既有建筑外加子结构加固技术与工程应用

2019-11-12尹保江

城市与减灾 2019年5期

尹保江

既有建筑的现状及传统抗震加固方法存在的问题

历次震害表明，建筑的损伤破坏是造成人员伤亡和财产损失的主要原因，而既有建筑的抗震加固是减轻灾害损失的有效手段。新中国成立后建成的建筑陆续达到或接近设计使用年限50年，且原有建筑未抗震设防或抗震设防水平较低，需要进行抗震加固；2008年“5·12”汶川地震后，医院和中小学校等建筑的抗震设防类别提高；新一代《中国地震动参数区划图》颁布后，不少地区的抗震设防参数进行了调整。这些因素都造成了我国数量巨大的既有建筑需要进行抗震加固。

中小学因其特殊性，可以利用寒暑假时间完成抗震加固工作；而医院等公共建筑作为公共服务的载体，其使用功能不允许中断，决策者无法面对停业造成的社会影响和经济损失，使得加固进程受阻。

另一方面传统的抗震加固方法虽然能有效地减轻地震灾害，但是存在着周转安置、建筑功能中断、内部装修和贵重设备保护及再安装、环境污染、投资大、湿作业多、工期长等问题，即使采取隔震加固方案，也存在着建筑构造措施和设备连接改造（包括基础隔震层土方开挖和楼电梯、上下水等设备管线改造）、影响使用的问题，因此既有建筑的抗震加固与施工期间的使用功能延续存在较大的矛盾。

公共建筑外加子结构抗震加固方法的提出

鉴于传统抗震加固方法拆改工作量大、造价高、周期长、建筑使用功能中断等局限性，基于建筑承受的水平地震作用按不同抗侧力构件刚度分配的原则，分析国内外抗震加固的现状，提出在公共建筑外部附加刚度较大的子结构，通过可靠的措施，使子结构与主体结构连成整体，与主体结构共同抵抗地震作用。

这种加固方法的工作原理是地震来临时，刚度较大的子结构作为第一道抗震防线，分担大部分的地震作用，同时由于外加子结构不承担结构竖向荷载，因而地震时允许发生较大的损伤，地震后可进行快速更换；而主体结构承担竖向荷载和部分地震作用，在保证受力和变形符合规范要求的情况下，抗震加固的工作量大幅度减少，甚至可以不加固。这样就避免了建筑内外装修和设备设施的拆改与恢复，大大缩短工期，降低工程造价，减少建筑垃圾的产生和环境的污染，是一种低成本、低影响、绿色、环保的抗震加固技术。同时，结合既有建筑的现状分析，合理地设置外加子结构，可以减少既有建筑的上下层刚度突变、平面扭转等不利影响，是一种综合效益显著的改变结构体系的抗震加固新技术。外加子结构种类较多，包括摇摆墙、外加钢支撑、格构墙等。本文选取施工快捷高效并易于震后更换的外加带框钢支撑（图1）进行介绍。

公共建筑外加子结构抗震加固方法的试验研究与理论分析

（一）模型设计

基于上述原理分析，按照74版《建筑抗震设计规范》设计了一栋五层钢筋混凝土框架结构（平面如图2所示），选取框架柱截面变化的上下相邻两层中的框架为研究对象，按照1:2比例制作3榀框架模型，混凝土强度等级为C20，箍筋间距为200mm，梁柱节点内未设置箍筋，以模拟老旧框架柱箍筋间距较大的情况；加固使用的钢框梁柱和支撑为HW150×150×7×10型钢，钢梁、钢柱与支撑之间均采用剖口焊接连接，焊缝等级为二级，型钢设计强度等级为Q345，并在斜撑中部腹板和翼缘处以切割的方式进行局部削弱。

图1 外加子结构加固示例

图2 原型标准层结构平面布置图

试验模型分为三种，用于模拟地震加载试验和数值计算，其中，模型一为未进行任何加固的钢筋混凝土框架对比模型；模型二和模型三是对模型一的钢筋混凝土框架附加了带框钢支撑子结构的加固模型，二者的区别在于附加钢框架与混凝土框架的连接方式不同。模型二外加子结构的梁、柱与钢筋混凝土框架梁、柱之间均采用一定间距的栓钉锚固并浇筑混凝土的强连接模式，而模型三采用弱连接模式，即外加钢框梁与原有钢筋混凝土梁之间仅采用高强螺栓连接，且外框柱仅在底部与钢筋混凝土基础有连接（模型如图3、图4所示）。

（二）模型的试验研究与理论分析

试验在中国建筑科学研究院大型结构试验室完成。

理论分析采用ANSYS10对试验模型进行模拟分析。

1.模型一试验结果与有限元分析

通过模拟地震作用的低周反复荷载试验模型一最终破坏形态如图5（a）所示，破坏形式为框架一层梁柱节点剪切破坏，从损伤分布上来看，裂缝主要集中在一层，二层裂缝较少；梁柱节点区域与框架柱裂缝较多，框架梁裂缝较少，这是由于框架结构梁柱节点区域未设置箍筋，导致该部位发生塑性损伤集中。

有限元模拟分析的应力图如图5（b）所示，与模型试验现象基本吻合。

2.模型二试验结果与有限元分析

模型二最终破坏形态如图6（a）所示，与模型一相比，模型二的破坏不再集中于一层梁柱节点，而是集中在框架柱底部，这是由于外加带框钢支撑刚度较大，限制了框架的层间变形，弱化了原有构造缺陷的不利影响；而框架柱根部集中损伤，主要是因为钢支撑吸收的地震作用较大，大震时钢支撑底部锚栓发生黏结滑移，导致钢支撑逐步退出工作，相连的框架柱内力增大，并发生弯曲扭转破坏。

有限元模拟分析的应力图如图6（b）所示，与模型试验现象基本吻合。

3.模型三试验结果与有限元分析

图3 模型一

图4 模型二

图5 模型一试验损伤情况及滞回曲线、有限元模拟分析

图6 模型二试验损伤情况及滞回曲线、有限元模拟分析

模型三最终破坏形态如图7（a）所示，与上述模型相比，模型三的破坏分布相对均匀，一方面是由于外加带框钢支撑刚度较大，弱化了原有构造缺陷的不利影响；另一方面是针对模型二的损伤情况，对构造措施进行了改进，将两根斜撑之间留有适当间距，其中的梁段作为耗能梁段，从而减轻了支撑底部锚栓的粘结失效，保证钢支撑能持续发挥作用。

有限元模拟分析的应力图如图7（b）所示，与模型试验现象基本吻合。

4.模型加固前后的对比分析

三个模型的力-变形曲线如图8所示。通过对比试验和有限元分析结果可得出如下结论：

1）强连接加固模型二和弱连接加固模型三抗震承载力提高系数分别为3.62倍和2.66倍，耗能能力提高一倍，损伤分布更加均匀，证明了这两种外加子结构加固方式的可靠性和有效性。

2）强弱两种连接构造方法均能很好地保证原结构与子结构之间可靠连接，实现二者在地震作用下的协同工作。尽管弱连接模式承载力提高幅度略低于强连接模式，但其加固模型承载力衰减缓慢，延性非常好，主体结构损伤较小，且施工快捷，更适于医院等公共建筑的抗震加固。

3）对于既有老旧框架结构中梁端柱端和节点箍筋间距较大的情况，外部附加带框钢支撑提高了结构的刚度，限制了层间位移，减少了节点集中损伤情况，因此可以不必按照构造措施要求逐个加固梁柱节点，大大减少了加固工作量，提高了结构的整体抗震性能，从而保证了外部加固方法的可行性。

4）有限元模拟分析时，假定钢支撑底部为固定端，但由于钢支撑刚度较大，钢支撑基础锚固部位出现应力集中现象，导致试验中发现水平加载较大阶段基础梁出现反拱、开裂情况和支撑底部锚固钢筋发生滑移、基础混凝土压碎，因此后续工作应加强相关节点连接和基础锚固的研究。

工程应用

该技术已经应用于北京中医医院师承楼、北京市西城区残疾人职业康复中心和中国驻新西兰大使馆等工程的抗震加固中，本文以北京中医医院师承楼抗震加固工程为例，介绍外加子结构在抗震加固工程中的应用。

图7 模型三试验损伤情况及滞回曲线、有限元模拟分析

图8 三个模型骨架曲线对比

（一）工程概况

该工程最初为地上二层、地下一层的砖混结构。曾经过改造，作为餐厅使用，原有地上砖混结构拆除后改为二层钢筋混凝土框架结构，框架柱延伸至基础；在屋顶增加一层钢框架结构，并向西扩建二层钢筋混凝土单跨框架结构，扩建部分基础为柱下独立基础，平面扩建部分与原有结构之间设有变形缝。各层平面如图9所示。

图9 一、二层结构平面图

图10 示范应用—北京中医医院师承楼

根据使用功能需要，该建筑拟改造为医院专家门诊楼使用。根据《建筑抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）规定，医院建筑的抗震类别为重点设防类，因此出现了因使用功能改变导致的抗震设防类别提高的问题。同时，《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010（2016年版）将工程所在地的地震分组调整为第二组，场地特征周期延长。按照有关规定，该建筑在改造设计前需要进行抗震鉴定。