混凝土结构抗震加固技术与方法

2019-11-12唐曹明吴乐乐罗瑞

城市与减灾 2019年5期

唐曹明吴乐乐罗瑞

引言

地震是世界上最大的自然灾害之一，具有巨大的破坏力，且伴随着较多的次生灾害，对人民的生命财产造成巨大损失。而我国处于地球最活跃的两个地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是地震多发的国家之一。因此如何在地震发生过程中保护人民的生命财产安全，是一个永恒的话题。地震中建筑物的破坏是造成生命财产损失的主要原因之一。我国既有建筑面积超过400亿平方米，且大部分建成于20世纪80年代前，已进入了“老年期”。限于当时的经济、技术条件，设计标准偏低，因而该类建筑存在着抗震能力弱、能耗高、使用功能不足等缺陷。若对这些进入“老年期”的建筑全部进行拆除重建，则将带来巨大的经济损失并产生大量的建筑垃圾，造成环境污染。因此，提高早期既有建筑的抗震能力、改善使用功能、降低能耗显得尤为重要。目前主要的解决办法是对这类建筑物进行加固和改造。早期既有建筑结构类型主要是混凝土结构、砌体结构和少量钢结构工业厂房。混凝土结构占比较大，其抗震加固技术的研究得到了广泛的关注。本文结合既有混凝土结构的特点，归纳总结目前主要的抗震加固技术与方法，为工程技术人员提供参考。

检测与鉴定

（一）检测

混凝土结构的检测主要包括四个方面的内容：

1.结构现状调查。主要是针对结构构件实际尺寸与偏差、表面缺陷（如蜂窝、孔洞、露筋等）、裂缝、实际变形程度和损伤情况等的调查。

图1 检测流程

图2 鉴定流程

2.结构中钢筋性能检验。主要是对钢筋材质、配筋数量、碳化深度、规格以及锈蚀程度等进行检验。

3.混凝土强度检测。主要是对承重构件的混凝土抗压强度使用超声、回弹、钻芯取样等方法进行检验。

4.结构构件性能的实荷实验。主要用于对工程结构加固后的承载力、刚度或抗裂性能进行检验。检测流程如图1所示。

（二）鉴定

混凝土结构的鉴定主要包括两个方面的内容：

1.结构可靠性鉴定。按层次可以依次分为构件的可靠性鉴定、子单元的可靠性鉴定和鉴定单元的可靠性鉴定，每个层次的鉴定又均分为安全性鉴定和正常使用性鉴定。

2.抗震鉴定。指所有既有建筑都应按照现行国家标准《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023）或《构筑物抗震鉴定标准》（GB 50117）规定进行抗震鉴定。鉴定流程如图2所示。

抗震加固技术与方法

（一）基本原理

由上述动力方程可知，可通过减小质量（m）、增大结构刚度（k）、附加阻尼（c）以及减小地震动输入（x··g）来减小建筑物在地震作用下的反应，从而达到抗震加固的目的。

（二）主要技术与方法

1.直接加固梁、柱构件

该方法主要是针对结构构件承载力不足而进行的加固。可采用增大截面、外粘型钢、粘贴钢板或纤维复合材、钢丝绳网片- 聚合物砂浆外加层、增设支点以及外加预应力等方法。对偏压承载力不足的钢筋混凝土柱及受弯承载力不足的钢筋混凝土梁进行加固时，可采用增大截面、外粘型钢、钢丝绳网片- 聚合物砂浆外加层、增设支点和外加预应力等方法；对受剪承载力不足的梁、柱构件进行加固补强时，可采用增加箍筋、包钢板箍、粘贴纤维箍、钢丝绳网片- 聚合物砂浆外加层以及缠绕钢丝等方法；当受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷时，可采用置换混凝土方法对构件进行加固。这里，粘贴纤维复合材和钢丝绳网片- 聚合物砂浆外加层两种加固方法具有轻质高强、不占使用空间、施工方便、作业空间小、无污染等优点，是目前较常用的构件加固方法，同时也符合我国绿色设计的理念。如唐曹明等，在“中国国家博物馆老馆的加固改造结构设计”中即贯彻绿色设计理念，对屋面板采用钢丝绳网片- 聚合物砂浆进行加固处理，增加了屋面的承载能力和耐久性，取得了良好效果。

2.改变结构受力体系

这是一种 “减小构件荷载效应”的间接加固方法，主要是改变结构受力体系，调整结构传力途径，改善结构的整体性能和受力状态。如通过在建筑原有围护墙及分隔墙位置增设一定数量的抗震墙或在框架柱两侧设置翼墙，使原来的柔性框架结构改变为框架- 抗震墙结构或壁式框架结构；也可采用在原有框架中新加支撑，使原柔性框架结构改变为框架- 支撑结构。该方法降低原有框架分担的地震作用，从而在减少加固原框架梁、柱工作量的同时，提高结构整体抗震能力，达到抗震设防要求。本方法关键是要解决好新增墙体或支撑与原有框架的连接问题，应确保新增抗侧力构件与原有框架能共同工作。该方法具有不影响建筑使用功能、保持建筑原有风貌、工程量小、施工简单、理论成熟的特点，因而得到广泛的应用。如在中国国家博物馆老馆的加固改造结构设计中，为保持历史建筑风貌，沿结构纵向将原框架柱两侧的原有粘土砖围护墙换成钢筋混凝土翼墙，使之成为壁式框架，沿横向在两端分隔墙位置将原来砌体墙换成抗震墙，使原来的柔性框架结构转变为框架- 抗震墙结构，提高了整体结构的抗震能力。通过对全国政协礼堂部分框架之间和北京火车站候车大厅四角增设钢筋混凝土抗震墙，提高结构抗震能力。

此外，对于少数既有单向框架，可通过加强梁端钢筋的锚固改变为双向框架体系，同时增强楼盖的整体性和增设抗震墙、抗震支撑等，提高另一方向的抗震能力。对于不符合抗震鉴定要求的单跨框架结构，可在不大于框架- 抗震墙结构的抗震墙最大间距内增设抗震墙、翼墙、抗震支撑等抗侧力构件或将对应轴线的单跨改为多跨的方法予以加固。

3.取消建筑物间的伸缩缝，将原来相互独立的单体结构连成整体

早期的公共建筑很多由伸缩缝来分割成多个单体结构，由于伸缩缝间距过小，在地震作用时，往往造成单体之间的碰撞破坏甚至倒塌。对各个单体进行加固，工作量大，且在伸缩缝部位加固，空间小，施工困难，故可在伸缩缝处设置钢筋混凝土抗震墙，将两个甚至多个单体连成整体，从总体上综合考虑结构加固方案。如在国家博物馆的改造中，由于博物馆大楼体积庞大，各区功能又不相同，为尽可能减少加固现场作业量，将某几个独立区之间原伸缩缝取消，增设抗震墙将两侧结构连成一体，以达到整体加固的效果。

4.卸荷

在早期的公共建筑中，隔墙多为高大厚重的砌体墙，将其拆除换成轻质墙体，可以减轻结构的总重量，从而减小地震作用；另外，隔墙基本是根据建筑功能要求进行布置的，常常平面不对称，结构刚心与质心不一致，在地震作用下，造成扭转效应增大。将原刚度较大的砖墙换成轻质隔墙，也可减小地震作用下的扭转效应。该方法不会对建筑使用功能造成影响，是一种行之有效的方法。如在中国国家博物馆老馆的加固改造结构设计中，将原建筑物内上下层位置不对齐、高大厚重的黏土砖分隔墙拆除，换成轻质墙体，既减轻重量、减小地震作用，又减轻了因质心和刚心不一致造成的建筑在地震作用下的扭转反应。

5.消能减震

消能减震是在结构的适当部位附加耗能减震装置，小震时减震装置如消能杆件或阻尼器处于弹性状态，建筑物具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强烈地震作用时，随着结构受力和变形的增大，让消能杆件和阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻力，耗散输入结构的地震能量并迅速衰减结构地震反应。这样，极强地震能量的主要部分可不借助主体结构的塑性变形来耗散，而由控制装置耗散，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态而免遭破坏。另外，控制装置不仅能有效地耗散地震能量，而且可改变结构的动力特性和抗侧力性能，减少由于结构自振频率与输入地震波的卓越频率相近引起共振的趋势，从而达到减少建筑地震反应的目的。消能元件作为非承重构件，其损伤过程也是对主体结构的保护过程。该技术属于一种兼顾抗侧刚度提高和抗侧能力增大的被动控制技术，在大震时表现尤为突出。

消能减震技术主要是通过设置一定数量的阻尼器来实现，目前常用的是速度相关型阻尼器和位移相关型阻尼器。速度相关型阻尼器，其耗能能力与结构的速度反应相关，这类阻尼器主要包括黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器两类。位移相关型阻尼器主要是当结构进入较大变形时，阻尼器进入弹塑性阶段或克服初始摩擦力进行耗能，常见的有屈曲约束支撑阻尼器、金属剪切型阻尼器和铅摩擦阻尼器等。根据阻尼器的布置来确定结构附加阻尼比是加固的关键，消能部件的附加阻尼比可以根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011）相关公式确定。

图3 消能支撑示意图及局部详图

图4 北京火车站黏性流体阻尼器-消能支撑

图5 北京展览馆采用的黏性流体阻尼器-消能支撑

图3为中国国家博物馆老馆消能支撑的设置。中国国家博物馆老馆通过消能装置的设置，各楼层剪力减小30%～40%，楼层层间位移角和加速度均有不同程度的降低，抗震能力得到提高。图4为北京火车站消能支撑的设置。北京火车站采用消能减震加固技术，消能器能吸收大量的地震能量，无须对框架进行加固，结构在地震作用下的变形明显减少，与周边结构的位移较协调，减少了发生碰撞的可能。图5为北京展览馆采用的黏性流体阻尼器- 消能支撑。

本方法构造简单，无须外部能量输入和无特殊的维护要求，且对原有建筑布局影响甚小，在公共建筑的抗震加固上应用前景广阔。同时消能装置减震技术的应用为既有框架建筑的性能化设计，为各个性能水准的实现提供了有效的技术支持。

6.隔震

隔震技术是在建筑物基础（下部）与上部结构之间设置一层隔震层，把上部结构与基础（下部）隔离开，隔离地面运动能量向建筑物上部传递，减小地震反应。

隔震技术在混凝土结构加固过程中涉及的关键元件为隔震支座。隔震支座具有很大的竖向刚度和较小的水平刚度，在地震作用下，支座发生较大变形，进入塑性状态，使结构具有较大的基本周期，从而减小了地震作用。

图6、图7分别为传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物的反应。在计算分析时要确定隔震支座的性能指标以及混凝土结构的水平向减震系数，其中对原有结构的托换顶升是隔震加固设计的关键。隔震加固的施工是整个抗震加固工程成败的关键，须严格按照流程进行，其一般的施工流程如图8所示。南京博物院老大殿隔震加固和都江之春隔震加固是该技术的应用典范。同时隔震装置具有可更换、便于检修的特点，属于可回收材料和污染小的新型材料，也是一种绿色环保的加固措施。

7.附加子结构

附加子结构加固就是利用附加子结构与原有结构的协同工作,增强原结构的整体抗震能力,或改变原结构的结构体系,进而改善原结构的受力状态和变形模式,从而提高结构的整体抗震性能,也是一种结构体系的加固方法。外部附加子结构加固方法，就是在既有建筑外部附加一部分子结构，将外部附加子结构作为第一道抗震防线,提高整体结构的抗震性能。该加固方法主要有，附加整体钢支撑子结构加固、附加摇摆墙加固、既有结构之外再建造新的钢筋混凝土框架并与原结构相连以进行抗震加固、采用贯通结构全高的附加斜拉柱进行加固等方法。

图6 传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物的反应

图7 传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物内人及物的反应

图8 混凝土结构隔震加固施工流程图

尹保江等，通过对外部附加带框钢支撑强连接与弱连接两种模式加固框架结构抗震性能试验研究，得出外部附加带框钢支撑加固法能大幅度提高框架结构抗震承载力，并能有效限制结构的层间位移，钢支撑作为抗震第一道防线，增加了结构整体抗震的冗余度。但试验中，加固模型钢支撑底部锚固失效，影响了钢支撑承载能力的发挥，下一步需要对钢支撑基础锚固问题加强研究。

外部附加带框钢支撑加固的应用如图9所示，通过对新西兰某建筑，在建筑平面南北两侧对称地设置带框钢支撑，底部三层新增剪力墙，钢框梁与楼层框架梁之间利用高强螺栓锚固连接的加固方法，大幅度提高结构的抗侧刚度和抗震承载力，同时减少了结构扭转反应。

本方法最大特点就是在建筑外部进行施工，重量轻，几乎不影响建筑内部使用功能，从而达到降低施工成本，缩短施工周期的目的，同时外部子结构易于维修和更换，其子结构的造型可以配合装饰，使既有建筑呈现出现代感，提升结构的使用价值，这也体现了减少建筑加固工程量、最大限度地节约资源、贯彻绿色设计的理念。

8.增设摇摆墙

摇摆结构也是一种外部附加子结构的新型抗震结构体系。通过释放某些部位的约束，允许结构相应位置发生相对位移，从而改变构件的受力状态，改善结构的抗震性能。摇摆结构体系分为摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构、摇摆及自复位钢框架结构、摇摆及自复位剪力墙结构、摇摆框架- 核心筒结构等。框架- 摇摆墙结构是摇摆结构的一种，摇摆墙能够绕着墙底连接件发生面内转动，墙体底部约束的释放降低了对基础的承载力需求，同时能有效避免地震作用下墙体的损伤。具有较大刚度的摇摆墙能有效地控制结构的变形模式，防止出现变形和损伤集中。在框架- 摇摆墙结构中增设阻尼器和预应力钢筋可分别增加其耗能能力并减少震后残余变形。其简化模型如图10所示。

董金芝等，对两种摇摆墙结构（基于SMA装置的框架- 受控摇摆墙结构和框架- 预应力摇摆墙结构）进行了抗震性能试验研究。研究表明，摇摆墙结构承载能力和耗能能力均显著增加，耗能连接件有效发挥了延性变形特性，显著提高了试件的耗能能力，有效减轻了梁端、柱端以及梁柱节点区的损伤，且制作成本较低，安装方便，损坏后便于更换。框架- 预应力摇摆墙能有效改善框架结构的变形模式，使得各层的层间位移趋向均匀，实现了结构整体性破坏模式，避免了层倒塌模式。但试验中摇摆墙未进行局部加强，出现了整体结构较早发生性能退化，以及摇摆墙底部局部压溃的现象。

图9 外加带框钢支撑加固图

图1 0 摇摆墙框架体系模型

吴守军等，给出了在特定假设（框架采用剪切梁代替，剪切刚度为常数，仅考虑梁的剪切变形而忽略弯曲变形；摇摆墙采用弯曲梁代替，抗弯刚度为常数，仅考虑梁的弯曲变形而忽略剪切变形；两根梁之间紧密接触，轴向力在交界面连续分布）条件下，框架- 摇摆墙结构的分布参数模型。该模型能系统地分析框架- 摇摆墙结构的受力性能，并给出外荷载作用下摇摆墙、框架的内力分布。但分布参数模型基于弹性假定。在强震下，结构会进入塑性阶段，框架- 摇摆墙结构受力状态可能出现一定程度的改变。因此，分布参数模型并不适用于框架-摇摆墙结构进入弹塑性后的受力分析。山东某医院通过增设摇摆墙和阻尼器的方法进行了加固。图11为某医院摇摆墙加固现场施工照片，图12为摇摆墙加固计算模型图。

利用ABAQUS有限元对加固模型进行了分析，可知摇摆墙能有效控制结构变形，使塑性铰的分布更加均匀。摇摆墙中预应力的施加有助于减小残余变形，实现结构自复位能力。

图11 摇摆墙加固现场施工照片

抗震加固技术选用原则

（一）在安全、可靠、经济的前提下，挖掘既有结构构件的潜力，充分利用原结构构件、施工场地中现有材料。

（二）选择加固体积小、可循环利用、易于更换、耐久性高、环保的材料。

（三）抗震加固方案应根据鉴定结果经综合分析后确定，以加强整体性、改善构件受力状况、提高结构综合抗震能力为目标。

（四）宜采用简约、功能化、轻量化。有条件时，优先采用消能减震、隔震等结构控制技术。

总之，加固方法的合理选用，应充分了解各种加固技术的原理和适用范围。一般来说，直接加固结构构件的方法成熟，可以处理各类加固问题，但工程量大，施工影响面广，施工周期长；方法2～方法8对原结构损伤较小，其中方法4～方法8还便于今后更换与拆卸，可用于有可逆性要求的保护性建筑的加固与修缮。在加固设计中，应尽可能地保留和利用原有结构构件，减少不必要的拆除和更换，使所采用的加固措施发挥综合效益，提高加固效率。