基于结构体系的抗震加固方法研究综述*

张 鑫, 李书蓉, 岳庆霞

(1 山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南 250101；2 山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250013)

0 引言

我国地处世界两大地震带(环太平洋地震带和欧亚地震带)的交汇处,是地震多发国家。强震易对建筑结构造成严重破坏,如2008年汶川地震,倒塌房屋700万间,震损房屋2 500万间;2019年四川长宁地震,倒塌房屋73间,严重损伤房屋19间,一般损害房屋12 723间[1];2021年四川泸县地震,倒塌房屋1 400余间,严重损坏房屋6 400间,一般损坏房屋2.9万间[2],震后大量的受损建筑需要进行维修加固。另外,第五代《中国地震动参数区划图》提高了许多地区的设防烈度,我国的抗震设防标准不断发展完善。既有建筑由于设防烈度、设防标准提高或设计标准的不同,导致许多既有建筑的抗震性能不能满足现行抗震规范的要求,解决该问题的有效途径是开展结构的抗震加固。

我国的抗震加固经历了初级阶段、提高阶段到现在的综合发展阶段[3]。一种是基于构件的加固,通过增强构件的承载力提高结构的抗震性能,如加大截面法、外包钢法、粘贴碳纤维法。然而,由于抗震设防标准的提高,抗震构造措施也相应提高,不满足规范要求,若采用构件加固方法,加固量大、湿作业多、施工周期长,影响建筑的使用功能。因此,抗震加固应首先考虑整体性加固,从基于结构体系的角度进行加固,避免由于加固某些构件而导致未加固部件成为薄弱环节的情况[4-5]。

基于结构体系的抗震加固方法中,增设剪力墙和钢支撑是最常采用的加固方法,在实际工程中得到了广泛的应用。随着新型抗震结构体系的发展,基于结构体系加固新技术成为结构抗震加固技术发展的主要趋势,如减隔震技术、自复位技术和附加子结构等新技术[5]。

本文分别介绍了减隔震加固、自复位加固和附加子结构加固的相关研究进展及工程案例,对抗震加固新方法进行了展望。

1 减隔震技术

1.1 减震技术

采用减震技术加固是通过在建筑物某些部位设置阻尼器,增加结构的耗能能力,地震作用时,通过阻尼器耗能减小建筑结构的地震反应,避免或延迟主体结构进入非线性,使原本不能满足抗震要求的建筑达到抗震目标。20世纪70年代,美籍华裔学者姚治平[6]首次提出了土木工程结构振动控制的概念,消能减震由于构造简单、使用范围广等优点,国内外学者对其进行了全面系统的研究,减震技术在抗震加固的研究也得到了广泛开展,取得了丰硕的成果。

阻尼器根据耗能原理分为速度相关型的阻尼器(如黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等)、位移相关型的阻尼器(如金属阻尼器、摩擦阻尼器、屈曲约束支撑)和多种耗能机制组合使用的复合阻尼器。Reinhorn等[7-9]对损伤后的三层钢筋混凝土框架模型分别采用黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器和黏滞阻尼墙加固,试验结果和数值分析证实了阻尼器加固可以减小结构的地震反应。Martinez-Rodrigo和Romero[10]提出了一种非线性黏滞阻尼器加固框架结构的优化方法。Hareen和Mohan[11]提出了阻尼器加固框架结构基于能量的设计方法。屈曲约束支撑(BRB)的概念最早由日本的Yoshino提出,BRB为结构附加刚度和阻尼,显著提高既有建筑的抗震能力[12]。但BRB会增加与其连接的梁柱和节点的受力,增大损伤,在工程应用中需要对与支撑连接的梁柱和节点加固[13]。为解决黏弹性阻尼器频率相关性等问题,周云等[14]研发了一系列铅黏弹性阻尼器,其中扇形黏弹性阻尼器加固梁柱节点的方法可提高结构的耗能能力,实现“强节点弱构件”的机制[15]。另外,考虑不同阻尼器的特点,Pong等[16]提出将位移型阻尼器和速度型阻尼器联合使用。翁大根等[17]提出了房屋底部安装屈曲约束支撑,其余层布置黏滞阻尼器的混合消能系统,给出了基于性能和需求的消能减震设计方法,并以汶川地震后某实际建筑的加固为例,进行了非线性时程分析,结果表明,加固后的结构薄弱层性能得到改善,组合减震方式有相对较高的性价比。

减震技术做为一种安全、有效、日渐成熟的工程技术,广泛应用于既有建筑的抗震加固中,如1998年首都圈防震减灾示范区加固改造项目中北京饭店、北京火车站(图1)和北京展览馆采用了黏滞阻尼器加固[18-19],东北某政府大楼采用摩擦阻尼器加固[20],西安长乐苑招商局广场采用开孔式软钢阻尼器加固[21],潮汕星河大厦采用黏弹性阻尼器加固[22],高雄市某超高层建筑[23]和福州人民大会堂[24]则采用了屈曲约束支撑加固。威海某办公楼采用由钢支撑、黏滞阻尼器和橡胶支座组成的消能减震支撑加固[25]。汶川地震后都江堰某办公楼采用黏滞阻尼器和屈曲约束支撑加固。

图1 北京火车站

减震加固通过合理设计使阻尼器作为第一道抗震防线,地震作用下首先破坏耗能,进而保护主体结构,是一种提高结构整体性能的抗震加固方法。基于研究成果和工程应用经验,《建筑消能减震加固技术规程》(T/CECS 547—2018)于2019年正式实施,规程的实施将进一步促进减震技术在抗震加固中的应用。

1.2 隔震技术

采用隔震技术加固是通过设置隔震层,将地震变形集中到隔震层上,减少原结构的地震反应,达到提高建筑物抗震能力的目的。根据已有建筑的不同情况,隔震层可以布置在基础、结构中间层、顶层等位置。基础隔震加固包括原位隔震加固和建筑物平移后隔震加固。

隔震加固不仅可明显提高结构的抗震能力,同时还不破坏原有建筑风貌,能保护非结构构件、建筑内设备、家具等。因此,隔震加固技术非常适合应用在历史文物建筑和内部有重要设备的建筑物。1988年石砌结构的盐湖城大厦采用隔震技术加固,在房屋下安装了447个橡胶隔震支座,该工程为最早采用隔震加固的历史建筑。此后美国南加州医院、旧金山市政厅、新西兰惠灵顿议会图书馆、意大利Melfi钟楼等建筑都采用了隔震加固。

在工程应用的同时,国外学者对隔震加固进行了深入的试验研究和理论分析。Sakamoto等[26]研究发现,采用隔震技术加固后的结构顶层加速度明显减小,约为原结构的1/10。Kawamura等[27]对日本某16层建筑采取了中间层隔震加固方法,将第8层的22根柱切断插入铅芯橡胶支座,并采取技术措施保证管道、电梯、外墙的变形可以达到400mm。分析结果表明,下部结构的地震力显著减小,上部结构不需要加固。Luca等[28]对附加橡胶支座加固的子结构进行了拟动力试验,结果表明,加固后结构抗震性能提高,上部结构位移和受力减小。Matsagar和Jangid[29]对比分析了原结构和采用不同隔震支座(高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座)加固的抗震性能,证实了不同隔震支座加固的有效性。为促进隔震加固在实际工程的推广,Cardone和Flora[30]提出了一种在设计基准荷载下允许上部结构出现有限损伤的隔震加固设计方法,该方法与以上部结构弹性为目标设计方案相比,加固费用可降低30%～40%,未来维修成本也在接受范围内。Natale等[31]根据意大利阿奎拉城市采用隔震加固混凝土结构的相关数据,考虑加固后抗震性能提升、加固费用和预期损失等因素,提出了将回报时间做为设计指标评估结构加固方案。

国内隔震加固技术起步相对较晚,但迅速发展。徐忠根等[32]研究发现隔震加固后上部结构楼面加速度减小,可以保护内部仪器设施安全。对山西省某中小学采取隔震加固后,上部结构的地震力降低1/3,加固设计措施可降一度[33]。潘毅等[34]将隔震技术应用到了砖石古塔加固中,有效提高了古塔的抗震安全。针对地震后薄弱层损伤严重,上部楼层基本完好的情况,潘鹏等[35]提出将框架结构的底部薄弱层改为隔震层,分析结果表明,柱顶隔震加固提高了原结构的抗震性能,且上部结构不需要加固即可满足规范要求。

隔震加固的关键技术之一是上部结构的托换,但目前对隔震托换的研究相对较少,设计托换结构时主要参考建筑物平移托换结构的相关成果,隔震托换结构的设计方法需要进一步完善。另外,考虑隔震层的水平相对位移较大,设计时需要对供水管、排水管、燃气管等配管、配线采用柔性连接。

隔震基础加固技术与建筑物整体平移技术联合使用,尤其是在一些历史建筑中,可以带来显著的经济效应和社会效益。2001年,江南大酒店整体平移,就位连接采用滑移隔震支座与新基础连接,结构的地震作用可减小到原地震作用的1/4～1/6[36]。针对轨道平移,学者提出保留平移滑动支座,与铅芯隔震支座形成组合隔震支座,共同承担竖向荷载,形成隔震层,同时作为平移后建筑与新址基础的就位连接方法,并应用在济南“老洋行”、济南宏济堂古建筑等平移加固中[37-39]。为了在软土条件下更好地隔离轻质建筑,Zhang等[40]提出了一种由弹性滑动支座、厚层橡胶隔震支座、黏滞阻尼器组成的隔震层,且隔震层四周布置了千斤顶复位装置,见图2,该隔震体系应用在上海历史建筑玉佛寺平移隔震工程中。

图2 隔震体系示意图[40]

针对老建筑加层改造,施卫星等[41]提出了层间隔震加固方法,并应用在上海居民住宅楼、教学楼等旧房加层改造项目[42]。周福霖等[43]建立了层间隔震体系的两质点简化模型和多质点动力时程分析模型,研究发现隔震层的阻尼能够抑制隔震层下部结构的地震响应。Villaverde和Mosqueda[44]对5层钢框架进行了振动台试验,结果表明屋顶隔震体系可以显著减小地震反应。李宏男等[45-46]结合沈阳某增层加固实际工程,进行了层间隔震理论研究。北京市建筑设计研究院对结构增层采用隔震加固的方法开展了一系列研究[47-51],提出了外套加层结构中隔震支座的优化刚度和阻尼系数;研发了砖砌体住宅加层改造的方法,见图3,通过振动台试验和非线性分析证实了该方法的可行性,得到了隔震层屈重比最优值,为实际工程应用提供了设计依据。

图3 砌体结构加层改造示意图[49]

2 自复位技术

自复位技术加固指通过在原结构中安装自复位装置,使结构在震后恢复原位,减小结构的残余变形,提高结构的可恢复功能能力。一种广泛应用的方式是外置预应力筋。Ireland等[52]基于选择性弱化加固的思想,提出了将剪力墙与基础全部切断安装预应力筋和耗能装置的加固方法。Basereh等[53]提出将墙肢底部与基础连接处部分切断,安装预应力筋加固剪力墙的方法(图4),数值分析结果表明,加固后的剪力墙残余变形显著减小。Kam和Panpanin[54]通过试验研究和数值模拟的方法,研究了将梁与柱连接处全部和部分切断,安装预应力筋的梁柱节点性能。Movaghati和Abdelnaby[55]采用预应力筋和角钢加固钢框架节点,为了减小预应力钢绞线对原建筑的影响,缩短预应力筋的长度,将预应力筋锚固在梁的加劲板上,见图5。

图4 剪力墙加固示意图[53]

图5 预应力节点加固示意图[55]

同时,国内外学者对采用预应力筋、弹簧、形状记忆合金(SMA)等材料研发的各种自复位装置加固已有建筑进行了相关研究。Ferraioli等[56]提出采用形状记忆合金支撑加固框架结构,非线性分析结果表明,加固后结构的层间位移角和残余变形显著减小。Salehi等[57]研发了一种可以应用在框架结构加固中的基于形状记忆合金的环状阻尼器,见图6。Sutcu等[58]提出在钢筋混凝土框架中附加带屈曲约束支撑的弹性钢框架加固方法,弹性钢框架与已有混凝土通过化学锚栓和抗剪螺栓连接,钢框架与已有建筑连接处通过安装螺旋弹簧实现自复位能力,见图7,并提出了一种基于等效线性化的简化设计方法。针对梁柱节点加固,Noureldin等[59]提出将梁切断,在梁与柱连接处安装由摩擦装置和预应力筋组成的阻尼器,并分析了加固后结构的抗震性能,结果表明,与原结构相比,加速度和基底剪力明显减小,结构的抗倒塌能力提高。另外一种常见的加固节点的方式是在节点四周安装隅撑,Veismoradi[60]等和Zhang等[61]分别提出了自复位摩擦支撑(图8)和自复位盘簧支撑(图9),两种支撑方式都可以实现结构的自复位。目前,对各种自复位材料如形状记忆合金、碟簧等组成的自复位装置的力学性能、加固后结构抗震性能及设计方法进行了广泛的研究,但是由于形状记忆合金造价贵、受温度影响大,碟簧需要施加预应力、构造复杂等原因在实际加固改造工程的应用相对较少。

图6 基于SMA的环状阻尼器加固示意图[57]

图7 具有自复位能力的钢结构框架加固示意图[58]

图8 自复位摩擦支撑加固梁柱节点[60]

图9 自复位盘簧支撑示意图[61]

3 附加子结构

附加子结构加固是利用附加整体子结构与原有结构的协同工作,增强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,提高结构的整体抗震性能[62]。一般情况下,附加子结构不承受竖向荷载,主要承担水平地震荷载。附加子结构的优点是不入户加固,不影响内部的使用和布局,可以边使用边加固,施工工期快,湿作业少,是一种高效、经济的加固方法。根据附加子结构的结构类型,分别从附加摇摆墙子结构、框架子结构、其他子结构三方面介绍。

3.1 摇摆墙子结构

将摇摆墙附加到已有建筑中,其底部与基础铰接,通过调节摇摆墙的刚度来控制主体结构的变形模式,使结构的层间位移趋于均匀,控制结构损伤,摇摆墙与主体结构之间安装耗能阻尼器,提高结构的耗能能力,为减小残余变形,在摇摆墙中增设预应力钢筋,见图10。Ajrab等[63]提出了一种在基础与摇摆墙附加耗能装置的摇摆剪力墙-框架结构体系的设计方法,并以一个六层摇摆剪力墙-框架结构为例进行非线性时程分析。Zibaei等[64]对10层框架结构和20层框架结构分别采用附加剪力墙和附加摇摆墙进行加固,并进行推覆分析,结果表明,附加摇摆墙后可以避免原框架结构的薄弱层,但是对高层结构,剪力墙中需要增设预应力筋以获得更均匀的层间位移角。东京工业大学G3楼结构加固改造中,采用了附加摇摆墙和金属阻尼器的加固方法,分析结果表明,加固后结构的抗震性能显著提高[65-67]。

图10 框架-摇摆墙结构示意图[68]

吴守君等[69]提出了框架-摇摆墙的分布参数模型,该模型中摇摆墙忽略剪切变形简化为弯曲梁,框架结构忽略弯曲变形简化为剪切梁,见图11,并用该模型分析了摇摆墙刚度对结构位移分布、摇摆墙和框架承载力需求的影响规律。Wu等[70]通过分布参数模型分析了高阶振型对框架-摇摆墙结构的影响,结果表明,在框架-摇摆墙结构设计中高阶振型不能忽略。Grigorian等[71]基于性能控制的思想,为实际工程设计提供了一种设计方法。Barbagallo等[72]对带支撑框架结构采用附加摇摆墙和黏滞阻尼器加固,并通过过阻尼弹性反应谱确定是否需要附加黏滞阻尼器,提出了基于位移的设计方法。

图11 框架-摇摆墙结构模型

3.2 附加框架子结构

附加(带支撑)框架子结构(图12),可以提高原建筑的刚度和承载力。为了提高结构抗震韧性,实现结构震后功能的快速恢复,国内外许多研究者将框架子结构同减震技术、自复位技术结合,提出了多种不同形式的附加框架子结构加固方法,其中一种广泛应用的方法是附加屈曲约束支撑框架加固。2011年,Dubina等[73]对附加V形BRB框架加固既有结构进行了试验研究和数值模拟分析,结果表明,与传统钢支撑加固相比,BRB框架加固后结构的延性和耗能能力显著提高。2013年,吴徽等[74]分别采用植筋和抗剪键连接BRB框架与原结构,试验结果表明,两种连接方式均能保证原结构与附加结构共同工作。黄海涛等[75]对外贴BRB钢筋混凝土框架加固既有结构进行了抗震性能试验研究,发现连接支撑节点板难以适应大变形,连接构造需要进一步研究。

图12 附加框架子结构加固示意图[76]

为了减小结构震后的残余变形,Cao等[77]在框架柱中附加预应力筋,并结合预制装配式技术提出了一种附加预应力预制钢板混凝土框架加固的方法。Eldin等[78]通过拟静力试验,验证了附加预应力框架加固框架结构的可行性,提出了基于能力谱法的加固设计流程,对加固前后结构进行了增量动力时程分析,结果表明,加固后结构的抗倒塌能力显著提高。Kurosawa等[79]设计了2个采用现浇混凝土楼板连接已有框架与附加预应力框架的试验模型,见图13,试验结果表明,该连接方式可以有效地传递荷载,但现浇楼板面内和面外弯曲明显。

图13 附加自复位框架加固示意图

姜绍飞等[80]提出了一种底部铰接的自复位耗能摇摆框架,底层钢框架柱处布置BRB,通过预应力钢绞线实现自复位能力,具体构造见图14,并分析了该子结构对底层软弱的框架结构加固的抗震性能。胡书领和王伟[81]提出了一种新型自复位耗能摇摆钢框架[82],其由带BRB的钢筋混凝土框架、位于底层柱处的自复位摩擦弹簧阻尼器组成,底层设置为铰接,自复位能力由自复位摩擦弹簧阻尼器提供,见图15。

图14 自复位耗能摇摆框架

图15 附加自复位耗能钢框架加固示意图[81]

附加连柱框架体系(linked column frame system)由两个距离较近的柱和耗能连梁组成,其中耗能连梁沿着高度方向布置多个,见图16。强震作用下,耗能连梁首先屈服耗能,然后附加子结构中的钢柱屈服,减少原结构的损伤,从整体上改变结构的破坏机制,提高结构的延性及抗震性能。该体系最早由Dusicka和Iwai[83]在2007年提出。2020年,Ezoddin等[84]对采用连梁框架体系加固的钢筋混凝土框架结构的抗震性能分别进行了试验研究和数值模拟分析,结果表明,通过合理设计可以实现预期的性能目标。Malakoutian等[85-86]、Shoeibi等[87]对该体系的设计方法进行了研究。

3.3 其他子结构

研究者根据既有建筑的特点提出了附加其他类型子结构加固的方法。2006年,Takeuchi等[89]提出了附加X形BRB支撑加固的方法,并应用在东京工业大学某6层钢筋混凝土结构中,见图17。2013年,Roia等[90]对一个4层钢筋混凝土框架附加“耗能塔”进行加固,该耗能塔为一种新型的钢桁架塔,底部铰接,在基础连接处安装黏滞阻尼器,见图18。龚来凯[91]提出了一种附加斜拉子结构加固砌体结构的方法,在结构转角处和纵横墙交接处安装钢柱,钢柱两侧设置斜拉索,组成抗侧力体系,数值分析结果表明抗侧力斜拉立柱可以有效约束底层结构变形,提高结构的抗倒塌能力。Naeem和Kim[92]发明了一种弹簧黏滞阻尼器和预应力高强度钢索串联的复合钢索,并对加固前后的2层钢框架进行了振动台试验,结果表明,加固后的结构层间位移和构件内力显著减小,但复合钢索对顶层加速度的控制效果有限。

4 典型工程案例

笔者将减隔震、自复位、附加子结构等新技术引入到抗震加固中,主持完成了多项抗震加固工程。

4.1 山东省立第三医院康复楼加固

山东省立第三医院康复楼建于1988年,为钢筋混凝土单向框架-剪力墙结构,地上12层,局部14层,基础形式为桩基础,建筑长度55.4 m,宽度14.2m,建筑面积约10 860m2。抗震设防烈度7度(0.15g),设计地震分组为第三组,场地土类别Ⅱ类,经计算原建筑结构的抗震措施不满足要求,为提高结构的整体抗震能力和抗倒塌能力,对该建筑采用附加黏滞阻尼器和BRB减震技术的方法加固,黏滞阻尼器布置在1～12层,BRB布置在1～7层,共布置76个阻尼器,阻尼器具体位置见图19,图20、21为加固后的模型和照片。加固后结构在小震作用下由黏滞阻尼器耗能,BRB保持弹性,强震下,黏滞阻尼器和BRB共同耗能,保护主体结构,非线性时程分析结果表明,加固后结构抗震性能提高,满足抗震规范要求,主体结构在大震下损伤减小。

图19 阻尼器平面布置图

图20 加固后模型图

图21 加固后照片

4.2 海南文昌平移隔震工程

海南文昌海天精品酒店(图22)为混凝土框架结构,建于2012年,总建筑面积为8 058m2,总重量约350 000kN,设计时设防烈度为度(0.15g),场地类别Ⅱ类。由于保护自然生态环境,需要对其进行平移,就位后增加一层地下室,根据最新抗震规范要求,抗震设防烈度提高为8度(0.2g)。为了移位后使结构满足抗震要求,就位连接采用铅芯橡胶隔震支座,直径有400、500mm和600mm三种尺寸,共布置了89个隔震支座,隔震支座连接见图23。经计算,层间位移角最不利位置为地上2层,设防地震作用下加固前在X、Y向的最大层间位移角分别为1/130和1/194,隔震加固后X、Y向的最大层间位移角分别为1/485和1/809,层间位移角显著减小,加固后减震系数为0.45,加固后结构满足抗震规范要求[94]。

图22 海南文昌海天精品酒店

图23 隔震支座连接图

4.3 山东省荣军总医院病房楼改造加固

图24 标准层平面图

图25 摇摆墙改造后示意图

图26 摇摆墙连接构造

图27 大震下加固前后层间位移角对比[69]

5 结语与展望

随着抗震技术的提高,抗震加固已经从传统的加固方法发展为采用减隔震技术、自复位技术、附加子结构等技术加固的新方法,通过添加耗能部件、减小输入原结构的地震能量或改善原结构的变形模式等方式提高结构的整体性,从单一的技术发展为多种技术联合应用,如减震技术与自复位技术共同使用等。提高结构整体性能的抗震加固方法的研究取得了显著成果,但仍存在一些待解决的问题。

(1)加固设计时需要考虑多道抗震防线的设计概念,即附加的子结构、耗能阻尼器等做为分灾元件,强震下首先破坏耗能,保护原结构,形成多道抗震防线,达到抗震加固的目的。该思想的关键问题是原结构与新加元件(子结构)的共同工作机理和建立基于多道抗震防线思想的加固设计方法。在未来的研究中,需要继续进行试验研究,探究新旧结构的共同工作机理和加固后结构的破坏机制,确定加固设计方法,为加固新方法的工程应用提供理论基础。

(2)目前对新建结构的韧性评估开展了深入的研究,但是加固后结构的韧性评估还处在起步阶段。如何综合考虑固费用、加固施工周期、维护成本、加固后结构功能可恢复性等因素提出性能指标,通过性能指标明确建筑结构采用哪种加固方法比较合理,为加固方案的确定提供依据。

(3)原有建筑与新加构件的连接影响加固后结构的整体抗震性能和破坏形式,而这其中连接界面的传力机制是关键科学问题,需要进行深入研究,明确连接方式和构造措施。