陽(yáng)某增層加固實(shí)際工程,進(jìn)行了層間隔震理論研究。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院對(duì)結(jié)構(gòu)增層采用隔震加固的方法開展了一系列研究[47-51],提出了外套加層結(jié)構(gòu)中隔震支座的優(yōu)化剛度和阻尼系數(shù);研發(fā)了磚砌體住宅加層改造的方法,見圖3,通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和非線性分析證實(shí)了該方法的可行性,得到了隔震層屈重比最優(yōu)值,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖3 砌體結(jié)構(gòu)加層改造示意圖[49]

2 自復(fù)位技術(shù)

自復(fù)位技術(shù)加固指通過在原結(jié)構(gòu)中安裝自復(fù)位裝置,使結(jié)構(gòu)在震后恢復(fù)原位,減小結(jié)構(gòu)的殘余變形,提高結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)功能能力。一種廣泛應(yīng)用的方式是外置預(yù)應(yīng)力筋。Ireland等[52]基于選擇性弱化加固的思想,提出了將剪力墻與基礎(chǔ)全部切斷安裝預(yù)應(yīng)力筋和耗能裝置的加固方法。Basereh等[53]提出將墻肢底部與基礎(chǔ)連接處部分切斷,安裝預(yù)應(yīng)力筋加固剪力墻的方法(圖4),數(shù)值分析結(jié)果表明,加固后的剪力墻殘余變形顯著減小。Kam和Panpanin[54]通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法,研究了將梁與柱連接處全部和部分切斷,安裝預(yù)應(yīng)力筋的梁柱節(jié)點(diǎn)性能。Movaghati和Abdelnaby[55]采用預(yù)應(yīng)力筋和角鋼加固鋼框架節(jié)點(diǎn),為了減小預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)原建筑的影響,縮短預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度,將預(yù)應(yīng)力筋錨固在梁的加勁板上,見圖5。

圖4 剪力墻加固示意圖[53]

圖5 預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)加固示意圖[55]

同時(shí),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用預(yù)應(yīng)力筋、彈簧、形狀記憶合金(SMA)等材料研發(fā)的各種自復(fù)位裝置加固已有建筑進(jìn)行了相關(guān)研究。Ferraioli等[56]提出采用形狀記憶合金支撐加固框架結(jié)構(gòu),非線性分析結(jié)果表明,加固后結(jié)構(gòu)的層間位移角和殘余變形顯著減小。Salehi等[57]研發(fā)了一種可以應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)加固中的基于形狀記憶合金的環(huán)狀阻尼器,見圖6。Sutcu等[58]提出在鋼筋混凝土框架中附加帶屈曲約束支撐的彈性鋼框架加固方法,彈性鋼框架與已有混凝土通過化學(xué)錨栓和抗剪螺栓連接,鋼框架與已有建筑連接處通過安裝螺旋彈簧實(shí)現(xiàn)自復(fù)位能力,見圖7,并提出了一種基于等效線性化的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)加固,Noureldin等[59]提出將梁切斷,在梁與柱連接處安裝由摩擦裝置和預(yù)應(yīng)力筋組成的阻尼器,并分析了加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能,結(jié)果表明,與原結(jié)構(gòu)相比,加速度和基底剪力明顯減小,結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力提高。另外一種常見的加固節(jié)點(diǎn)的方式是在節(jié)點(diǎn)四周安裝隅撐,Veismoradi[60]等和Zhang等[61]分別提出了自復(fù)位摩擦支撐(圖8)和自復(fù)位盤簧支撐(圖9),兩種支撐方式都可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位。目前,對(duì)各種自復(fù)位材料如形狀記憶合金、碟簧等組成的自復(fù)位裝置的力學(xué)性能、加固后結(jié)構(gòu)抗震性能及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了廣泛的研究,但是由于形狀記憶合金造價(jià)貴、受溫度影響大,碟簧需要施加預(yù)應(yīng)力、構(gòu)造復(fù)雜等原因在實(shí)際加固改造工程的應(yīng)用相對(duì)較少。

圖6 基于SMA的環(huán)狀阻尼器加固示意圖[57]

圖7 具有自復(fù)位能力的鋼結(jié)構(gòu)框架加固示意圖[58]

圖8 自復(fù)位摩擦支撐加固梁柱節(jié)點(diǎn)[60]

圖9 自復(fù)位盤簧支撐示意圖[61]

3 附加子結(jié)構(gòu)

附加子結(jié)構(gòu)加固是利用附加整體子結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗震能力,或改變?cè)Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系,進(jìn)而改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式,提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能[62]。一般情況下,附加子結(jié)構(gòu)不承受豎向荷載,主要承擔(dān)水平地震荷載。附加子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不入戶加固,不影響內(nèi)部的使用和布局,可以邊使用邊加固,施工工期快,濕作業(yè)少,是一種高效、經(jīng)濟(jì)的加固方法。根據(jù)附加子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型,分別從附加搖擺墻子結(jié)構(gòu)、框架子結(jié)構(gòu)、其他子結(jié)構(gòu)三方面介紹。

3.1 搖擺墻子結(jié)構(gòu)

將搖擺墻附加到已有建筑中,其底部與基礎(chǔ)鉸接,通過調(diào)節(jié)搖擺墻的剛度來控制主體結(jié)構(gòu)的變形模式,使結(jié)構(gòu)的層間位移趨于均勻,控制結(jié)構(gòu)損傷,搖擺墻與主體結(jié)構(gòu)之間安裝耗能阻尼器,提高結(jié)構(gòu)的耗能能力,為減小殘余變形,在搖擺墻中增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋,見圖10。Ajrab等[63]提出了一種在基礎(chǔ)與搖擺墻附加耗能裝置的搖擺剪力墻-框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法,并以一個(gè)六層搖擺剪力墻-框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行非線性時(shí)程分析。Zibaei等[64]對(duì)10層框架結(jié)構(gòu)和20層框架結(jié)構(gòu)分別采用附加剪力墻和附加搖擺墻進(jìn)行加固,并進(jìn)行推覆分析,結(jié)果表明,附加搖擺墻后可以避免原框架結(jié)構(gòu)的薄弱層,但是對(duì)高層結(jié)構(gòu),剪力墻中需要增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋以獲得更均勻的層間位移角。東京工業(yè)大學(xué)G3樓結(jié)構(gòu)加固改造中,采用了附加搖擺墻和金屬阻尼器的加固方法,分析結(jié)果表明,加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能顯著提高[65-67]。

圖10 框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)示意圖[68]

吳守君等[69]提出了框架-搖擺墻的分布參數(shù)模型,該模型中搖擺墻忽略剪切變形簡(jiǎn)化為彎曲梁,框架結(jié)構(gòu)忽略彎曲變形簡(jiǎn)化為剪切梁,見圖11,并用該模型分析了搖擺墻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)位移分布、搖擺墻和框架承載力需求的影響規(guī)律。Wu等[70]通過分布參數(shù)模型分析了高階振型對(duì)框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明,在框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中高階振型不能忽略。Grigorian等[71]基于性能控制的思想,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)方法。Barbagallo等[72]對(duì)帶支撐框架結(jié)構(gòu)采用附加搖擺墻和黏滯阻尼器加固,并通過過阻尼彈性反應(yīng)譜確定是否需要附加黏滯阻尼器,提出了基于位移的設(shè)計(jì)方法。

圖11 框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)模型

3.2 附加框架子結(jié)構(gòu)

附加(帶支撐)框架子結(jié)構(gòu)(圖12),可以提高原建筑的剛度和承載力。為了提高結(jié)構(gòu)抗震韌性,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后功能的快速恢復(fù),國(guó)內(nèi)外許多研究者將框架子結(jié)構(gòu)同減震技術(shù)、自復(fù)位技術(shù)結(jié)合,提出了多種不同形式的附加框架子結(jié)構(gòu)加固方法,其中一種廣泛應(yīng)用的方法是附加屈曲約束支撐框架加固。2011年,Dubina等[73]對(duì)附加V形BRB框架加固既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)鋼支撐加固相比,BRB框架加固后結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力顯著提高。2013年,吳徽等[74]分別采用植筋和抗剪鍵連接BRB框架與原結(jié)構(gòu),試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種連接方式均能保證原結(jié)構(gòu)與附加結(jié)構(gòu)共同工作。黃海濤等[75]對(duì)外貼BRB鋼筋混凝土框架加固既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)連接支撐節(jié)點(diǎn)板難以適應(yīng)大變形,連接構(gòu)造需要進(jìn)一步研究。

圖12 附加框架子結(jié)構(gòu)加固示意圖[76]

為了減小結(jié)構(gòu)震后的殘余變形,Cao等[77]在框架柱中附加預(yù)應(yīng)力筋,并結(jié)合預(yù)制裝配式技術(shù)提出了一種附加預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼板混凝土框架加固的方法。Eldin等[78]通過擬靜力試驗(yàn),驗(yàn)證了附加預(yù)應(yīng)力框架加固框架結(jié)構(gòu)的可行性,提出了基于能力譜法的加固設(shè)計(jì)流程,對(duì)加固前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了增量動(dòng)力時(shí)程分析,結(jié)果表明,加固后結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力顯著提高。Kurosawa等[79]設(shè)計(jì)了2個(gè)采用現(xiàn)澆混凝土樓板連接已有框架與附加預(yù)應(yīng)力框架的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖13,試驗(yàn)結(jié)果表明,該連接方式可以有效地傳遞荷載,但現(xiàn)澆樓板面內(nèi)和面外彎曲明顯。

圖13 附加自復(fù)位框架加固示意圖

姜紹飛等[80]提出了一種底部鉸接的自復(fù)位耗能搖擺框架,底層鋼框架柱處布置BRB,通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線實(shí)現(xiàn)自復(fù)位能力,具體構(gòu)造見圖14,并分析了該子結(jié)構(gòu)對(duì)底層軟弱的框架結(jié)構(gòu)加固的抗震性能。胡書領(lǐng)和王偉[81]提出了一種新型自復(fù)位耗能搖擺鋼框架[82],其由帶BRB的鋼筋混凝土框架、位于底層柱處的自復(fù)位摩擦彈簧阻尼器組成,底層設(shè)置為鉸接,自復(fù)位能力由自復(fù)位摩擦彈簧阻尼器提供,見圖15。

圖14 自復(fù)位耗能搖擺框架

圖15 附加自復(fù)位耗能鋼框架加固示意圖[81]

附加連柱框架體系(linked column frame system)由兩個(gè)距離較近的柱和耗能連梁組成,其中耗能連梁沿著高度方向布置多個(gè),見圖16。強(qiáng)震作用下,耗能連梁首先屈服耗能,然后附加子結(jié)構(gòu)中的鋼柱屈服,減少原結(jié)構(gòu)的損傷,從整體上改變結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制,提高結(jié)構(gòu)的延性及抗震性能。該體系最早由Dusicka和Iwai[83]在2007年提出。2020年,Ezoddin等[84]對(duì)采用連梁框架體系加固的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明,通過合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。Malakoutian等[85-86]、Shoeibi等[87]對(duì)該體系的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

3.3 其他子結(jié)構(gòu)

研究者根據(jù)既有建筑的特點(diǎn)提出了附加其他類型子結(jié)構(gòu)加固的方法。2006年,Takeuchi等[89]提出了附加X形BRB支撐加固的方法,并應(yīng)用在東京工業(yè)大學(xué)某6層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,見圖17。2013年,Roia等[90]對(duì)一個(gè)4層鋼筋混凝土框架附加“耗能塔”進(jìn)行加固,該耗能塔為一種新型的鋼桁架塔,底部鉸接,在基礎(chǔ)連接處安裝黏滯阻尼器,見圖18。龔來凱[91]提出了一種附加斜拉子結(jié)構(gòu)加固砌體結(jié)構(gòu)的方法,在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處和縱橫墻交接處安裝鋼柱,鋼柱兩側(cè)設(shè)置斜拉索,組成抗側(cè)力體系,數(shù)值分析結(jié)果表明抗側(cè)力斜拉立柱可以有效約束底層結(jié)構(gòu)變形,提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。Naeem和Kim[92]發(fā)明了一種彈簧黏滯阻尼器和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼索串聯(lián)的復(fù)合鋼索,并對(duì)加固前后的2層鋼框架進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明,加固后的結(jié)構(gòu)層間位移和構(gòu)件內(nèi)力顯著減小,但復(fù)合鋼索對(duì)頂層加速度的控制效果有限。

4 典型工程案例

筆者將減隔震、自復(fù)位、附加子結(jié)構(gòu)等新技術(shù)引入到抗震加固中,主持完成了多項(xiàng)抗震加固工程。

4.1 山東省立第三醫(yī)院康復(fù)樓加固

山東省立第三醫(yī)院康復(fù)樓建于1988年,為鋼筋混凝土單向框架-剪力墻結(jié)構(gòu),地上12層,局部14層,基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ),建筑長(zhǎng)度55.4 m,寬度14.2m,建筑面積約10 860m2。抗震設(shè)防烈度7度(0.15g),設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場(chǎng)地土類別Ⅱ類,經(jīng)計(jì)算原建筑結(jié)構(gòu)的抗震措施不滿足要求,為提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力和抗倒塌能力,對(duì)該建筑采用附加黏滯阻尼器和BRB減震技術(shù)的方法加固,黏滯阻尼器布置在1～12層,BRB布置在1～7層,共布置76個(gè)阻尼器,阻尼器具體位置見圖19,圖20、21為加固后的模型和照片。加固后結(jié)構(gòu)在小震作用下由黏滯阻尼器耗能,BRB保持彈性,強(qiáng)震下,黏滯阻尼器和BRB共同耗能,保護(hù)主體結(jié)構(gòu),非線性時(shí)程分析結(jié)果表明,加固后結(jié)構(gòu)抗震性能提高,滿足抗震規(guī)范要求,主體結(jié)構(gòu)在大震下?lián)p傷減小。

圖19 阻尼器平面布置圖

圖20 加固后模型圖

圖21 加固后照片

4.2 海南文昌平移隔震工程

海南文昌海天精品酒店(圖22)為混凝土框架結(jié)構(gòu),建于2012年,總建筑面積為8 058m2,總重量約350 000kN,設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)防烈度為度(0.15g),場(chǎng)地類別Ⅱ類。由于保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境,需要對(duì)其進(jìn)行平移,就位后增加一層地下室,根據(jù)最新抗震規(guī)范要求,抗震設(shè)防烈度提高為8度(0.2g)。為了移位后使結(jié)構(gòu)滿足抗震要求,就位連接采用鉛芯橡膠隔震支座,直徑有400、500mm和600mm三種尺寸,共布置了89個(gè)隔震支座,隔震支座連接見圖23。經(jīng)計(jì)算,層間位移角最不利位置為地上2層,設(shè)防地震作用下加固前在X、Y向的最大層間位移角分別為1/130和1/194,隔震加固后X、Y向的最大層間位移角分別為1/485和1/809,層間位移角顯著減小,加固后減震系數(shù)為0.45,加固后結(jié)構(gòu)滿足抗震規(guī)范要求[94]。

圖22 海南文昌海天精品酒店

圖23 隔震支座連接圖

4.3 山東省榮軍總醫(yī)院病房樓改造加固

圖24 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖25 搖擺墻改造后示意圖

圖26 搖擺墻連接構(gòu)造

圖27 大震下加固前后層間位移角對(duì)比[69]

5 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著抗震技術(shù)的提高,抗震加固已經(jīng)從傳統(tǒng)的加固方法發(fā)展為采用減隔震技術(shù)、自復(fù)位技術(shù)、附加子結(jié)構(gòu)等技術(shù)加固的新方法,通過添加耗能部件、減小輸入原結(jié)構(gòu)的地震能量或改善原結(jié)構(gòu)的變形模式等方式提高結(jié)構(gòu)的整體性,從單一的技術(shù)發(fā)展為多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,如減震技術(shù)與自復(fù)位技術(shù)共同使用等。提高結(jié)構(gòu)整體性能的抗震加固方法的研究取得了顯著成果,但仍存在一些待解決的問題。

(1)加固設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多道抗震防線的設(shè)計(jì)概念,即附加的子結(jié)構(gòu)、耗能阻尼器等做為分災(zāi)元件,強(qiáng)震下首先破壞耗能,保護(hù)原結(jié)構(gòu),形成多道抗震防線,達(dá)到抗震加固的目的。該思想的關(guān)鍵問題是原結(jié)構(gòu)與新加元件(子結(jié)構(gòu))的共同工作機(jī)理和建立基于多道抗震防線思想的加固設(shè)計(jì)方法。在未來的研究中,需要繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,探究新舊結(jié)構(gòu)的共同工作機(jī)理和加固后結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制,確定加固設(shè)計(jì)方法,為加固新方法的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

(2)目前對(duì)新建結(jié)構(gòu)的韌性評(píng)估開展了深入的研究,但是加固后結(jié)構(gòu)的韌性評(píng)估還處在起步階段。如何綜合考慮固費(fèi)用、加固施工周期、維護(hù)成本、加固后結(jié)構(gòu)功能可恢復(fù)性等因素提出性能指標(biāo),通過性能指標(biāo)明確建筑結(jié)構(gòu)采用哪種加固方法比較合理,為加固方案的確定提供依據(jù)。

(3)原有建筑與新加構(gòu)件的連接影響加固后結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和破壞形式,而這其中連接界面的傳力機(jī)制是關(guān)鍵科學(xué)問題,需要進(jìn)行深入研究,明確連接方式和構(gòu)造措施。