大跨体育场馆的抗震鉴定、加固研究与实践

2019-11-12张胜

城市与减灾 2019年5期

张胜

引言

地震、飓风和海啸是人类面临的最严重的自然灾害，其中地震造成的危害最为严重。地震带来最直接的严重后果是房屋倒塌，人员伤亡以及相关的直接经济损失。我国的抗震事业近年来取得了显著的进步，新建建筑均考虑了抗震设防，但是仍然有一部分建筑由于建设年代较为久远，在建造时未考虑抗震设防，或虽考虑抗震设防但是抗震等级较低。同时，大型体育场馆作为城市或地区的大型公共场馆，在发生较大灾害时能够成为应急避难场所。如绵阳九洲体育馆（图1）由于具有科学合理的抗震性能设计及高质量的建设，在2008年5月12日汶川大地震中安然无恙，直到地震临时用房建成之前，九洲体育馆一直作为最大的抗震指挥和灾民安置中心，为抗震救灾做出了巨大的贡献。因此，有必要对未考虑抗震设防或虽考虑抗震设防但是不满足抗震设防要求的体育场馆进行抗震性能鉴定，并进行加固处理，从而提高结构的抗震性能，减轻地震破坏，减少人员伤亡和财产损失。

大跨度体育场馆的抗震性能鉴定

（一）需要进行抗震鉴定的情况

《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）明确规定，下列情况下，现有建筑应进行抗震鉴定：

1.接近或超过设计使用年限需要继续使用的建筑。

2.原设计未考虑抗震设防或抗震设防要求提高的建筑。

图1 灾后的绵阳九洲体育馆

3.需要改变结构的用途和使用环境的建筑。

4.其他有必要进行抗震鉴定的建筑。

在实际工作过程中上述情况经常遇见，例如工人体育馆始建于1959年，1961年竣工，采用钢筋混凝土框架结构，屋盖采用轮辐式悬索结构，为了满足2008年奥运会的比赛要求，在2005年对其进行了抗震性能鉴定，并进行了整体加固；首都体育馆于1968年竣工使用，结构类型为混凝土框架结构，屋盖结构为平板型双向空间钢网架，同样为了满足2008年奥运会的比赛要求，也进行了抗震性能鉴定和整体加固；青岛国信体育中心体育场建成于1998年，结构类型为混凝土框架结构，看台上罩棚采用新型的整体张拉式索膜结构，为了提升体育场的使用功能，满足亚足联和国际足联对足球比赛场地的要求，需要对结构进行整体改造，也对结构进行了整体抗震性能鉴定。

（二）结构检测及抗震性能鉴定

1.现场踏勘

现场踏勘是开展结构检测工作的先决条件。通过现场踏勘，可以了解建筑的现场状况、使用环境以及建筑场地类别等，此外在现场踏勘过程中查阅图纸资料可以获取建筑物最基本的建造信息，如设计施工单位、建造年代、抗震设防类别以及使用过程中的功能改变或结构改造等。

现场踏勘一般需要对建筑整体进行宏观检查，查看地基基础和建筑物周边场地现状；宏观检查建筑不均匀沉降或倾斜现象；检查混凝土构件的表面裂缝和钢筋锈蚀；检查钢结构构件的锈蚀和变形；检查膜结构的变形和破损等。

根据现场踏勘结果，并依据相关的规范和规程，制订详细的检测鉴定方案，从而在检测过程中做到有的放矢。

2.现场检测

现场检测主要是针对主体结构的体系布置、混凝土强度、钢筋配置、构件截面尺寸、构件的变形、钢筋锈蚀、钢结构焊缝质量、结构动力特性、钢索内力以及抗震构造措施等内容。为了保证不对原结构造成损伤，现场检测基本采用无损检测方法，局部对混凝土构件进行钻芯或剔凿钢筋，对结构造成的损伤可以忽略。

主体结构的体系布置主要是通过现场核对图纸资料进行检查。由于一些体育场馆建造年代比较久远或使用过程中进行了改造，图纸资料不全或缺少竣工图纸，现场结构和图纸资料可能会出现差别，需要进行现场测绘，并对周边构件进行重点检测，检测数量应适当增加。

混凝土强度一般采用回弹法进行检测，并钻取一定数量的芯样对回弹值进行修正。钢筋配置检测一般采用电磁感应法，并局部剔凿验证钢筋直径。其他常规检测基本不会对主体结构造成损害。

由于多数大跨体育场馆结构复杂，对其进行现场动力特性测试能够更加全面地分析结构的抗震性能，保证结构分析结果的可靠性。结构动力特性测试一般采用环境激励测试结构的各阶振型及其对应的频率，也可以采用人工激励的方式进行测试，例如首都体育馆在检测过程中就对有代表性的一榀框架的水平振动和垂直振动进行检测，激励方式为环境激励；青岛国信体育中心体育场采用惯性式激振器进行激励。由于现场检测时多数建筑处于正常使用状态，实际结构的许多附属物如填充墙、管道设备以及上部屋盖等均会对测试结果造成一定影响，在测试过程中尽量选取附属物较少的区域。

钢结构屋盖是大跨体育场馆广泛采用的屋盖形式，钢索是钢结构屋盖中常见的结构构件。在荷载长期作用下，由于材料蠕变效应，拉索将产生松弛，拉索应力发生变化。因此，应对屋盖中的钢拉索构件进行索力检测。目前常用的索力测量方法有压力表测定法、压力传感器法、频率测试法、面外变形推算法、应变测试法和磁通量法等，其中压力表测定法、压力传感器法一般在施工过程中应用较多，磁通量法要求在张拉之前安装磁通量传感器，不适合既有在役拉索的检测，目前对现有结构中钢拉索的检测一般采用频率测试法和面外变形推算法，例如工人体育馆和青岛国信体育中心体育场均采用频率测试法进行索力测试。

抗震构造措施检测主要是对纵向钢筋的锚固长度、配筋率、箍筋间距、箍筋直径、填充墙拉接钢筋、柱轴压比等内容进行检查核对。

3.结构抗震性能鉴定

结构抗震性能鉴定要根据建筑的后续使用年限采用相应的抗震鉴定方法，后续使用年限30年的建筑（A类建筑）应进行综合抗震能力两级鉴定；后续使用年限40年的建筑（B类建筑）应进行抗震措施鉴定和抗震承载力验算，对于后续使用年限为40年的重点设防类框架结构，还需要进行变形验算。在抗震承载力验算过程中要根据抗震构造措施的符合程度和部位计入构造的影响。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223）相关规定，大型、观众席容量很多的中型体育场和体育馆（含游泳馆），抗震设防类别应划为重点设防类，因此对于多数后续使用年限40年的大跨体育场馆均需要进行变形验算。

大跨度体育场馆抗震加固

（一）国外体育场馆加固

在防震减灾方面，日本政府将学校建筑与避难场所相结合，其中公立学校约90%有避难场所功能。

1995年阪神大地震后，日本推出“校舍补强计划”，对中小学校舍及体育馆等进行了大规模的抗震加固。抗震加固的主要特点是从整体抗震性能出发，找出最薄弱环节，对薄弱环节进行重点抗震加固。例如采用增加斜向钢支撑、屋盖水平拉结措施来增加建筑物强度，采用柱子外包钢或增大截面等来控制构件变形。

美国夏威夷的Aloha体育馆建于20世纪70年代，按照1970年UBC（Uniform Building Code）规范设计，不满足2006 IBC（International Building Code）规范抗震和抗风的要求。节点出现屈服现象，部分油漆脱落。主要抗震加固措施为将体育馆外墙的填充墙改为钢板剪力墙以增加结构的抗侧刚度，并在与墙相连接的径向钢梁的连接节点上增加梁腋板以提高节点的抗震能力，保证结构的安全性能。

（二）我国体育场馆加固

新中国成立前的我国体育建筑主要为砌体结构，规模较小，承重形式单一，未考虑抗震设防。新中国成立后主要为钢筋混凝土框架结构主体与钢结构屋架相结合。20世纪80年代以前的建筑物多未考虑抗震设防，构件的配筋以及节点连接难以满足现行相关规范要求。在既有大跨体育建筑的抗震加固中，有以下两种主要的加固方式：

1.增加结构的抗震承载力

对于设防烈度较低的地区，抗震加固主要表现在抗震构造措施的加固。例如武汉体育馆建造于20世纪50年代，原设计为混合结构，混凝土强度等级低，原主体结构损坏明显。抗震加固改造中，采用了钢筋网砂浆面层加固墙体、外包钢加固混凝土梁和碳纤维布加固混凝土楼板等措施，提高了整体建筑的抗震承载力。

对于抗震设防烈度大于7度的地区，往往采用综合加固方法进行方案设计。比如首都体育馆除去增设阻尼器外，还通过增加剪力墙改变原结构的传力路径，形成多道抗震防线。

2.减少结构的地震作用

由于大跨度体育场馆的屋盖通常采用钢结构，钢结构在形成体系后不宜进行焊接，所以对于大跨度钢结构进行加固的难度较大，成本也较高，通过增设隔震、减震装置，或者设置新的耗能减震装置，减少地震作用对原结构的地震作用，同时不加固屋盖结构就能满足整体抗震要求。耗能减震是既有大跨度体育馆建筑抗震加固的新思路。

五台山体育馆在框架部分增设黏滞阻尼器与耗能支撑来进行减震设计，使结构在罕遇地震作用下，顶点位移和层间位移得到有效控制。同原结构相比，结构顶点位移平均降幅为54%，层间位移平均降幅达69%，极大弥补了原结构延性较差的不足。

奥林匹克中心体育场建于1989年，进行抗震加固时根据建筑功能的要求，对称地在一、二层框架部分每层的12个位置设置了消能装置。设置黏滞阻尼器后，框架结构地震剪力平均减少了20%～25%。

大跨度体育场馆抗震加固实践

2003年北京市科学技术委员会的课题“奥运场馆加固、改造关键技术研究”针对北京现有体育场馆结构现状，在原设计成果的基础上，借鉴减震的主动防灾技术，形成了有效的加固技术，在北京工人体育场、首都体育馆、奥体中心等场馆的改造工程中得到应用，取得良好的效果。

原建筑始建于1989年，结构设计主要依据我国74～78的老规范。为了满足奥运会新的功能使用要求，体育场的改扩建工作量很大，整体结构的造型也同时发生了很大的变化。东西看台基本保留原三层混凝土框架结构体系，在C～D轴之间原结构二层增加了钢结构楼座看台及四层钢结构房屋，拆除原看台网架罩棚，新建了外挑约23～38米的型钢-拉索钢罩棚（图2）。整体结构高度由原25.8m增至38.9m。南北看台仅保留原外圈柱及部分梁、板，大部分均为新建结构，拆除原池座看台，加宽了看台宽度，整体结构高度增加至13.8m。为解决新建楼座看台观众疏散需要，于体育场角部新建了四个独立的圆形坡道。改造前后照片见图3、图4。

对东西看台采用多种模型计算对比分析，由于竖向荷载的增加及水平地震力的作用，几乎80%的原混凝土柱均受力钢筋配筋不足，需采用粘钢或增大截面植筋的方法进行加固。为了减小整体结构的地震响应，降低原混凝土结构的加固量，采用了加装12个耗能支撑的加固方案，在普通的“人”字支撑系统中增设黏滞阻尼器（图5、图6）。结构下部变为双重抗侧力体系，这种新型加固方法可以有效地降低整体结构的地震响应，减小构件由地震产生的内力和变形，从而使原混凝土结构的改造加固量降低，而且也降低了新增钢框架结构构件的内力和变形，结构整体侧移刚度增强，使整体结构的地震安全性有显著提高，是一种较为经济、有效的新型加固手段。