首都圈大型公共建筑抗震加固改造工程实践与回顾

2019-11-12程绍革

城市与减灾 2019年5期

程绍革

工程背景简介

1998年开始，国家计委正式启动“首都圈防震减灾示范区”重点国家项目。示范区包括北京、天津、河北部分城市，是我国政治、经济、文化中心，人口稠密，经济发达，同时又是我国东部地震活动较为频繁、地震灾害较为严重的地区，地震形势十分严峻。据调查，首都圈内中央机关所属行政、事业单位用房约600万平方米需要加固。其中，对北京地区的大型公共建筑拨出专款进行抗震鉴定、加固和改造。为配合实施该重点项目，国家计委和建设部还拨专款购置检测仪器设备、建设大型抗震试验室，开展相关的试验研究和技术开发工作。与此同时，《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—98）也于1999年3月1日正式实施，与《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—95）成为首都圈抗震鉴定与加固改造的技术支撑。

作为首都圈防震减灾示范区的地标建筑，如：北京火车站、中国革命历史博物馆、北京饭店、全国农业展览馆、北京展览馆、国家图书馆、中国美术馆等20世纪五六十年代或更早期建造的大型公共建筑，具有重要纪念意义而且仍在使用，其所容纳的人流密集、财产贵重。但这些建筑均未经抗震设防或达不到北京地区8度抗震设防的要求，而且多数达到设计使用年限，结构老化，一旦发生地震，将产生严重后果。此外，这些老建筑的使用功能相对落后，已经不能满足现代建筑功能要求。某些学校建筑，如：北京大学、北京航空航天大学、北京师范大学、北京化工大学的教学楼和宿舍等人员集中场所；以及医院建筑，如：中国医学科学院、协和医院、北京医学院附属医院, 还有市政道路桥梁等对灾后紧急救援起关键作用的建筑和设施，也存在同样的问题。为此，由国家建设部统一安排，将它们列入首都圈防震减灾示范区的重点项目，给予一定财政支持。

抗震加固技术应用

（一）建筑抗震加固技术的发展

我国的建筑抗震加固起源于邢台地震，1966年3月8日邢台地震后当地农村一些简易民房对前后墙采用简单的钢丝绳进行了拉结处理，这些房屋在后来3月22日发生的地震中未遭到严重破坏，由此我国开始了现有房屋的抗震鉴定与加固工作。

唐山地震后，我国开展了大规模的抗震加固技术研究与工程实践，这也是我国第一次有组织有计划地开展抗震加固技术的研发和工程实践，这一时期的成果标志着我国的抗震鉴定与加固技术进入了世界先进行列。从1977年至1981年，国家、地方、部门和企业共投资12亿元，加固了6300万平方米的房屋，至1988年共完成了两亿多平方米建筑物的加固任务。首都圈大型公共建筑的抗震加固主要采用的是这一时期研发的抗震加固技术（传统加固技术），对一些特殊项目采用了国家“八五”攻关项目研发的技术，同时也引进了国外的先进加固技术。

（二）传统抗震加固技术

1.砌体类房屋

砌体类房屋的加固常采用外加圈梁、构造柱、钢拉杆、夹板墙的技术手段，号称四大法宝。

（1）外加圈梁、构造柱加固技术

这是加强砌体类房屋整体性的一种加固方式，通过在房屋外围增设钢筋混凝土圈梁和构造柱（图1），内圈梁用钢拉杆代替（图2），从而起到对房屋的约束作用，阻止地震时墙体裂缝的延伸，防止地震时房屋的倒塌。

（2）夹板墙加固技术

这是提高砌体房屋墙体抗震承载力的一种加固方式。夹板墙按其面层材料可分为纯水泥砂浆、钢筋网水泥砂浆（图3）、钢筋混凝土板墙三种方式，按面层数量可分为单面加固和双面加固两种方式，按施工工艺可分为手工抹面和机械喷射两种方式（图4）。

图1 外加圈梁、构造柱加固

图2 代替内圈梁的钢拉杆

面层内配有钢筋网片时，对于单面加固钢筋网片采用结构胶将网片固定在墙体，双面加固时可采用对穿钢筋将墙体两侧网片拉结固定。

2.钢筋混凝土结构

钢筋混凝土框架结构常采用的加固方法有增设抗震墙或翼墙、加大截面、外包钢构套等方法加固。

（1）增设抗震墙或翼墙

通过增设抗震墙或翼墙改变了结构体系，新增的抗震墙承担主要的地震力，同时提高结构的抗侧刚度减小了地震作用下的结构变形，使得原框架梁、柱及节点核心区的加固工作量大大减小。增设抗震墙一般用于结构的横向加固，增设翼墙则主要用于结构的纵向加固。

（2）加大截面法与外包钢构套法

这是提高构件抗震承载力及构造措施的加固方法。通过对框架梁、柱增大截面，并配以所需的钢筋，可明显提高构件的承载力和延性性能，但加大截面法会提高结构的刚度，结构所承受的地震作用也会增大。外包钢构套就是用角钢外包于构件四角，角钢间用扁钢焊接形成钢构套的方法，这种方法可使原构件截面基本不变或变化不大，对结构刚度的提高程度有限，但需要进行防火处理。

图3 面层内钢筋网片铺设

图4 喷射钢筋混凝土面层

图5 北京火车站外景

（三）抗震加固新技术

首都圈大型公共建筑抗震加固中采用了多项新技术，如钢铰线-聚合物砂浆、粘贴碳纤维布、消能减震加固技术。

（1）钢铰线-聚合物砂浆加固

该加固方法类似于砌体结构中的面层加固法，但同样可用于钢筋混凝土构件的加固。钢铰线具有很高的抗拉强度，聚合物砂浆具有很强的渗透性和粘结力，因此加固后构件的截面变化不大，且防火性能也较好，在工程中得到了广泛的应用。

（2）粘贴碳纤维布加固

碳纤维材料的抗拉强度是普通钢材的10倍，弹性模量是钢材的数倍，利用高性能结构胶将碳纤维布粘贴在构件表面，从而达到加固补强及改善抗震性能。粘贴碳纤维布很薄，因此加固的构件截面不会增大，且加固施工工艺简便。

（3）消能减震加固

该技术就是在结构内布置一定数量的阻尼器，当遭遇地震时通过增加结构的阻尼以减小地震作用，遭遇强烈地震消能装置率先进入弹塑性状态以耗散地震能量，从而使主体结构免遭破坏。

若干加固工程案例介绍

（一）北京火车站大修改造工程

1.工程概况

北京火车站是首都的重要门户之一，建筑总面积4.8万平方米，根据使用功能的要求分为19个候车大厅、电影厅、游艺厅等，中央大厅采用大型预应力钢筋混凝土双曲扁壳，结构轻巧、造型开朗优美，站后有入站高架天桥，北京火车站外景如图5所示。

北京火车站大楼为钢筋混凝土框架结构，原设计按苏联抗震规范规定进行了七度抗震设防，大楼于1959年竣工，列为当时的首都十大建筑之一。随着我国经济的迅速发展，车站客流量较原设计成倍增加，大楼超负荷运转，加速了建筑、结构和设备的损坏，76年唐山地震也影响了大楼的安全性与耐久性，因此有必要对其进行抗震鉴定与加固，结合抗震加固进行了建筑内外装修、设备更新。

2.主要加固技术

（1）改变结构体系

采用增设抗震墙将原框架结构改为框架-抗震墙结构，北京站的大多数区段采用这种加固技术。新增抗震墙设置在各区段的四角，对称布置，这些部位原有围护墙或隔墙，因此基本上不会影响建筑内部的原有功能。新增剪力墙根据结构的整体分析计算确定，通过调整剪力墙的长度、厚度以及剪力墙上门窗洞口位置、大小，控制结构的变形和扭转效应。

（2）消能减震加固

一区中央大厅如采用增设抗震墙加固，经分析结构的变形偏大，地震时易与相邻区段发生碰撞，且仍有部分框架柱需进行加固，将会影响车站的正常运营，为此采用了消能减震加固技术。消能装置主要设置在原有框架填充墙部位，可利用建筑装修及大型广告牌予以遮挡，北侧消能支撑设于窗内，不影响外立面，大厅内采光也不受影响（图6）。

（3）外包钢构套加固

北京火车站高架候车廊跨越多条铁路，是旅客进入各站台的通道，因地基不均匀沉降已发生拱圈开裂现象，地震变形验算表明大震将全部倒塌，致使铁路运营中断。该区的加固施工绝对不能影响列车正常进出车站，因此不可能增设任何构件进行加固，只能采用外包钢加固技术。高架候车廊采用外包钢加固时，不仅解决了承载力不足问题，同时也加强了柱的箍筋构造，尤其是梁柱节点区。

（4）树根桩加固技术

图6 北侧支撑立面效果

北京站地区的地基状况普遍软弱，新增剪力墙自重较大，并且还承受较大的地震力，需进行基础处理。原框架柱为单独基础（埋深达6米），新加基础若采用墙下扩大基础则需与原基础同深，不仅工程量大、工期长，且难以避免基础间的不均匀沉降，影响车站的正常运营。为克服上述缺点，新加剪力墙基础采用了树根桩加固技术，桩直径为0.15米，桩长为12.7米，桩底深入卵石层0.5米。施工时采用钢管套筒钻孔灌注桩工艺，钻机施工高度仅需3米，不需基础挖深在室内地面即可成孔，工程量小施工快，保证客运正常进行。此外高架候车廊南端基础有严重的不均匀沉降，导致上部主体结构开裂，虽多次进行过处理未见明显效果，本次抗震加固中采用树根桩技术进行加固后未再继续沉降。

（二）中国革命历史博物馆抗震加固

1.工程概况

中国革命历史博物馆（现国家博物馆），位于天安门广场东侧，珍藏着大量的历史文物和革命文物，其中众多的孤品、国宝是中国人民和世界人民的珍贵历史文化遗产。该馆建于五十年代，是北京著名的十大建筑之一，现已成为具有历史意义、纪念意义的标志性建筑（图7）。整个大楼共由23个区组成，原设计采用了钢筋混凝土框架结构，各区段之间设置了100mm宽的变形缝，这些缝宽均不能满足国家现行抗震规范关于最小防震缝宽度规定的要求，1976年唐山地震时，就发生过碰撞，引起了博物馆领导及其主管部门各方面的关注。为确保馆藏珍贵文物的安全，1998年8月底由建设部、文化部、北京市抗震办公室召开会议，决定尽快实施该馆抗震鉴定加固工作。

2.主要加固技术

（1）改变结构体系

部分区段采用增设抗震墙与翼墙进行加固，新增抗震墙沿结构横向布置，翼墙沿结构纵向布置，与原框架柱连为一体形成壁式框架。同时采取卸荷方式将原厚重粘土砖分隔墙换成轻质隔墙，通过减轻结构自重减少地震作用。

（2）取消变形缝

部分区段若采用每个区独立加固，则既要影响使用功能，又大大增加了投资。考虑到博物馆使用了近四十年，基础沉降已趋于稳定，因此可将原沉降缝取消，增设剪力墙将两侧结构连成一体，以达到整体加固的效果。

（3）消能减震加固

大型展馆沿长向外墙开大窗户，沿短向除两端有墙外，其余无墙，针对这种情况，设计中沿结构长向增设翼墙，使之成为壁式框架，沿短向在两端增设抗震墙，并在1/3长度位置处设置门式刚架型消能支撑（图8），既保证了结构安全，又满足了展馆的使用功能。

图7 国家博物馆外景

图8 门式刚架型消能装置

（4）其他加固技术

礼堂中央大厅跨度18m，大梁纵筋及箍筋不足，多处出现弯曲与剪切裂缝，采用碳纤维布进行加固，其他结构梁、板裂缝处理根据现场实际情况分别采取钢筋除锈灌缝、增做叠合层及粘贴碳纤维等措施进行补强处理。

（三）国家图书馆分馆抗震加固

1.工程概况

国家图书馆分馆一号楼位于北京市西城区文津街北海公园西侧，与中南海北门相望，整个建筑平面呈“王”字形，南部的“工”字形始建于1929年，为仿古建筑的钢筋混凝土框架结构房屋，总层数为一至三层。是当时国内规模最大、最先进的图书馆——京师图书馆，属国家级文物保护单位。50年代按照原建筑风格在北侧进行了扩建，扩建部分为四层。建筑平面的“王”字形的三“横”部分从南向北依次分为前楼、中楼和后楼，前楼地面以上为阅览室，中楼和后楼原为书库，整个建筑东西向总宽度约为80m，南北向总长约为104m，前楼屋脊处距地面最大高度为19.68m，总建筑面积约为11000m2。

图9 加固改造的国图分馆

2.加固难点及采用的技术

（1）框架柱加固

因该工程为仿古建筑，结构层外面需按古建筑的工艺要求处理，以达到木结构柱的效果。采用增大截面法加固后的柱截面尺寸不能增加很多，否则古建工艺无法处理，梁柱节点处的古建效果将被破坏。在鉴定检测阶段，发现原结构柱的纵筋混凝土保护层较大，一般在50mm左右，考虑到这一因素，没有在剔除抹灰后设混凝土围套，而是在剔除主筋的混凝土保护层后设混凝土围套，这样可将对柱外形的影响降至最小。在施工过程中，与施工单位密切合作，采取可靠的支护措施保证施工的安全。

（2）须弥座保护

首层边部和角部框架柱下外部墙体设有汉白玉的须弥座，这些须弥座做工考究，加固时若将纵向钢筋伸至基础，需将须弥座拆除，待框架柱加固完成后再安装恢复，这样既容易造成石材的损坏，增加工期和成本，又不易保持原状，经过周密研究后，采用在首层框架柱之间的窗下墙室内设置现浇钢筋混凝土剪力墙，须弥座顶部首层窗台标高设置焊接角钢刚架，新增的钢筋锚固于刚架和混凝土剪力墙中，很好地解决了这些问题（图9）。