校舍加固中隔震技术的应用与案例分析

2016-10-18杨涛董有李广王洋

城市与减灾 2016年5期

杨涛　董有　李广　王洋

校舍加固中隔震技术的应用与案例分析

杨涛董有李广王洋

杨涛，一级注册结构工程师，一级注册建筑师，工学硕士。在抗震鉴定、既有建筑加固设计等方面具有丰富经验。住房和城乡建设部重点课题《我国既有建筑加层加固技术与政策体系研究》（课题编号2011-k2-28）技术总负责，是《既有砌体结构隔震支座托换技术规程》CECS387：2014主要起草人之一。先后参与多项国家标准、行业标准编制。负责北京市地方图集《北京市房屋建筑抗震节能综合改造图集——柱、圈梁、钢拉杆加固分册》编制技术总负责。获得“既有框架建筑采用并联隔震支座加固的安装托换方法”“砖混结构隔震支座加固的安装托换方法”和“采用角钢钢架加固砖混结构的方法”等多项发明专利。主持编制《既有建筑加层技术与政策研究》书籍（中国建筑工业出版社）及《农宅砌体结构抗震加固构造图集》（中国建筑工业出版社）等技术著作。

国内外许多使用隔震支座技术的房屋，经过多次强烈地震的考验，隔震效果良好，抗震性能显著。

实例1：1994年洛杉矶6.7级地震，共有31座医院严重破坏，9座医院局部破坏而被逼疏散，南加州大学医院地上7层的隔震结构，地震中丝毫未损，甚至没有一个花瓶摔下，医院屋内人员竟然未意识到发生了强烈地震，各种设备未损坏，医院功能得到维持，成为救灾中心，对震后紧急救援起到了十分重要的作用。而医院周围建筑物普遍严重破坏，而距离该院1千米外的洛杉矶中心医院，地震造成损失达3.89亿美元。

实例2：1995年日本阪神7.2级地震中，有2幢隔震结构建筑取得了地震观测记录。西部邮政大楼建筑面积46000平方米，总共6层，是当时日本最大的隔震建筑。地震记录观测地面1层水平向的最大加速度只有基础的1/4～1/3，该建筑震后结构完好，设备无损，在救灾中发挥了较大作用，隔震效果得到了充分发挥。Matsumura-Gumi研究所大楼为3层隔震楼，毗邻的管理大楼为3层非隔震楼，两栋都得到了地震观测记录。隔震楼1层最大加速度值比基础显著减小，非隔震楼最大加速度比隔震楼大2～5倍。

实例3：1994年台湾集集7.3级地震，汕头市烈度为Ⅵ度，房屋摇晃厉害，居民惊慌失措，水桶里的水溅出了1/3左右，而陵海路隔震楼上的人无震感，不知道地震发生。

实例4：1995年云南武定6.5级地震，地震发生时，大理震感强烈，而隔震建筑——大理州交通指挥中心大楼内的大多数人没有感觉，不知道发生了地震。

实例5：1996年云南丽江发生7级强烈地震。四川西昌市国税局宿舍楼为六层隔震楼。在楼上居住的职工，只是感到轻微的晃动，而相邻的一幢常规抗震楼只有四层高，楼上居住的人感觉摇晃十分强烈，惊慌失措往外逃跑。

实例6：经受4・20芦山地震考验的芦山县人民医院，已成为“楼坚强”的代言人，它的秘密在于地基部分的“弹簧缓冲”。地震后外观完整且受损较小的芦山县人民医院主楼引起关注。

2009年到2011年期间，根据《全国中小学校舍安全工程实施细则》我国大力开展校安工程，对各级各类中小学校舍进行排查、检测、鉴定、加固。

目前针对中小学等抗震要求较高的建筑的抗震加固方法中，大都采用传统的加固方式，即对砌体结构采用板墙加固、水泥砂浆钢丝网、增加构造柱圈梁等。对于框架结构常采用梁柱加大截面、增加剪力墙、粘贴碳纤维布等方法。经过大量的工程实践，我们发现传统的加固方式存在一定的缺陷：对原建筑物的装修破坏较大，使建筑的使用面积减少等。隔震技术是在结构底部与基础面之间设置橡胶隔震垫装置，使上部结构与固结于地基中的基础分离，阻隔地震波向上部结构传播的一种结构抗震技术措施。它具有水平刚度小、竖向刚度大的特点，可以延长结构的水平自振周期，增大地震波与建筑结构的卓越频率比，减小上部结构的地震反应，使建筑物只在地震作用下产生一定平动，当地震发生时，建筑物在橡胶垫上产生较大位移，整个结构的变形都集中在底部，整个结构处于平动状态和弹性状态，以柔克刚，既能隔震，又不影响结构的承载力，减轻地震灾害及次生灾害。

隔震技术用于既有建筑物的加固可以只在首层和地下进行施工，地上结构可以不做改动，可以避开对原建筑装修大部分的破坏和减少使用面积等弊端，并同时大幅度提高结构的安全度。下面针对隔震技术在多层砖混结构和多层框架结构抗震加固中的应用实例分别进行分析。

结构平面布置图

隔震技术在多层框架抗震加固中的应用实例

项目名称：某中学实验楼抗震加固工程。

工程概况：本项目为四层框架结构，1999年建造，建筑面积约3040 m2。采用钢筋混凝土独立基础，抗震设防烈度为Ⅷ度，建筑场地类别为Ⅱ类。根据工程抗震鉴定报告，该结构需要进行抗震加固。实验楼有大量的设备，业主希望在抗震加固中不破坏上部结构，为此我们采用基础隔震加固技术，下面对原结构和隔震加固结构进行对比分析。

根据抗震鉴定报告，本楼下面三个方面不满足相关规范要求：

隔震的计算分析

1.抗震设防要求

根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008），此实验楼属于重点设防类（乙类）。本工程抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度值为0.20 g。

2.场地条件

本工程设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35s，多遇地震下amax=0.16，罕遇地震下amax=0.90。

3.隔震方案技术可行性分析

（1）结构平面规则，高宽比为0.375，小于4，变形特征接近剪切变形，符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010，以下简称《抗震规范》）中12.1.3条第1款要求。

（2）建筑场地为Ⅱ类，满足《抗震规范》12.1.3条第2款要求。

（3）风荷载标准值与结构总重力的比值见下表，无其他非地震作用的水平荷载。风荷载标准值产生的水平力不超过结构总重力的10%，满足《抗震规范》12.1.3条第3款要求。

风荷载标准值与结构总重力的比值

4.隔震支座平面布置方案

本项目在±0.000标高处增设现浇钢筋混凝土楼板作为隔震层顶板，隔震支座沿框架柱进行布置，设置在隔震层顶板和基础之间，隔震支座顶标高均设置在同一标高，具体标高根据隔震层顶板梁高确定。本项目隔震支座平面布置图见上图。

隔震支座平面布置图

5.隔震结构动力分析

采用EtabsV9.7.0作为动力分析软件，选择两条天然波和一条按抗震规范反应谱合成的人工波，取三条波作用下包络值作为时程分析的代表值。在结构进行多遇和罕遇地震作用下的分析时，地震波的幅值按照Ⅷ度（0.2 g）抗震设防烈度调整到相应的多遇地震和罕遇地震水平，并取三条波作用下包络值作为时程分析的代表值。多遇地震下的波加速度时程曲线的峰值为70 gal，罕遇地震下的波加速度时程曲线的峰值为400 gal。根据规范要求，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均应超过振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的80%。

6.计算分析结果

（1）由计算结果可知，采用基础隔震技术后，层间剪力大大降低，最大层间减震系数小于0.40，可以将上部结构地震影响降低1.0度，设计采用的楼层地震剪力同时要满足《建筑抗震设计规范》第5.2.5条的最小地震剪力系数的规定。抗震等级降低后构造措施可适当降低。

（2）隔震前后结构周期比较

对非隔震结构和隔震结构进行了动力特性分析，分析取15个振型，振型质量参与系数满足规范要求。结果见下表。

非隔震结构自振特性隔震结构自振特性

（3）受压承载力验算

本工程隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压应力均小于12 MPa。

（4）罕遇地震下隔震支座最大水平位移验算

隔震支座的最大水平位移，小于0.55倍橡胶支座直径和3倍橡胶厚度。罕遇地震下隔震支座最大水平位移验算通过。

（5）隔震支座水平屈服荷载验算

隔震支座水平屈服荷载验算目的是保证在风荷载作用下隔震层不屈服，防止产生较大位移影响房屋的适用性。验算结果表明隔震支座满足要求。

（6）隔震支座在罕遇地震下的拉应力验算

在罕遇地震作用下，隔震支座未出

现拉应力。

施工工艺

1.隔震加固施工工艺流程

橡胶隔震支座施工工艺：±0.00顶板框架梁板模板支护→梁板钢筋绑扎→梁板浇筑混凝土→养护→绑扎并同时浇注上支墩→安装临时钢管液压支撑→切割隔震垫处框架柱→开始沉降观测→下支墩钢筋绑扎，浇注混凝土并同时安装下预埋板→调整下预埋板的位置并固定→安装隔震支座、固定→拆除临时钢管支撑→橡胶隔震支座的成品保护→隔震沟工程施工→沉降观测。

2.隔震层橡胶隔震支座施工

隔震层梁、板混凝土完成并达到设计强度后，进行临时支撑的加固，完成后进行框架柱切割，按照先上后下的施工原则施工。

在进行隔震施工前要先将原框架柱进行编号，并计算出和标出每个编号框架柱的承载力值，依据承载力值进行液压支撑。

（1）放置支撑预埋板

・在放置隔震支座前，要进行荷载卸荷，每个支撑位置四周放置底板预埋板。

・隔震支座上支墩混凝土钢筋绑扎前放置隔震支座预埋板，以便预埋板套筒能放入钢筋笼内，并与钢筋绑扎牢固。

・放置预埋板前要先测量定位，依据每个框架柱编号以及图示尺寸重点控制好埋件中心的定位。

第四，结社交游。结社是清初士僧交往的重要方式，是士僧之间交游唱和的重要载体。社团是一个群体性组织，可以推进禅学的学习与传播，激发相似的情感体验，对于带有遗民色彩的智朴、宦海漂泊的士大夫来说，确是一个心灵的归宿。目前只得两首相关诗文：

（2）放置钢管液压支撑

・钢管液压支撑放置前，要核对底埋板与上方混凝土支墩间净尺寸，依据实际测量尺寸进行下料，钢管规格为300无缝钢管，壁厚12 mm。

施工现场照片

・要待柱上支墩混凝土强度达到设计强度后，方可放置临时支撑钢管。

依据隔震框架柱平面编号图进行钢管支撑，钢管底埋板放置要保证牢固平稳，钢管放置前先放置自锁式液压千斤顶，依据每个柱子最大承载力值调好数值，并自锁，设专人进行检查看护。

同时，依据沉降观测点进行切割前的观测，并记录数值。

（3）切割框架柱

・框架柱切割前要检查钢管临时支撑是否牢固，以及液压千斤顶数值是否有变化，如有要立即停止切割，报项目技术负责人，由技术负责人及安全员和施工负责人共同检查具体变化原因，并及时排除隐患，做好记录。同时做好沉降观测点布置和测量。

・切割前要依据标高线弹好切割控制水平线，隔震支座高度误差要在5 mm允许误差范围内，不得超出误差值。

・切割框架柱要严格按照平面图框架柱编号顺序进行，采取先单数后双数的切割顺序进行。即先切割编号为①、③、⑤……的框架柱，再进行编号为②、④、⑥……的框架柱的切割，不得同时进行框架柱的切割作业。

・每切割一个要进行观测测量，如测量值超出允许偏差值，要立即停止作业，通知设计到场进行勘验。并利用备用自锁千斤顶进行支撑，稳固后作业人员要撤出施工现场。观测记录员要随时进行沉降观测，并记录。

（4）下支墩增大截面

・框架柱切割完成后，对原框架柱下端进行柱增大截面及下支墩的施工，按照钢筋绑扎和浇筑混凝土要求施工。

・混凝土要及时养护，保证强度达到设计要求。

（5）安装隔震支座

・支座安装前放置上下预埋板，预埋板安装精度；倾斜角1/500以下。

・下预埋板施工：在安装下预埋板之前，首先在基础底板上标识出支墩的中心线，在四周墙壁上标识出下预埋板的标高控制线，根据此中心线和标高控制线确定下预埋板的位置，通过在隔震下支墩四角焊钢筋棍的方式来调整下预埋板的标高、位置及平整度，要求钢筋棍断面平齐且焊接后顶面标高相同，以保证下预埋板可以在钢筋棍上平动，从而确定下预埋板的准确位置。用短钢筋分别与螺栓套筒和支墩箍筋焊接，将下预埋板固定。其位置通过轴线和中心线确定，水平标高用标高控制线控制。水平度用水准仪和机械水平尺检测。

（6）钢管支撑拆除

・隔震支座放置完成后，逐步拆除临时钢管液压支撑，支撑拆除也要采取每隔一组拆除一组的原则进行。

・拆除支撑同时做好隔震支座检查工作，发现有变化要停止拆除，通知设计及专业厂家到场进行查看，以保证隔震的稳定性。

结论

隔震施工完成后，学校能进行正常的教学活动。经过一段时间的跟踪观察（见下图、下表），各种指标均属于正常。