消能减震加固技术在既有建筑改造工程中的应用

摘 要：从表面看，消能减震加固技术的应用能够显著提升建筑物的整体抗震性能。作为建筑领域中的一种新型抗震技术，该技术通过在建筑主体结构中安装阻尼器，实现了地震能量的转移与消耗。它能够有效控制地震作用导致的振动响应，从而为建筑结构的安全提供坚实屏障。将消能减震加固技术应用到既有建筑改造工程中可以降低施工难度并控制加固费用，同时提升建筑结构的抗震能力。

关键词：消能减震加固技术；既有建筑改造工程；应用文章编号：2095-4085（2024）04-0046-03

0 引言

近年来随着消能减震技术不断成熟与完善，更多的既有建筑改造工程项目抗震性能得到了提升，同时在应用此项技术后也可以提升建筑的经济性与实用性。

1 消能减震加固技术在既有建筑加固改造中的应用

1.1 混凝土喷射加固工艺

1.1.1 加固工艺

（1）在进行原材料准备时应将设计图纸作为依据，以保证原材料质量符合工程建设要求［1］。

（2）将建筑原有结构表面装饰进行清除并对有侵蚀的部位进行修补，修补厚度在5～10mm之间。

（3）在进行打孔与植筋施工时应根据设计图纸完成。

（4）根据施工图纸完成钢筋绑扎与钢筋网安装，每平方米安装3到4个灰饼。

（5）混凝土喷射前应先将模板安装到边框位置，确保模板结构的稳定性。

（6）根据施工要求按照顺序安装混凝土喷射设备并在喷射前对喷射设备性能进行检测，以保证其可以正常运行；施工人员应做好通水与送风试验，避免混凝土喷射时出现漏风或是渗水问题。

（7）进行混凝土喷射施工前施工人员应先清理墙面，清理墙面时须采用高压喷射设备，在保证墙面清洁度后方可进行混凝土喷射施工。在进行混凝土喷射过程中可以使用高压机进行送风，要确保每分钟送风量在9m2，气压控制在0.2～0.5MPa之间，喷头水压不得小于0.15MPa；将喷射设备与墙体间的间距控制在0.6～1m之间，采用垂直角度进行喷射；喷射厚度可以比设计厚度小20mm；对墙面平整度进行控制，将偏差控制在±20mm。

1.1.2 做好混凝土养护

（1）混凝土喷射厚度与设计标准相符时应完成刮平作业，刮平作业须在混凝土未初凝前完成。

（2）最后一层混凝土终凝强度在2h后就可以进行洒水养护，养护时间应控制在14d。

1.2 板底碳纤维加固工艺

1.2.1 做好底部处理

（1）若混凝土表面存在脱落、蜂窝或是空鼓等问题应将其进行凿除与修补，修补时多采用环氧砂浆。

（2）当混凝土表面出现裂缝问题时应先做封闭处理，完成后再修补。

（3）清理混凝土表面浮浆时，可以使用砂纸或是角磨机将表面打磨平整，要确保表面平整度，转角位置通常设置为直径10mm的圆弧状。

（4）进行混凝土表面处理时操作人员可以使用吹风机，以确保混凝土表面无杂物或积水。

1.2.2 底胶涂抹

涂底胶也就是FP胶涂抹，在涂抹时应注意以下两点：

（1）主剂与固化剂按照2∶1的比例导入到搅拌装置中，并使用弹簧秤进行集料称重。然后将集料进行充分搅拌，搅拌时间应与现场温度结合，通常搅拌好的胶液应在1h内使用完。

（2）胶液涂抹到混凝土表面时可以使用滚筒，当胶液干固后才能进行下一项施工内容，通常2～3d的时间就会干固。

1.3 钢筋网抹灰工艺

1.3.1 钢筋网操作要点

（1）处理好基层位置。进行钢筋网墙抹灰施工前应先清理钢筋网，可以使用高压水进行冲洗，以保证表面的清洁度。墙面与钢筋网间的厚度控制在15mm。

（2）可以将适量的水喷洒到墙面并对墙面灰尘进行清理。若墙面相对干燥施工人员可以根据情况增加洒水次数，为抹灰施工创造条件。在进行砂浆施工时还应对水分进行控制，防止出现吸水现象。当天气比较干燥时可以在抹灰前对基层进行湿润，在保证湿润的基础上还要避免出现浮水问题。

（3）完成灰饼粘贴施工后检查其平整度时可以使用托线板，在了解检查结果后确定粘贴灰饼的数量，将灰饼水平方向与高度间距控制在1.2m。水泥砂浆制作灰饼时比例控制在1∶3，灰饼尺寸控制在500mm，灰饼厚度通常控制在40mm左右［2］。

1.3.2 底层砂浆涂抹

在进行墙面基层抹灰时，第一遍抹灰可以起到对钢筋的保护作用。要保证涂抹的均匀度，将抹灰厚度控制在10mm。

1.3.3 中层抹灰

完成底层抹灰后，在砂浆强度满足初凝强度要求后进行中层抹灰，要确保中层抹灰厚度与钢筋齐平，厚度是钢筋直径的两倍。

1.3.4 面层抹灰

面层抹灰时应将砂浆涂抹到骨架位置，在保证砂浆强度满足终凝强度后再进行施工。将面层抹灰厚度控制在10mm，要保证砂浆表面的平整度，当达到初凝强度后再使用铁抹子进行抹平处理。

1.4 植筋加固施工工艺

1.4.1 清孔处理

（1）成孔后施工人员应做好清孔作业，要确保孔内无杂物。可以使用毛刷或气泵进行反复多次的吹刷，孔壁涂刷时可以使用棉丝粘丙酮的方式，以确保孔壁的干燥性与整洁度。可以使用加热棒进行干燥处理。

（2）用清水进行清理，在清理孔内泥浆后，再使用棉丝将孔壁擦干，当孔壁彻底干透后才可进行下一道工序。假如对工期有要求可以使用加热棒将孔内进行烘干。

1.4.2 钢筋埋设施工

（1）科学配制锚固胶。在配制锚固胶时可以将产品说明书作为依据，也可以凭借施工人员的已有经验，在确保配比满足标准后再进行均匀的搅拌。

（2）埋设盲孔钢筋。在孔洞2/3位置加入锚固胶，将无锈蚀情况的钢筋插入到孔内并保证钢筋可以插入到设定位置为止。钢筋插入的过程中若胶体未溢出，说明锚固胶注入量不够，应将钢筋拔出，进行二次注胶后再将钢筋插入到孔内，使锚固胶可以溢出到孔外。

（3）埋设通孔钢筋。钢筋通过除锈处理后再插入到孔中，封堵孔洞两端时可以使用环氧砂浆。在进行封堵时可以在一端孔口位置预留注胶孔，另外一端预留出气孔。在确认环氧砂浆凝固后再进行注胶施工。锚固胶先打入到胶筒中并按照要求安装打胶嘴，然后向孔内打胶。

（4）垂直通孔植筋时与第三条操作基本相同，但是在进行打胶时应由孔底向上进行打胶，出气孔有胶体溢出时说明打胶完成。

2 既有建筑加固方案对比

2.1 以往所使用的加固施工方案

以往在进行建筑加固施工时多采用剪力墙结构，并将框架结构转变为框架抗震墙结构，而且在实施加固时可以对层间结构进行控制，利用剪力墙对抗地震的作用，并对框架加固梁进行控制。因为建筑物基础结构多为大直径扩底墩，剪力墙结构自重会增加，基础结构加固时可以采用补桩方式［3］。

2.2 消能减震加固施工方案

在使用阻尼器时，可以以附加阻尼器为主，但是无法保证刚度，可以应用到结构构件承载能力不足的情况下。但是在结构刚度与设计要求相差不多的结构中，在设计屈曲约束支撑时，小震时不屈服耗能只单独提供刚度，中震或是大震时屈服耗能可以应用到刚度不足的建筑物中。因为屈曲约束支撑可以提升建筑结构的刚度，提升结构地震作用，特别是子结构受力较大时。在进行加固时结构整体刚度与设计目标基本相同，应与建筑物功能、阻尼器特点进行结合，最终确定阻尼器加固方案。在既有建筑改造时使用消能减震加固技术可以减少建筑结构构件加固作业量，将消能减震构件与原有构件连接就可以完成加固，其他构件只需要少量加固措施就可以与设计要求相符。

3 既有建筑加固中消能减震加固方案设计内容

3.1 合理设置阻尼器位置并保证参数满足要求

结合附加阻尼比、相关经验及建筑平面布置情况，假定阻尼器设置位置，利用连接单元对阻尼器带入ETABS模型进行准确的模拟与试算，对阻尼器安装位置、连接单元参数、阻尼器使用量进行调节，进而满足附加阻尼比要求。将满足要求的连接单元参数作为阻尼器产品的选择依据，然后得出建筑物结构所需要的阻尼器系数与阻尼指数并对阻尼器具体使用量进行确定。安装阻尼器时应保证安装位置的准确性，通常会在楼层平面位置安装阻尼器，要对阻尼器的安装间距及对称性进行控制，利用此来降低地震时的集中应力并平衡建筑物结构刚度。布置竖向阻尼器时可以参照非减震设计模型计算结构及最大层间位移结构模型，在位移角偏大的位置安装阻尼器，然后计算一个阻尼器模型有限元并得到最大层间位移角度，然后再安装阻尼器，如此循环操作可以完成竖向阻尼器布置。但是在进行阻尼器安装时不得在某一层过于密集，要确保竖向安装的均匀性。在选择阻尼器时可以将悬臂墙式黏滞阻尼器作为首选，以避免给建筑物使用功能带来影响［4］。

3.2 轴向型金属阻尼器的应用

轴向型金属阻尼器是一种可以移动的金属阻尼器，属于轴向受力的金属阻尼器，受力形式主要以支撑方式为主。轴向型金属阻尼器是将软钢芯材料根据构件长度进行设置，并利用变形过程完成轴向变形及屈服耗能。在对耗能芯材进行屈曲约束、加筋设计及耗能芯材形式设计时主要是利用了外套筒，进而减少屈服耗能构件局部所产生的缺陷或是屈曲延性影响，进而保证芯材的延性可以满足轴向耗能阻尼器对性能的要求。轴向型金属抗震阻尼器主要构造包括外约束套筒、加筋结构和耗能芯材，其可以灵活调节参数与长度，在连接时多会采用轴向连接方式。

3.3 小震限值计算

完成加固施工后，小震情况下最大层间位移角限值为1/550，大震最大间层位移角限值为1/50。只有少部分梁柱界面需要加固施工，并不需要使用增加截面面积进行加固。因为黏滞阻尼器无法提供刚度，所以只需要将阻尼比输入到PKPM中就可以完成试算，进行附加阻尼比计算时通常会采用以下两种方法。

（2） 模态耗能比法。使用模态耗能比法计算ζd： ζd=ζ0Ed/Ec。在算式中Ed为消能减震构件过程中的耗能情况； Ec是完成加固后的结构初始阻尼所积累的耗能情况；ζ0为加固后结构初始阻尼比。要想确保SAP2000分析模型应用的准确性可以与PKPM模型参数、SAP2000模型参数进行对比。两个模型质量间相差0.5%，前三个周期最大相差3.8%，可见两个模型相差并不大，并可以进行数值模拟计算。

根据相关建筑抗震规定可以选择两条人工地震波、五条天然地震波作为地震波加速度时程曲线。对比不同地震波对结构基地剪力所产生的作用与振型分解反应谱计算结果，各条时程曲线计算结果为：结构底部剪力均比振型分解反应谱法计算结果高出65%；7条时程曲线计算后所得到的结构底部剪力比振型分解反应谱法计算结果高出80%，与规范要求相符。

一周能力比法计算结果比模态耗能法要大，主要是因为一周能力比计算阻尼器耗能是计算每个阻尼器最大出力与最大位移乘积耗能，但是在实际使用时各黏滞阻尼器并不可能同时实现最大位移与最大出力。模态耗能比法是利用不同时间段积分所得到的能量，可以更加准确的对各黏滞阻尼器实际耗能进行考虑，准确性高于一周能量比法。在进行具体设计工作时应对计算公式与实际情况进行结合，并对使用过程中的问题进行综合考虑，控制计算误差。《建筑消能减震及隔震技术标准》（DG/TJ08-2326-2020）中的第6.3.2条指出应对附加阻尼比公式中的问题与实际结构所带来的影响进行考虑，分别对一周能量比法所得到的结果乘以70%的折减系数与模态耗能比法计算结果乘以90%折减系数，最终完成修改。

3.4 大震限制计算分析

建筑结构大震弹塑性时程分析时可以使用SAUSAGE软件，直接模拟结构地震作用非线性反应分析，可以使用显示积分动力弹塑性分析法。建筑框架梁柱在大地震作用下均会被破坏，损伤因子最大平均值不得超过0.5，此时破坏度为中度。

3.5 合理设计既有建筑子结构

子结构可以直接与消能减震构件进行连接，形成主体结构单元。根据相关消能减震规定要求可以根据构件的重要性进行复核，验算大震作用下极限承载能力。大震作用验算可以采用SAUSAGE软件，但应对子结构构件材料弹性进行合理设置，避免因大震作用影响子结构塑性内力。大震作用下子结构验算可以使用PMM屈服面，通过复核确定子结构中的内力包络与极限承载力要求相符。

4 结语

在进行既有建筑改造工程采用消能减震加固技术时，应合理进行方案设计并保证计算的精准度，通过消能减震加固技术提升既有建筑的抗震性能，同时可以控制工期、成本并降低地震给建筑物所带来的影响。在进行设计时应对整体结构、子结构进行综合考虑并合理设置阻尼器，充分发挥其作用，提升既有建筑整体加固效果与抗震能力。

参考文献：

［1］雷才波.消能减震技术在工程结构设计中的应用［J］.工程建设与设计，2022（17）：32-34.

［2］周高照，王洪欣，李晓丽，等.工业化建筑隔震及消能减震关键技术应用简述［J］.住宅与房地产，2022（17）：18-25.

［3］高乐，刘玲华，王璐，等.消能减震技术在高层框支剪力墙结构中的应用研究［J］.四川建材，2022，48（1）：72-74.

［4］崔立杰，王兵，马立荣.基于消能减震技术的工程应用与研究［J］.居舍，2020（28）：46，70.