消能減震加固技術(shù)在既有建筑改造工程中的應(yīng)用

摘 要：從表面看，消能減震加固技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提升建筑物的整體抗震性能。作為建筑領(lǐng)域中的一種新型抗震技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)在建筑主體結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器，實(shí)現(xiàn)了地震能量的轉(zhuǎn)移與消耗。它能夠有效控制地震作用導(dǎo)致的振動(dòng)響應(yīng)，從而為建筑結(jié)構(gòu)的安全提供堅(jiān)實(shí)屏障。將消能減震加固技術(shù)應(yīng)用到既有建筑改造工程中可以降低施工難度并控制加固費(fèi)用，同時(shí)提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

關(guān)鍵詞：消能減震加固技術(shù)；既有建筑改造工程；應(yīng)用文章編號(hào)：2095-4085（2024）04-0046-03

0 引言

近年來(lái)隨著消能減震技術(shù)不斷成熟與完善，更多的既有建筑改造工程項(xiàng)目抗震性能得到了提升，同時(shí)在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)后也可以提升建筑的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

1 消能減震加固技術(shù)在既有建筑加固改造中的應(yīng)用

1.1 混凝土噴射加固工藝

1.1.1 加固工藝

（1）在進(jìn)行原材料準(zhǔn)備時(shí)應(yīng)將設(shè)計(jì)圖紙作為依據(jù)，以保證原材料質(zhì)量符合工程建設(shè)要求［1］。

（2）將建筑原有結(jié)構(gòu)表面裝飾進(jìn)行清除并對(duì)有侵蝕的部位進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)厚度在5～10mm之間。

（3）在進(jìn)行打孔與植筋施工時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙完成。

（4）根據(jù)施工圖紙完成鋼筋綁扎與鋼筋網(wǎng)安裝，每平方米安裝3到4個(gè)灰餅。

（5）混凝土噴射前應(yīng)先將模板安裝到邊框位置，確保模板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（6）根據(jù)施工要求按照順序安裝混凝土噴射設(shè)備并在噴射前對(duì)噴射設(shè)備性能進(jìn)行檢測(cè)，以保證其可以正常運(yùn)行；施工人員應(yīng)做好通水與送風(fēng)試驗(yàn)，避免混凝土噴射時(shí)出現(xiàn)漏風(fēng)或是滲水問(wèn)題。

（7）進(jìn)行混凝土噴射施工前施工人員應(yīng)先清理墻面，清理墻面時(shí)須采用高壓噴射設(shè)備，在保證墻面清潔度后方可進(jìn)行混凝土噴射施工。在進(jìn)行混凝土噴射過(guò)程中可以使用高壓機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，要確保每分鐘送風(fēng)量在9m2，氣壓控制在0.2～0.5MPa之間，噴頭水壓不得小于0.15MPa；將噴射設(shè)備與墻體間的間距控制在0.6～1m之間，采用垂直角度進(jìn)行噴射；噴射厚度可以比設(shè)計(jì)厚度小20mm；對(duì)墻面平整度進(jìn)行控制，將偏差控制在±20mm。

1.1.2 做好混凝土養(yǎng)護(hù)

（1）混凝土噴射厚度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符時(shí)應(yīng)完成刮平作業(yè)，刮平作業(yè)須在混凝土未初凝前完成。

（2）最后一層混凝土終凝強(qiáng)度在2h后就可以進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)控制在14d。

1.2 板底碳纖維加固工藝

1.2.1 做好底部處理

（1）若混凝土表面存在脫落、蜂窩或是空鼓等問(wèn)題應(yīng)將其進(jìn)行鑿除與修補(bǔ)，修補(bǔ)時(shí)多采用環(huán)氧砂漿。

（2）當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)裂縫問(wèn)題時(shí)應(yīng)先做封閉處理，完成后再修補(bǔ)。

（3）清理混凝土表面浮漿時(shí)，可以使用砂紙或是角磨機(jī)將表面打磨平整，要確保表面平整度，轉(zhuǎn)角位置通常設(shè)置為直徑10mm的圓弧狀。

（4）進(jìn)行混凝土表面處理時(shí)操作人員可以使用吹風(fēng)機(jī)，以確?；炷帘砻鏌o(wú)雜物或積水。

1.2.2 底膠涂抹

涂底膠也就是FP膠涂抹，在涂抹時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

（1）主劑與固化劑按照2∶1的比例導(dǎo)入到攪拌裝置中，并使用彈簧秤進(jìn)行集料稱重。然后將集料進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)溫度結(jié)合，通常攪拌好的膠液應(yīng)在1h內(nèi)使用完。

（2）膠液涂抹到混凝土表面時(shí)可以使用滾筒，當(dāng)膠液干固后才能進(jìn)行下一項(xiàng)施工內(nèi)容，通常2～3d的時(shí)間就會(huì)干固。

1.3 鋼筋網(wǎng)抹灰工藝

1.3.1 鋼筋網(wǎng)操作要點(diǎn)

（1）處理好基層位置。進(jìn)行鋼筋網(wǎng)墻抹灰施工前應(yīng)先清理鋼筋網(wǎng)，可以使用高壓水進(jìn)行沖洗，以保證表面的清潔度。墻面與鋼筋網(wǎng)間的厚度控制在15mm。

（2）可以將適量的水噴灑到墻面并對(duì)墻面灰塵進(jìn)行清理。若墻面相對(duì)干燥施工人員可以根據(jù)情況增加灑水次數(shù)，為抹灰施工創(chuàng)造條件。在進(jìn)行砂漿施工時(shí)還應(yīng)對(duì)水分進(jìn)行控制，防止出現(xiàn)吸水現(xiàn)象。當(dāng)天氣比較干燥時(shí)可以在抹灰前對(duì)基層進(jìn)行濕潤(rùn)，在保證濕潤(rùn)的基礎(chǔ)上還要避免出現(xiàn)浮水問(wèn)題。

（3）完成灰餅粘貼施工后檢查其平整度時(shí)可以使用托線板，在了解檢查結(jié)果后確定粘貼灰餅的數(shù)量，將灰餅水平方向與高度間距控制在1.2m。水泥砂漿制作灰餅時(shí)比例控制在1∶3，灰餅尺寸控制在500mm，灰餅厚度通常控制在40mm左右［2］。

1.3.2 底層砂漿涂抹

在進(jìn)行墻面基層抹灰時(shí)，第一遍抹灰可以起到對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。要保證涂抹的均勻度，將抹灰厚度控制在10mm。

1.3.3 中層抹灰

完成底層抹灰后，在砂漿強(qiáng)度滿足初凝強(qiáng)度要求后進(jìn)行中層抹灰，要確保中層抹灰厚度與鋼筋齊平，厚度是鋼筋直徑的兩倍。

1.3.4 面層抹灰

面層抹灰時(shí)應(yīng)將砂漿涂抹到骨架位置，在保證砂漿強(qiáng)度滿足終凝強(qiáng)度后再進(jìn)行施工。將面層抹灰厚度控制在10mm，要保證砂漿表面的平整度，當(dāng)達(dá)到初凝強(qiáng)度后再使用鐵抹子進(jìn)行抹平處理。

1.4 植筋加固施工工藝

1.4.1 清孔處理

（1）成孔后施工人員應(yīng)做好清孔作業(yè)，要確?？變?nèi)無(wú)雜物。可以使用毛刷或氣泵進(jìn)行反復(fù)多次的吹刷，孔壁涂刷時(shí)可以使用棉絲粘丙酮的方式，以確保孔壁的干燥性與整潔度?？梢允褂眉訜岚暨M(jìn)行干燥處理。

（2）用清水進(jìn)行清理，在清理孔內(nèi)泥漿后，再使用棉絲將孔壁擦干，當(dāng)孔壁徹底干透后才可進(jìn)行下一道工序。假如對(duì)工期有要求可以使用加熱棒將孔內(nèi)進(jìn)行烘干。

1.4.2 鋼筋埋設(shè)施工

（1）科學(xué)配制錨固膠。在配制錨固膠時(shí)可以將產(chǎn)品說(shuō)明書作為依據(jù)，也可以憑借施工人員的已有經(jīng)驗(yàn)，在確保配比滿足標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行均勻的攪拌。

（2）埋設(shè)盲孔鋼筋。在孔洞2/3位置加入錨固膠，將無(wú)銹蝕情況的鋼筋插入到孔內(nèi)并保證鋼筋可以插入到設(shè)定位置為止。鋼筋插入的過(guò)程中若膠體未溢出，說(shuō)明錨固膠注入量不夠，應(yīng)將鋼筋拔出，進(jìn)行二次注膠后再將鋼筋插入到孔內(nèi)，使錨固膠可以溢出到孔外。

（3）埋設(shè)通孔鋼筋。鋼筋通過(guò)除銹處理后再插入到孔中，封堵孔洞兩端時(shí)可以使用環(huán)氧砂漿。在進(jìn)行封堵時(shí)可以在一端孔口位置預(yù)留注膠孔，另外一端預(yù)留出氣孔。在確認(rèn)環(huán)氧砂漿凝固后再進(jìn)行注膠施工。錨固膠先打入到膠筒中并按照要求安裝打膠嘴，然后向孔內(nèi)打膠。

（4）垂直通孔植筋時(shí)與第三條操作基本相同，但是在進(jìn)行打膠時(shí)應(yīng)由孔底向上進(jìn)行打膠，出氣孔有膠體溢出時(shí)說(shuō)明打膠完成。

2 既有建筑加固方案對(duì)比

2.1 以往所使用的加固施工方案

以往在進(jìn)行建筑加固施工時(shí)多采用剪力墻結(jié)構(gòu)，并將框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蚣芸拐饓Y(jié)構(gòu)，而且在實(shí)施加固時(shí)可以對(duì)層間結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，利用剪力墻對(duì)抗地震的作用，并對(duì)框架加固梁進(jìn)行控制。因?yàn)榻ㄖ锘A(chǔ)結(jié)構(gòu)多為大直徑擴(kuò)底墩，剪力墻結(jié)構(gòu)自重會(huì)增加，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固時(shí)可以采用補(bǔ)樁方式［3］。

2.2 消能減震加固施工方案

在使用阻尼器時(shí)，可以以附加阻尼器為主，但是無(wú)法保證剛度，可以應(yīng)用到結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力不足的情況下。但是在結(jié)構(gòu)剛度與設(shè)計(jì)要求相差不多的結(jié)構(gòu)中，在設(shè)計(jì)屈曲約束支撐時(shí)，小震時(shí)不屈服耗能只單獨(dú)提供剛度，中震或是大震時(shí)屈服耗能可以應(yīng)用到剛度不足的建筑物中。因?yàn)榍s束支撐可以提升建筑結(jié)構(gòu)的剛度，提升結(jié)構(gòu)地震作用，特別是子結(jié)構(gòu)受力較大時(shí)。在進(jìn)行加固時(shí)結(jié)構(gòu)整體剛度與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本相同，應(yīng)與建筑物功能、阻尼器特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，最終確定阻尼器加固方案。在既有建筑改造時(shí)使用消能減震加固技術(shù)可以減少建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固作業(yè)量，將消能減震構(gòu)件與原有構(gòu)件連接就可以完成加固，其他構(gòu)件只需要少量加固措施就可以與設(shè)計(jì)要求相符。

3 既有建筑加固中消能減震加固方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 合理設(shè)置阻尼器位置并保證參數(shù)滿足要求

結(jié)合附加阻尼比、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及建筑平面布置情況，假定阻尼器設(shè)置位置，利用連接單元對(duì)阻尼器帶入ETABS模型進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬與試算，對(duì)阻尼器安裝位置、連接單元參數(shù)、阻尼器使用量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足附加阻尼比要求。將滿足要求的連接單元參數(shù)作為阻尼器產(chǎn)品的選擇依據(jù)，然后得出建筑物結(jié)構(gòu)所需要的阻尼器系數(shù)與阻尼指數(shù)并對(duì)阻尼器具體使用量進(jìn)行確定。安裝阻尼器時(shí)應(yīng)保證安裝位置的準(zhǔn)確性，通常會(huì)在樓層平面位置安裝阻尼器，要對(duì)阻尼器的安裝間距及對(duì)稱性進(jìn)行控制，利用此來(lái)降低地震時(shí)的集中應(yīng)力并平衡建筑物結(jié)構(gòu)剛度。布置豎向阻尼器時(shí)可以參照非減震設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)及最大層間位移結(jié)構(gòu)模型，在位移角偏大的位置安裝阻尼器，然后計(jì)算一個(gè)阻尼器模型有限元并得到最大層間位移角度，然后再安裝阻尼器，如此循環(huán)操作可以完成豎向阻尼器布置。但是在進(jìn)行阻尼器安裝時(shí)不得在某一層過(guò)于密集，要確保豎向安裝的均勻性。在選擇阻尼器時(shí)可以將懸臂墻式黏滯阻尼器作為首選，以避免給建筑物使用功能帶來(lái)影響［4］。

3.2 軸向型金屬阻尼器的應(yīng)用

軸向型金屬阻尼器是一種可以移動(dòng)的金屬阻尼器，屬于軸向受力的金屬阻尼器，受力形式主要以支撐方式為主。軸向型金屬阻尼器是將軟鋼芯材料根據(jù)構(gòu)件長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置，并利用變形過(guò)程完成軸向變形及屈服耗能。在對(duì)耗能芯材進(jìn)行屈曲約束、加筋設(shè)計(jì)及耗能芯材形式設(shè)計(jì)時(shí)主要是利用了外套筒，進(jìn)而減少屈服耗能構(gòu)件局部所產(chǎn)生的缺陷或是屈曲延性影響，進(jìn)而保證芯材的延性可以滿足軸向耗能阻尼器對(duì)性能的要求。軸向型金屬抗震阻尼器主要構(gòu)造包括外約束套筒、加筋結(jié)構(gòu)和耗能芯材，其可以靈活調(diào)節(jié)參數(shù)與長(zhǎng)度，在連接時(shí)多會(huì)采用軸向連接方式。

3.3 小震限值計(jì)算

完成加固施工后，小震情況下最大層間位移角限值為1/550，大震最大間層位移角限值為1/50。只有少部分梁柱界面需要加固施工，并不需要使用增加截面面積進(jìn)行加固。因?yàn)轲枘崞鳠o(wú)法提供剛度，所以只需要將阻尼比輸入到PKPM中就可以完成試算，進(jìn)行附加阻尼比計(jì)算時(shí)通常會(huì)采用以下兩種方法。

（2） 模態(tài)耗能比法。使用模態(tài)耗能比法計(jì)算ζd： ζd=ζ0Ed/Ec。在算式中Ed為消能減震構(gòu)件過(guò)程中的耗能情況； Ec是完成加固后的結(jié)構(gòu)初始阻尼所積累的耗能情況；ζ0為加固后結(jié)構(gòu)初始阻尼比。要想確保SAP2000分析模型應(yīng)用的準(zhǔn)確性可以與PKPM模型參數(shù)、SAP2000模型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。兩個(gè)模型質(zhì)量間相差0.5%，前三個(gè)周期最大相差3.8%，可見兩個(gè)模型相差并不大，并可以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

根據(jù)相關(guān)建筑抗震規(guī)定可以選擇兩條人工地震波、五條天然地震波作為地震波加速度時(shí)程曲線。對(duì)比不同地震波對(duì)結(jié)構(gòu)基地剪力所產(chǎn)生的作用與振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，各條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果為：結(jié)構(gòu)底部剪力均比振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果高出65%；7條時(shí)程曲線計(jì)算后所得到的結(jié)構(gòu)底部剪力比振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果高出80%，與規(guī)范要求相符。

一周能力比法計(jì)算結(jié)果比模態(tài)耗能法要大，主要是因?yàn)橐恢苣芰Ρ扔?jì)算阻尼器耗能是計(jì)算每個(gè)阻尼器最大出力與最大位移乘積耗能，但是在實(shí)際使用時(shí)各黏滯阻尼器并不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大位移與最大出力。模態(tài)耗能比法是利用不同時(shí)間段積分所得到的能量，可以更加準(zhǔn)確的對(duì)各黏滯阻尼器實(shí)際耗能進(jìn)行考慮，準(zhǔn)確性高于一周能量比法。在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)對(duì)計(jì)算公式與實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合，并對(duì)使用過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮，控制計(jì)算誤差?！督ㄖ軠p震及隔震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ08-2326-2020）中的第6.3.2條指出應(yīng)對(duì)附加阻尼比公式中的問(wèn)題與實(shí)際結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響進(jìn)行考慮，分別對(duì)一周能量比法所得到的結(jié)果乘以70%的折減系數(shù)與模態(tài)耗能比法計(jì)算結(jié)果乘以90%折減系數(shù)，最終完成修改。

3.4 大震限制計(jì)算分析

建筑結(jié)構(gòu)大震彈塑性時(shí)程分析時(shí)可以使用SAUSAGE軟件，直接模擬結(jié)構(gòu)地震作用非線性反應(yīng)分析，可以使用顯示積分動(dòng)力彈塑性分析法。建筑框架梁柱在大地震作用下均會(huì)被破壞，損傷因子最大平均值不得超過(guò)0.5，此時(shí)破壞度為中度。

3.5 合理設(shè)計(jì)既有建筑子結(jié)構(gòu)

子結(jié)構(gòu)可以直接與消能減震構(gòu)件進(jìn)行連接，形成主體結(jié)構(gòu)單元。根據(jù)相關(guān)消能減震規(guī)定要求可以根據(jù)構(gòu)件的重要性進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)算大震作用下極限承載能力。大震作用驗(yàn)算可以采用SAUSAGE軟件，但應(yīng)對(duì)子結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料彈性進(jìn)行合理設(shè)置，避免因大震作用影響子結(jié)構(gòu)塑性內(nèi)力。大震作用下子結(jié)構(gòu)驗(yàn)算可以使用PMM屈服面，通過(guò)復(fù)核確定子結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力包絡(luò)與極限承載力要求相符。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行既有建筑改造工程采用消能減震加固技術(shù)時(shí)，應(yīng)合理進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并保證計(jì)算的精準(zhǔn)度，通過(guò)消能減震加固技術(shù)提升既有建筑的抗震性能，同時(shí)可以控制工期、成本并降低地震給建筑物所帶來(lái)的影響。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮并合理設(shè)置阻尼器，充分發(fā)揮其作用，提升既有建筑整體加固效果與抗震能力。

參考文獻(xiàn)：

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