建筑结构抗震加固方法的应用

文／高兴增、刘思印 山东华科规划建筑设计有限公司 山东聊城 252000

引言：

我国地处世界上两个最活跃的地震带，东临环太平洋地震带，西及西南为阿尔卑斯-喜马拉雅地震带，是世界上地震多发的国家之一。据地震史记载，中国所有省份都发生过5 级以上地震。除了浙江和贵州两省以外，其他省份均发生了6-6 级地震。如果建筑结构不考虑抗震设计或不重视抗震设计，将给人民群众的生命健康和财产损失带来灾难性的后果。与此同时，由于人类的生产和地壳的移动，导致了我国中小规模的地震增多，造成的破坏也越来越大。为了确保建筑物的结构安全，防止其在地震中快速倒塌，就需要进行建筑物的抗震设计，以确保其自身的抗震能力。在进行结构抗震分析时，应从多个角度出发，从整体抗震性能、单元之间的衔接等角度，从复杂的角度出发，按照相关的规范和规范，从复杂走向简化，实现合理的结构；从而使建筑体系在地震作用下达到更好的防震作用，从而保障人们的生命财产安全。

1、地震灾害的主要特点

地震是一种较为常见且破坏力强的自然灾害，其往往会造成一定的人员伤亡与财产损失，部分情况下还会引起其他灾害性事故。其主要具有以下特点：（1）突发强烈的地震常常无法准确预报，仅凭现有的技术方法，仅在发生地震发生之前的数十秒内进行检测，很难对其进行有效的防范。从古代起，人类就一直害怕地震，为了预测地震，减少损失，先辈们曾经做过很多次的地震预测，但是因为地震的时间太短，所以很难准确预测地震的结果。由于缺乏有效的控制手段，所以只有加强房屋的结构形式，才能降低经济的损害，并为人民提供良好的居住环境。（2）具有强烈的破坏性，是地震的一个重要特征，一般以地表破坏和建筑物破坏为特征。就目前情况来看，建筑物抗震等级，是根据破坏程度划分的，主要有基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏以及倒塌五个等级，抗震设防要求为小震不坏、大震不倒、中震可修，要求建筑施工必须达到。（3）社会影响深远。大型的地震造成了巨大的生命危险，造成了巨大的经济损失，当地的基础设施很难在短期内得到修复。例如2008 汶川大地震后，经过数年的努力，当地的重建工作终于得以完工。

2、基于抗震性能的加固设计方法

2.1 抗震性能设计概述

建筑结构的抗震能力是指建筑物在地震中的承载能力、变形能力和耗能能力、刚性与破坏形式的改变与发展。具有大延性的建筑具有较强的抗震性能，由于其较高的塑性使得其具有较大的变形能力，塑性区的发育可以有效消散地震能，进而削弱其地震响应。其结构的抗震设计应遵循“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”的原则。因此，在地震作用下，如何改善建筑物的抗震性能，可以通过改善其结构的受震和受力。为了达到抗震设计的目的，对新建建筑物进行多次地震的验算，以确保其在多次地震作用下的受震能力，并采取了相应的抗震措施来确保其延性。

2.2 抗震加固设计方法

（1）地震动水准的确定。对于后续使用年限为50年的结构，选择现行抗震规范的多震、加防、罕遇地震。对于目标使用年限小于50 年的结构，地震作用可以相应减小；（2）选择合适的加固方案。为了降低原有结构构件的配筋必须降低其地震作用，可采用增加新的侧向力构件如剪力墙或支座来分担地震作用，通过设置阻尼来降低整个建筑结构的地震作用。另外，我们还可以利用房屋装修的机会，通过将原有的砖瓦隔断墙改为轻钢龙骨石膏板等类似的轻质隔断墙，减少建筑屋面面层的厚度，采用轻质装饰材料减轻结构重量，还可以达到减震效果的目的；（3）选择性能设计指标。分别对加固结构的弹性和罕遇地震的动力弹塑性进行了分析。要求整体地震变形试验和抗震承载力试验（不含抗震措施）满足现行规范要求;罕遇地震作用下的弹塑性变形应满足预期性能目标要求，具体如表1 所示。

表1 预期性能目标

3、抗震加固方法在建筑结构中的有效应用

在经历了多次的震害之后，人们越来越认识到抗震设计的重要意义，并建议“概念设计”，而“概念设计”则可以从某种意义上影响到建筑物的抗震性能。它的目标在于使建筑的构造形态得到更好的选择，使其更符合“大震不倒”的需要。鉴于建筑物的构造形态多种多样，下面就以砌体结构为例说明抗震加固方法在地震中的应用。为了改善建筑的抗震性能，对现有的老式砌体结构房进行加固，是改善住宅整体抗震性能的关键。目前，关于砌块结构房屋的地震防震技术已有较多的探讨，其方法有：直接法与间接法。直接法是加大构件的横断面以达到增强作用，而间接方法则是将共同作用的构件加入到墙体中。目前我国常用的加固方法主要有以下几种：

3.1 砂浆面层或板墙加固法

在对原有的砌体块进行表面加工后，再喷涂水泥浆料或现浇板（见图1a），使其截面积增大，并增加配筋，从而可以有效地改善其承载能力和刚性。该方法施工简单，适应性强，是目前广泛采用的砌块结构补强方法，具有较为完善的施工技术和施工技术。但是施工周期较大，占用了建筑的空间，增大了建筑的重量。

3.2 外加圈梁、构造柱加固法

不需要改变原有的结构，只在外侧增加环梁，在连接部位加一根构造柱子，构成了横梁-柱构架式外贴体系（图1b）。具有施工简单，工期短等特点。

3.3 外包钢加固法

一般采用高密度的水泥砂浆将角钢固定在受加强部件的表层，并采用焊接方法进行焊接。用横式的缀片或夹子进行联结，从而构成一个受力体（如图1C）。该方法的优势在于基本不增大构件的横断面，可以显著地提高承载力，而且可以迅速地进行工程建设，但是使用的钢筋数量很多，成本也很高，且钢材耐蚀性也很低。

图1 砌体结构加固方法

3.4 砌体托换加固法

该方法仅需要将原有的结构进行局部破坏，再以新的砖块取代即可（见1d）。这种方法不会对改建过程中其它构件的正常运用造成一定的干扰，但是会对承重路径和原来的房屋的受力状况产生一定的变化，而且这种方法比较繁琐，对工程的要求也比较高。

3.5 修补、灌浆加固法

对于已经出现裂缝的墙，可以通过机械力的挤压，将胶粘剂或环氧树脂等注入到要修补的裂缝中，并在其固化后达到修补裂缝、提高承载力的目的。当出现灰泥质量较差时，可将原有的砂浆块逐级开挖，并进行全壁注浆。

3.6 FRP 加固技术

纤维强化复合材料（FRP）是将纤维与基质材料按照一定的比例进行搅拌而制成的复合材料。FRP 的补强法主要有两类：外贴法和嵌入式。嵌入式是在原有零件的表面上开一个凹槽，清洗凹槽，再将环氧等胶质物质灌注到凹槽中，再将FRP 筋和FRP 板插入凹槽中，经过胶态强化处理，可以提高结构的受力特性。

上述几种墙体结构的地震加固技术已得到了较多的实践证明，能够达到基础的加固要求。其不足是要求大型机械作业，施工周期长，部分项目成本高，会对住宅的使用面积、用途等产生一定的负面效应。FRP 技术是一种新兴的结构形式，它比常规的结构形式更具重量、强度、耐腐蚀性和可设计性。外贴式补强是将FRP 布材用环氧等胶态物质粘结在建筑物外表面，利用FRP 与结构的协同效应，增强结构的受力，达到增强效果。FRP 光纤与裂缝垂直的夹角愈大，则其发展及扩展的能力愈大。此外，受多次地震载荷的影响，其剪切方向也会有所改变，FRP胶片应能有效抑制两种方向的开裂。在实际应用中，一般采用横向、对角、X 型和混合等方法。

4、建筑结构抗震加固方法的应用实例

4.1 工程概况

某中学体育馆是一座单跨框架结构，占地660m2，呈矩形，东西两边宽度19m，南北长度32m，高8.1m。体育场地基是以单层钢筋砼地基为基础，地基底面标高为-1.95m，地基下表面尺寸为2200mm×3600mm、2800mm×4200mm、3800mm×3000mm、4600mm×3000mm。该体育场采用了一种以6300mmX4000mm、6400mmX4000mm 的钢筋砼单梁框架结构，其主体立柱的横断面为400mm×600mm；房屋的楼板是用120mm厚的钢筋砼预制中空板。

4.2 抗震鉴定

在既有建筑房屋抗震加固之前，必须根据抗震设防等级、抗震等级、后续使用年限、构造型式等因素，进行抗震鉴定，以作为今后抗震加固的参考。本项目按七度设防、乙级抗震设防、后续使用年限30 年（A 类）等标准进行抗震评估，其主要结论为，实地勘察和鉴定表明：（1）场地布置、层高、轴线尺寸；部件的横断面等均符合最初的设计规范。（2）根据原有的试验数据和试验数据进行了验证和计算，证明体育馆的梁、柱、基础均达到了极限承载力的标准；运动中心与运动中心的中心和中心点是一致的；最大层间的位移角度达到标准中1/550 的极限；最大层之间的最大位移和平均层间的变形率符合设计的规定；最大圆柱轴压比达到了0.24，达到了技术指标的规定。（3）经现场检查，发现体育场梁柱端箍筋的间隔不符合设计规范；灌浆墙体与邻近的钢筋砼结构没有受拉结。（4）体育场为B 级结构，结构为一跨结构，结构受地震影响，不能满足GB50023-2009 《建筑抗震鉴定标准》中第6.2.1 条第2 款的要求。

4.3 抗震加固设计

4.3.1 抗震加固方法比选

由于受侧向刚性较低、能量消耗较低、缺少多余的限制，在地震中容易引起结构的持续损坏和坍塌。以往的国内外地震表明，单梁框架结构是一个非常具有破坏性的抗震系统。故在我国《建筑抗震鉴定标准》中第6.2.1 条第2 款的要求下，该框架不能采用单一框架；B 级建筑不能采用单一的框架式建筑。本项目的主体结构是一种单层框架式的，不能适应现行的地震设防标准，存在着一定的安全风险，必须对其进行有效的防震和加固。通过对框架结构抗震设计的研究，提出了增加框架柱、增设抗震墙、增设型钢支架、增加消能减振支架等措施。

（1）增设框架柱

针对单跨框架结构的住宅，可以在不损害其正常的使用性能的情况下，增加一根框架柱子，并将其转换成两跨或多跨的框架。该方案具有明显改善住宅建筑的横向抗侧力和地震特性。但其不足之处在于，新建的框柱会增加地基，且需要增加相应的补强；另外，增加的框柱会对其正常的应用产生一定的干扰。根据本项目的具体状况，新建的框架柱将严重地改变场馆的结构功能。这种加固措施在该例应用中并不合适。

（2）增设抗震墙

对于单层框架结构，可以采取在合适的地点设置加强后的钢筋砼防震墙体，将原有的单梁框架结构改为框-剪，提高结构的安全性，提高住宅的整体地震能力。该方案能够有效地克服传统的单一结构体系结构的抗震性能缺陷，并将其布置在边角部位，对结构的使用性能没有明显的影响。

（3）增设型钢支撑

为改善住宅的单跨梁水平荷载，可以采取附加型钢柱的形式进行抗震处理。该加固方式具有自重轻、工期短、对原有构件无明显影响的特点；其不利之处在于对工程的使用性能有一定的影响，后期需要进行经常性的维修，并且不适合大跨的框架。根据本项目的具体条件，在单跨处增设了一种新型的钢架，这将会严重地改变场馆的结构和使用性能。这种加固措施在实际应用中并不合适。

（4）增设耗能减震支撑

在单层框架结构住宅中，可以采取附加弹性约束支撑、粘滞阻尼支撑等耗能的减振部件。该加固方式类似于增加型钢支架，不同之处在于采用了消能式减振支架，可以有效降低结构的地震响应，提高结构的抗震能力。然而，这种加固方式对场馆的施工性能也有很大的影响，因此并不适合于此项施工。

最后，结合项目的具体状况和结构的地震评估结果，经过全面的分析和研究，确定增加防震墙体的方案，该方法可以有效地克服单一结构体系的地震承载力。

4.3.2 抗震加固方案

本项目的抗震加固方案是：增加一层钢筋砼防震墙体，将原有的单跨框架结构改为框-剪力；钢结构的立柱和梁末端用碳纤维加强，并可有效地消除两端的钢筋。填充墙和框架柱间增设拉结筋，以提高房屋的整体性。

（1）增设抗震墙

为了克服原有的单梁框架式，不能达到现行的规范，采用了增加抗震墙的方式进行了加固。经过全面的分析，为了改善原有的结构体系，在体育场四角部位增加了一层钢筋砼防震墙，将原有的一层框架结构改为一层框-剪力墙。对新建的防震墙体采用了结构上的加固方法，使得墙体与原有的框架梁柱能够牢固地结合在一起，从而确保墙体的整体受力。

（2）碳纤维加固

经结构分析，梁柱端箍筋的间隔不符合设计规范。在原有钢筋混凝土框架柱和框架梁的末端，采用粘贴碳纤维布的方法进行抗震结构加固处理，以提高原有结构构件的抗震性能。

（3）填充墙加固

经地震评估，其填充墙体与邻近的混凝土框架柱间不存在拉结钢筋。经过全面的研究，在原填充墙的两侧，采用墙面剐槽嵌入法，增设拉结筋。通过将其与原有的钢筋砼框架柱间进行联接，使其与原有的承载力保持一致，提高整体性能，降低了墙体与柱间接合部裂缝的危险。

4.4 抗震验算

该体育馆在采取上述抗震加固措施之后，在新结构体系下，计算结果如下：（1）混凝土框架梁、框架柱配筋满足规范要求；（2）混凝土框架柱轴压比满足规范要求（柱最大轴压比为0.24）；（3）结构振动周期满足规范要求；（4）在地震作用和风荷载作用下，层间位移满足规范要求。

结语：

综上所述，对于地震多发国而言，必须对建筑的抗震设计与加固进行有效的处理，在确定了建筑的构造形态基础上，对其进行科学的抗震设计。如此，就可以将地震带来的影响降到最低。文章通过对某中学体育馆结构进行的地震补强计算，说明了在结构的抗震加固中，应遵循安全、经济、合理的原则，充分保障了房屋的正常使用性能，采用最经济、最少的方式进行加固，以保证原有未进行地震设防的房屋符合现行地震评估规范的规定，该工程不仅解决了建筑物的安全性问题，而且使其整体的地震反应能力得到了显著的改善。同时，对其进行了实际应用和分析，对同类项目具有一定的借鉴意义。