设防烈度调整后既有建筑抗震加固对策与方法

薛彦涛

设防烈度调整后既有建筑抗震加固对策与方法

薛彦涛

薛彦涛，中国建筑科学研究院，研究员，博士。建筑抗震设计规范编制组成员、消能减震加固设计规程主编、隔震建筑设计规程编制组成员。现任中国中国建筑学会抗震防灾分会理事、中国建筑学会高层建筑结构专业委员会委员、抗震加固改造技术专业委员会委员，中国建筑学会结构减震控制委员会委员。主持和参与科技部八五科技攻关项目“中高层建筑耗能减震的研究”、十一五项目“大型及重要建筑抗震计算理论与试验技术研究”和二十五项目“建筑抗震前沿理论与技术研究”。获国家科技进步二等奖、住建部华夏建设科学技术一等奖、二等奖。在既有建筑的鉴定与加固改造工作方面进行了大量的研究与工程应用工作，主持或参加了全国政协礼堂、北京火车站、北京饭店西楼、北京大学仿古建筑群、301医院病房楼等建筑的抗震鉴定与加固工作。在减隔震技术方面成绩突出，主持研发金属消能减震器，获多项发明专利，产品在北京轨道交通指挥大厦、海南椰风酒店、301医院等工程中大量应用，负责成都凯德风尚小区高层住宅隔震设计、山西忻州市中小学校舍隔震加固设计咨询工作。

概述

第五代《中国地震动参数区划图》即将颁布实施，全国部分区域抗震设防烈度将有所改变。第一，全国范围建筑都应进行抗震设计，最低的抗震设防烈度为Ⅵ度，个别原不设防地区甚至调到Ⅶ度（0.10g）；第二，部分Ⅵ度区调整到Ⅶ度(0.10g)，少数区域调整到Ⅶ度半（0.15g），个别区域调至Ⅷ度（0.20g）；第三，部分Ⅶ度（0.10g）调到Ⅶ度半（0.15g），少数调到Ⅷ度（0.20g）；第四，部分Ⅶ度半（0.15g）调到Ⅷ度（0.20g），个别区域降低到Ⅶ度（0.10g）；第五，部分Ⅷ度（0.20g）调到Ⅷ度半（0.30g），个别区域降低到Ⅶ度半（0.15g）；第六，Ⅷ度半（0.30g）和Ⅸ度区维持不变。这次地震动参数区划的变化特点是Ⅶ度以下的中低烈度区变化较大，Ⅷ度以上的中高烈度区变化较小。

带来的问题

设防烈度提高后，原既有建筑面临的问题是：其一，建筑物承受的地震作用将大幅增加，地震动提高0.05g的区域，地震作用将提高1.5倍；地震动提高0.10g的区域，地震作用将提高2倍；地震动提高0.15g的区域，地震作用将提高3倍。建筑物承载能力将严重不足，结构抗变形能力也会不足。其二，随着烈度提高，建筑物延性不足，需提高建筑物的抗震等级，地震动提高0.10g及以上的区域幅度将从提高一级到提高二级不等。对地震动提高0.05g的区域，如果跨烈度，如Ⅶ度半（0.15）提高0.05到Ⅷ度（0.20），抗震等级也将提高一级，否则抗震等级不变。

建议对策

针对地震动参数区划图的变化，对建筑物分轻重缓急进行抗震鉴定，根据鉴定结果采用相应加固措施。具体建议如下。

第一，对原不设防区的建筑进行全面抗震鉴定，采取合理措施，使建筑具备抗震能力。

第二，对原设防烈度调高较多（地震动峰值加速度提高≥0.10g）的地区，应对建筑进行抗震鉴定，并采取加固措施，提高抗震能力。

第三，地震动峰值加速度提高0.05g的地区，可对重点建筑进行抗震鉴定，采取加固措施，提高抗震能力。对于其他建筑，在进行修缮、改造时，再进行抗震鉴定。

重点加固对象

第一，未采取抗震设防措施的已建成的建筑物、构筑物，应当按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，并采取必要的抗震加固措施。1997年由全国人大常委会通过的《中华人民共和国防震减灾法》中明确规定，这一类建筑物包括：重大建设工程；可能发生严重次生灾害的建设工程；具有重大历史、科学、艺术价值或者重要纪念意义的建设工程；人员密集场所的建设工程；地震重点监视防御区内的建设工程。

第二，抗震设防烈度提高的省会级城市的建筑物应该通过抗震鉴定予以确定，抗震能力严重不足的，应及时采取加固措施。

第三，各地区抗震加固的重点建筑包括中小学校舍、幼儿园、医院建筑、城市生命线工程和易造成次生灾害的工程等。

加固方案的选择

加固方案需根据房屋的抗震鉴定结果确定，加固时应充分考虑建筑物的抗震安全性，同时兼顾其使用性和经济性要求。

抗震设防烈度提高后钢筋混凝土结构和钢结构的首要问题是整体结构变形可能不满足规范要求（砌体结构没有这种情况），加固措施以增加结构刚度为主。一种方法是在结构中增设混凝土墙和钢支撑，这种方法可以很好地解决以上问题；另一种方法是采用消能减震方法，它可以同时增加结构刚度和结构阻尼，结构阻尼的增加可以有效降低地震作用力，对罕遇地震下结构的抗倒塌很有帮助；还有一种方法是增加构件截面面积，这种方法通常结合构件加固进行，但对刚度提高有限，加固量大。

其次是结构构件达不到规范要求，可能有3种情况：一是构件承载力不满足要求，构造措施满足要求；二是构件承载力满足要求，构造措施不满足要求；三是两者都不满足要求。

加固方案选择须综合考虑。

首先，少数构件不满足承载力要求时，可采取构件直接加固的方法，同时解决承载力与构造措施两个问题。

其次，大量构件不满足承载力要求时，应采用有效降低构件地震作用力的方法加固，可采取结构体系转换法、消能减震加固法。对于混凝土框架结构，可增加抗震墙，转变成框架抗震墙结构；对于钢框架结构，可增加支撑，转变框架支撑结构。增加的抗震墙和支撑可有效降低原构件承担的地震作用力，使构件原承载力就可满足要求，而无须加固或加固量很少。消能减震加固法不改变原结构体系，可以为结构提供附加刚度和附加阻尼，一方面降低了结构的地震作用力，另一方面消能部件还可分散地震作用力，使原结构构件承担的地震作用力减小。砌体结构采用降低地震作用力方法加固时，采用隔震加固效果显著。

第三，大量构件构造措施不满足要求时，可考虑采用基于性能的加固设计方法。此种方法通常采用消能减震技术提升结构性能，使结构满足大震时的性能要求，如大震轻微破坏，实现降低构造措施的目标。砌体结构则应采用隔震加固方法，可将地震作用力降低一半以上，从而实现降低构造措施的目的。

最后，承载力与构造措施均不满足时，消能减震加固或隔震加固应该是最好的选择，转换结构体系加固在构造措施变化相差不大时也是一个选择。砌体结构则只可采用隔震加固方案。

加固技术简述

混凝土结构加固

针对钢筋混凝土结构的抗震加固，主要有以下几种加固方法。

1.增大截面法

又称为外包混凝土加固法，即通过在原混凝土构件外叠浇新的钢筋混凝土，增大结构构件截面面积及配筋，达到提高结构的承载力和刚度的目的。增大截面法适用于混凝土柱、板、梁等结构构件。增大截面加固法可提高构件刚度，解决构件的抗弯、抗剪承载力不足的问题，也可同时解决抗震构造不足的问题。

2.外包钢加固法

是在加固构件四周包以角钢，从而提高构件承载力的一种加固方法。分干式外包钢和湿式外包钢两种形式：干式外包钢法，是指角钢直接包于被加固构件的四周，或虽然填塞有水泥砂浆，但不能保证结合面能有效地传递剪力；湿式外包钢法，是指在角钢和被加固构件之间留有一定的间隙，间隙用乳胶水泥砂浆或注入结构胶填实，该方法可以在几乎不改变构件截面尺寸的情况下显著提高构件的承载力，增大构件的延性和刚度。外包钢加固法适用于混凝土柱、梁等。外包钢加固对构件刚度提高不明显，可解决构件的承载力和构造要求。

3.改变受力体系加固法

通过增加结构抗侧力构件，如混凝土抗震墙、钢支撑等，改变在地震作用下结构的受力方式，将地震作用力的绝大部分，转由新增抗震墙和钢支撑承担，原结构构件承担较小部分的地震作用力，使构件原有的承载力满足抗震要求，由此达到对原结构的加固目的。改变受力体系加固法对提高结构承载力有很大帮助。混凝土框架后加抗震墙后成为框架抗震墙结构，框架的构造措施可有所降低。该方法的缺点是抗震墙的施工较困难。

4.粘钢加固法

用黏结剂（结构胶）把薄钢板粘贴在混凝土构件的表面，使钢板与混凝土协同工作的一种加固方法，主要用于混凝土构件的抗弯承载力和抗剪承载力加固，也可解决构造问题。

5.粘碳纤维加固法

与粘贴钢板加固法类似，粘碳纤维加固法是指用黏结剂把碳纤维片材粘贴在混凝土构件的表面，发挥碳纤维高强抗拉作用，替代钢材。该方法主要用于混凝土构件的抗弯承载力和抗剪承载力加固。研究表明，混凝土柱采用粘碳纤维整体缠绕加固时，可以极大提高其延性。砖混结构加固

砌体结构在我国量大面广，是20世纪70年代以前未按抗震设防要求设计的构件的主要结构形式，其加固方法主要有以下几种。

1.圈梁构造柱加固

在结构外增设混凝土圈梁和构造柱，它能有效地提高砖墙的承载力和延性性能，是20世纪90年代以前的主要加固方法之一。该方法可解决砌体结构构造问题，但对结构承载力提高有限。

2.钢筋网水泥砂浆法

在砖墙的两面敷设钢筋网片后抹上高强砂浆面层，形成组合墙体，即俗称的“夹板墙”，可大大提高砖墙的承载力，但不能解决构造问题。

3.混凝土板墙加固

20世纪90年代砖砌体结构逐渐采用混凝土板墙加固技术。该方法是在砖墙面上敷设一层60 ～80 mm厚的配筋混凝土薄墙板，与砖墙共同工作，一方面可以大大提高砖墙的抗震承载力，另一方面还可以起到圈梁和构造柱的作用。

高强不锈钢绞线网+高强聚合物砂浆加固技术

高强不锈钢绞线网+高强聚合物砂浆加固方法是近年来开发的新型加固技术。该方法是将预先编织好的高强不锈钢绞线网张紧，用膨胀螺栓固定在被加固的混凝土构件表面，然后抹20 ～40 mm厚高强聚合物砂浆。其原理是通过高强聚合物砂浆与被加固构件混凝土面的黏合力，将被加固构件所受到的外载荷作用力，传给高强不锈钢绞线承担。

清华大学首先进行了该项技术的钢筋混凝土构件抗弯加固和抗剪加固的试验研究，取得很好的加固效果，不仅抗弯承载力和抗剪承载力可以得到明显提高，而且抗弯刚度也能够得到显著提高。中国建筑科学研究院工程抗震研究所进行了该技术的混凝土柱、砖墙和混凝土框架节点的加固研究，同样取得满意效果。同时耐火试验表明，该加固方法具有很强的耐火性，完全达到防火要求。

高强不锈钢绞线具有强度高（通常是普通钢筋的3～7倍）、不生锈等优点。聚合物砂浆为无机材料，与混凝土材料具有良好的黏结性能，并且具有耐久和耐火的特点。目前，该技术已成功应用于北京中国美术馆、北京师范大学（原辅仁大学）北校教学楼、厦门郑成功纪念馆等建筑的抗震加固中。

该方法适用于混凝土构件加固和砌体结构的加固，可有效提高构件的承载力。

基础隔震技术

基础隔震技术是在上部结构和基础之间设置隔震装置，阻隔地震能量向上部结构传递，从而减少结构地震反应力的一种抗震技术。常用的隔震支座有橡胶隔支座、铅芯橡胶支座、弹性滑板支座等。隔震加固可以极大降低上部建筑受到的地震作用力，当地震作用力减到原结构的40%时，结构的抗震措施可按降低一度取，这对烈度提高一度地区的建筑的抗震加固是经济有效的选择。该方法缺点是施工难度稍大，后期需要维护。

目前，隔震技术广泛用于国内外建筑抗震加固中。国外，美国盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑采用了此法进行加固。日本对一些办公楼、历史文物建筑等公共建筑也采用了隔震技术进行加固。国内，在中小学加固中首次采用了该项技术，山西省忻州市10万平方米中小学建筑采用了隔震加固技术，其中包括混凝土框架建筑和砌体建筑。隔震加固后，上部结构不需要再加固，隔震技术取得显著的经济效益和社会效益。

消能减震技术

传统的抗震设计方法是靠结构的延性来耗散地震能量。但问题在于结构受到一次强烈地震时，结构构件在利用自身的延性耗散地震能量的同时，也会受到严重的损伤。为了解决这个矛盾，在结构上附加各种阻尼器，通过阻尼器大量耗散地震输入到上部结构的能量，从而达到保护主体结构免遭破坏的目的。常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏滞液体阻尼器等。

消能减震技术近年被大量应用在已有建筑物的抗震加固上，与传统的加固技术相比主要优势有：一是施工现场无湿作业，基本不影响原建筑的正常使用功能；二是能在保持原建筑外貌不变的前提下，实现提高抗震能力和改善使用功能的协调；三是消能效果明显，结构经过合理的设计，可以满足各种设防烈度下的抗震要求；四是可以有效地节约经费和缩短工期。基于以上优势，消能减震技术在建筑物的抗震加固中的应用前景十分广阔。

北京饭店抗震加固

我国1998年启动的首都圈防震减灾示范区中，北京的一些标志性建筑如北京火车站、北京饭店、北京展览馆、中国历史博物馆、中国革命历史博物馆、京西宾馆等国家重点工程等采用黏滞阻尼器加固。采用这种阻尼器，只提供附加阻尼，不改变结构周期，因此加固后可以有效降低结构受到的地震作用力，使原结构的承载力满足抗震要求，同时解决了构造不足的问题。

屈曲约束支撑是一种性能优良的金属阻尼器，目前在国内大量采用，抗震加固中尤其多。金属阻尼器可以提供附加阻尼和附加刚度，当结构变形较小时只提供附加刚度。加固后，多遇地震下，支撑的作用就是普通钢支撑的作用，可以提高结构刚度，分担大量地震作用力，使原结构构件承担的地震作用力减小，达到加固目的。在罕遇地震下，支撑可以提供附加阻尼，减小结构变形，实现结构的性能目标，为性能化加固设计创造条件。北京301医院某医学中心、中国军事博物馆、北京后沙峪小学等，均采用了屈曲约束支撑加固，同时解决了构造不足的问题。

基于性能化的加固设计方法

抗震构造不满足要求时宜采用基于性能化的加固设计方法。该方法的基本思路是通过提高结构的承载能力，使结构满足罕遇地震下的性能目标，从而降低结构对延性的需求，使抗震构造措施降低成为可能。

《建筑抗震设计规范》（GB 50011）对结构性能水准规定了4个等级，在不同设防水准的地震作用下的目标要求见表1。

表1　结构性能目标

针对性能目标，《建筑抗震设计规范》（GB 50011）还给出量化指标，规定了结构竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角（见表2）。实际操作时，可按照表2中罕遇地震下的层间位移角，确定结构的性能。例如，钢筋混凝土框架结构在罕遇地震下弹塑性层间位移角满足1/250时，为性能2。

表2　结构竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角

确定结构性能水准后，可按表3确定抗震等级。结构中同一部位的不同构件，可区分竖向构件和水平构件，按各自最低的性能要求所对应的抗震构造等选用。

表3　结构构件对应于不同性能要求的构造抗震等级

设计中通常利用性能2和性能3来降低构造措施。以钢筋混凝土框架结构为例，采用消能减震方法加固，提高结构承载力，进行罕遇地震下弹塑性分析，楼层层间位移角小于1/250时为性能2，结构的构造措施可以降一度采用。如果罕遇地震下的层间位移角小于1/120时为性能3，则还要提高地震作用一倍，进行强度验算，此时可不考虑地震作用效应调整，满足要求，则构造措施降一度采用。

结语

第五代《中国地震动参数区划图》实施后，全国部分区域抗震设防烈度将有所提高，大量建筑物的抗震性能将不能满足抗震设防烈度提高后的抗震要求。针对这种情况，应先进行抗震鉴定，根据鉴定结果采取相应的加固措施，可采用构件直接加固法、转变结构体系加固法、减隔震技术加固法等，加固时应充分考虑建筑物的抗震安全性，同时兼顾其使用性和经济性要求。