幾種抗震加固方法的分析比較

汪凱

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200002）

幾種抗震加固方法的分析比較

汪凱

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200002）

對于需要進行抗震加固改造的項目，在進行加固前采用一種有利于改善結(jié)構(gòu)整體抗震性能的加固方法很重要。該文對加大截面法、增設(shè)鋼支撐和增設(shè)阻尼器三種加固方法展開了分析介紹，同時結(jié)合工程實例闡述了結(jié)合工程實際情況選擇加固方法的重要性。

抗震性能；抗震加固；加大截面；鋼支撐；阻尼器

0 引言

我國是一個地震多發(fā)國，受制于經(jīng)濟發(fā)展水平，在很多地區(qū)仍有大量的危舊建筑還在繼續(xù)使用。隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，不少既有建筑物需要增加房屋高度、提高使用荷載、加大空間、加層等的改造。所以建筑加固和改造的工作越來越引起社會方方面面的重視。

隨著抗震理論水平的提高、設(shè)計與施工經(jīng)驗的積累以及抗震規(guī)范的重新修訂并頒布及實施，對于設(shè)防烈度提高地區(qū)或抗震設(shè)防水準較低的、經(jīng)歷地震而產(chǎn)生損傷以及建筑功能改變的結(jié)構(gòu)，需要對其進行抗震鑒定，并根據(jù)抗震鑒定結(jié)果選取合理的處理方法，如繼續(xù)使用、加固或廢除等。我國抗震鑒定的依據(jù)是《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009［1］，在結(jié)構(gòu)抗震加固案例中，往往會忽略局部構(gòu)件的加固改造會對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能產(chǎn)生一定的影響，實際上局部加固對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，但由于構(gòu)件剛度的變化將引起構(gòu)件內(nèi)力的重分布，個別構(gòu)件彈性內(nèi)力增加幅度較大，這在抗震加固中應當引起足夠重視，應當將局部構(gòu)件加固與結(jié)構(gòu)整體抗震性能結(jié)合起來，從構(gòu)件截面層次和結(jié)構(gòu)整體變形兩方面來評價加固結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外加固方法的選擇和加固方案的制定是緊密聯(lián)系的，為了達到預定的加固效果并考慮經(jīng)濟因素，應將加固方法和加固方案結(jié)合起來，以經(jīng)濟性和施工方便性為指標，通過試算來確定最終加固方案。在結(jié)構(gòu)抗震加固方面，目前有多種加固處理方法可供參考選取，本文將重點以加大截面、增加鋼支撐和增加粘彈性阻尼器三種加固方法展開分析比較，探討局部抗震加固與結(jié)構(gòu)整體性能的聯(lián)系，總結(jié)加固方法與加固方案的聯(lián)系。

1 加大截面法

在目前需要進行加固的建筑物里，主要可以分為兩類：（1）在發(fā)生了地震的區(qū)域，地震震害表明，各種原因造成的強梁弱柱非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)還是存在的［2］，在水平地震荷載作用下，其塑性鉸出現(xiàn)在柱頭，產(chǎn)生剪切破壞，延性耗能機制無法實現(xiàn)。為改善這類結(jié)構(gòu)的抗震性能，需對建筑物進行抗震驗算，再進行相應的抗震加固。（2）新老規(guī)范的差異和建筑物本身使用功能改變后，結(jié)構(gòu)在經(jīng)過抗震加固鑒定后，往往面臨位移不滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求且差得較大，框架柱軸壓比（μ=N/fcA）無法滿足規(guī)范要求，同時由于結(jié)構(gòu)使用功能的變化，框架梁的承載力無法滿足要求，需對結(jié)構(gòu)進行相應加固。

對于鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件，其承載力需滿足：

式中N為軸向壓力設(shè)計值；φ為鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；A為構(gòu)件截面面積。

對于地震作用組合的框架梁，其受剪承載力設(shè)計值：

式中Vb為框架梁的剪力設(shè)計值；b為框架梁梁寬，h0為框架梁有效截面高度。

對比公式（1）、（2）可以發(fā)現(xiàn)通過增加框架柱斷面和框架梁斷面，可以顯著提高相應構(gòu)件的承載力和抗剪能力。結(jié)合以往項目加固經(jīng)驗，加大截面法是一種經(jīng)濟、快捷、有效的方法，可改善結(jié)構(gòu)受力體系，使塑性鉸從柱端移至梁端，從而增加結(jié)構(gòu)的延性，同時可以顯著提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，減小結(jié)構(gòu)的位移和改善結(jié)構(gòu)的抗扭性能。

由于新增加斷面與原有構(gòu)件斷面的混凝土是分開澆筑的，且間隔時間較長，因此加大截面法在設(shè)計構(gòu)造方面必須解決好新加部分鋼筋混凝土與原有部分鋼筋混凝土的整體工作共同受力問題。目前通常是通過設(shè)置足夠的貫穿于結(jié)合面的剪切摩擦筋或錨固件將兩部分連接起來,來實現(xiàn)新老混凝土的連接。試驗研究表明,加固結(jié)構(gòu)在受力過程中,結(jié)合面會出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等各種復雜應用,其中關(guān)鍵是剪力和拉力,在彈性階段,結(jié)合面的剪應力和法向拉應力主要是靠結(jié)合面兩邊新舊混凝土的粘結(jié)強度來承擔，在開裂后極限狀態(tài)下,則主要是通過貫穿結(jié)合面的錨筋或錨栓所產(chǎn)生的被動剪切摩擦力傳遞。由于結(jié)合面混凝土的粘結(jié)抗剪強度及法向粘結(jié)抗拉強度遠遠低于混凝土本身強度,因此在復核增大截面的構(gòu)件的受力性能時，可以將新增混凝土和鋼筋的強度乘以折減系數(shù)0.85，來作為對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的一種修正。

另外在增大柱截面設(shè)計中,經(jīng)常遇到新加柱的縱筋與鋼筋混凝土框架梁相碰的問題,常用的處理方法是在梁上穿孔,將鋼筋從梁中穿過或通過設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼套),與梁上下鋼筋相連,以達到鋼筋受力有效傳遞的目的。第一種做法的優(yōu)點是能使鋼筋上下貫通,有利于柱子的受力,但缺點是需要在原有框架梁上打孔,容易傷及框架梁中的受力鋼筋。第二種做法需要做一個過渡的鋼套,對于豎筋較多的柱,鋼套的受力和尺寸較大,鋼套的施工質(zhì)量不容易保證,容易形成質(zhì)量缺陷。結(jié)合加固施工現(xiàn)場反饋的意見，讓柱鋼筋全部從框架梁兩側(cè)繞過,然后采用1∶6的坡度內(nèi)收至設(shè)計位置,可以解決柱的縱筋與鋼筋混凝土框架梁相碰的問題，同時克服了上述兩種方法的不足，見圖1。

圖1 框架柱加大截面鋼筋繞過梁做法

構(gòu)件截面增大后，往往由于自重的加大和水平地震力的增大,會導致豎向構(gòu)件軸向力增大，這可能會導致基礎(chǔ)的承載力無法滿足新的要求，因此在對上部結(jié)構(gòu)加固后，需要對基礎(chǔ)重新驗算和加固。加大截面法簡單易行，在局部柱截面不足的情況下，更容易實現(xiàn)。但應嚴格按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB50367—2006［3］和《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》JGJ116—2009［4］要求進行相關(guān)計算，并滿足其構(gòu)造要求，同時應注意加固后的框架應避免形成短柱、短梁或強梁弱柱。

2 增設(shè)鋼支撐

鋼支撐加固是在主要框架內(nèi)部或外部附加若干鋼支撐，適用于多高層空間框架結(jié)構(gòu)，可以滿足各層抗側(cè)剛度、強度和結(jié)構(gòu)延性要求。目的是通過提高框架的側(cè)向剛度和承載力來改善其抗震性能。由于增設(shè)外支撐體系，水平荷載從框架傳入支撐桿，分擔了較弱框架柱承受的荷載，也提高了柱強度。同時，新增型鋼支撐又受到混凝土框架的有利約束，鋼支撐可以很好地分擔柱子的水平地震力,增加結(jié)構(gòu)的剛度，目前在工程加固中應用較多的是x形支撐和K形支撐，其中尤其以x形支撐居多，設(shè)置鋼支撐后能有效減少結(jié)構(gòu)位移。但由于鋼支撐受力較大,所以與之相連的柱子可能需要加固處理,同時這些柱下基礎(chǔ)也要進行復核驗算來確認是否需要加固。設(shè)置鋼支撐后容易造成結(jié)構(gòu)剛度的突變，在進行抗震加固設(shè)計需對結(jié)構(gòu)整體受力性能進行分析對比。

在進行實際抗震鑒定設(shè)計計算時，鋼支撐加固體系結(jié)構(gòu)受剪承載力設(shè)計值可按以下方法考慮:

式中:V為加固后體系的受剪承載力設(shè)計值;Vcs為鋼筋混凝土框架部分受剪承載力設(shè)計值。按我國現(xiàn)行規(guī)范計算，必須要考察混凝土部分損壞程度，若預先已作裂縫修補；Vbs為鋼支撐體系部分受剪承載力設(shè)計值，可以上層撐桿壓曲控制，并考慮混凝土及化學錨栓共同工作的增強作用。撐桿兩端近似按固接，有效計算長度系數(shù)K可取0.65左右。

在選擇采用鋼支撐作為建筑物加固方法時，還應滿足以下構(gòu)造要求:(1)權(quán)衡支撐剛度、延性和耗能等各方面要求，x形斜撐桿有效長細比應限制在100以內(nèi)，盡量不超過80。(2)對于混凝土強度等級大于C30的框架柱可以利用錨栓在原框架上固定支撐體系，為保證混凝土框架和鋼支撐體系協(xié)同工作可靠性，節(jié)點區(qū)域化學錨栓數(shù)量及直徑應計算選用并適當加強。對于混凝土強度等級小于C30的框架柱，不可采用化學錨栓固定，首先對框架柱進行加固計算，然后再固定鋼支撐。

3 增設(shè)粘彈阻尼器

一般情況下，結(jié)構(gòu)阻尼加大，則地震作用將減小。在地震作用時結(jié)構(gòu)變形相對較大的部位，適當布置阻尼器，使結(jié)構(gòu)阻尼加大,地震作用將減小,從而達到抗震加固的目的，這種被動耗能減震的抗震加固措施在歐美發(fā)達國家和日本應用較多，其中粘彈性阻尼器被認為是被動耗能減震裝置中最有前途的一種，它的耗能能力取決于粘彈性材料的力學性能，但由于工程造價較高，在我國進行減震設(shè)計和抗震加固領(lǐng)域還處于逐步認識和推廣階段。

粘彈性阻尼器中的粘彈性材料為高分子聚合物，這種材料既具有粘性又具有彈性。在受到交變應力作用產(chǎn)生變形時，一部分能量像位能那樣儲存起來，另一部分能量則被轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉。在材料學中常用儲能模量G1來衡量其儲能特性，用損耗模量G2或損耗因子η（η=G2/G1）來衡量其耗能特性。粘彈性材料的剪切模量和損耗因子受環(huán)境溫度和頻率的影響尤為顯著，G1隨溫度的升高而降低，隨頻率的升高而升高。因此當應變量較大時，由于能量轉(zhuǎn)換成熱量過程的發(fā)生，阻尼器本身的性能為非線性變化，這導致其耗能性能會受到一定的影響。

通常設(shè)置阻尼器的抗震加固是在需要加固的建筑物中抗震性能無法保證的地方增設(shè)阻尼器，在風荷載和輕微地震作用時，阻尼器處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系具有足夠的側(cè)向剛度滿足正常使用要求；在強地震發(fā)生時，隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大，粘彈性阻尼器率先進入非彈性狀態(tài)，大量耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進入明顯的非彈性狀態(tài)，并迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應，從而使主體結(jié)構(gòu)在強震下免遭破壞，隨著應變幅值的增加，黏彈性阻尼器的剪切存儲模量和剪切損失模量都有所降低，損耗因子有一定波動。當應變幅值達到300%以上時，阻尼器剛度有明顯降低，但直到420%大應變下，阻尼器仍能正常工作而不破壞，表明黏彈性阻尼器有較強的變形能力［5］。阻尼器在小震、中震、大震作用下都表現(xiàn)出優(yōu)良和穩(wěn)定的性能,避免了薄弱層的出現(xiàn)和局部破壞,使結(jié)構(gòu)的安全度大大提高。由于阻尼器體積較小，基本不影響建筑物的使用功能，并且可以大大降低施工工期和施工復雜度。

由于阻尼器主要依靠自身的較強的耗能能力來達到改善建筑物的抗震性能的，對于因次生災害而造成破壞而需要進行抗震加固的建筑物，必須先對相應構(gòu)件進行修繕和改造，經(jīng)過抗震加固鑒定后，根據(jù)建筑物的受力性能才能確定能否通過設(shè)置阻尼器進行抗震加固。

4 抗震加固工程應用

下面以上海市復旦大學附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院3號樓加層改建項目和上海市某政府機關(guān)辦公樓改造項目對以上抗震加固方法的應用做分析比較。

4.1 上海市復旦大學附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院3號樓加層改建項目（項目一）

此項目始建于1984年，按74規(guī)范設(shè)計，為5層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系為單向Y方向兩跨框架結(jié)構(gòu)，為非抗震設(shè)計，原Y向框架梁截面300mm×600mm，x向聯(lián)系梁截面200mm×430mm，按抗震規(guī)范要求對加層后方案進行抗震驗算后，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)的單向框架體系明顯無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，框架柱軸壓比，層間位移角均明顯不滿足規(guī)范要求，由于初始設(shè)計沒有考慮抗震，結(jié)構(gòu)體系為單向兩跨框架結(jié)構(gòu)，抗震加固不僅需要對原有框架柱進行加固改造，還得對x向聯(lián)系梁加固為框架梁以滿足抗震需要，因此本項目是無法直接通過設(shè)置鋼支撐或阻尼器來實現(xiàn)抗震加固的，最終選擇了用加大截面法來進行抗震加固改造，框架柱截面400mm×500mm采取四邊加大截面的加固措施，加大截面為600mm×700mm，同時在1～5層建筑兩側(cè)各布置兩道寬200mm、長2m的混凝土墻，x向連系梁斷面尺寸增大到350mm×570mm按此布置重新計算后，各項技術(shù)參數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定。由于項目加層，同時由于框架柱端面增大，地震作用增大，原有基礎(chǔ)無法滿足設(shè)計要求，對基礎(chǔ)進行了加固處理?；A(chǔ)加固采取補靜壓錨桿樁的措施，加固施工竣工后各項觀測結(jié)果表明加固措施取得了預期效果，見圖2。

圖2 項目一結(jié)構(gòu)平面圖

4.2 上海市某政府機關(guān)辦公樓改造項目（項目二）

此項目為4層框架結(jié)構(gòu)，按1989年抗震規(guī)范設(shè)計，建于1993年，由于使用功能和建筑立面發(fā)生改變，需對項目進行相應改造?？拐鸺庸惕b定驗算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)位移不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，同時存在梁柱抗震作用抗剪截面不夠，項目施工周期短，為了保證項目的完工時間節(jié)點，需采取合理有效的抗震加固措施，分別按加大截面法、增設(shè)鋼支撐和增設(shè)粘彈阻尼器三種方法對結(jié)構(gòu)進行了分析比較。

（1）框架柱截面由400mm×400mm增大到550mm× 550mm后，自重加大，需對基礎(chǔ)進行驗算和加固，同時由于框架柱截面加大，水平地震作用增大，框架梁受力增加，原有梁尺寸不滿足抗震要求。

（2）增加鋼支撐后，鋼支撐分擔了框架柱的水平地震力，位移變小，但鋼支撐受力較大，與之相連的框架柱不能滿足既有的受力要求，需要進行加固，同時設(shè)計模擬發(fā)現(xiàn)，設(shè)置鋼支撐的樓層層間剪力減小，而未設(shè)置鋼支撐的樓層則急劇增大。對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能不利。

（3）在設(shè)置鋼支撐的部位設(shè)置粘彈阻尼器，利用粘彈阻尼器的耗能能力，降低了地震作用，粘彈阻尼器可以根據(jù)輸入的能量或地震力被動調(diào)節(jié)本身的出力和耗能，使結(jié)構(gòu)性能處于一個平穩(wěn)的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)設(shè)置鋼支撐時出現(xiàn)的樓層剪力突變。

因此對本項目而言，設(shè)置粘彈阻尼器并對框架柱進行局部強度加固后，可以改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，使各項抗震指標滿足規(guī)范要求，同時施工快捷，滿足了業(yè)主的時間要求，見圖3。

圖3 項目二結(jié)構(gòu)平面圖

對比兩個項目最終的抗震主要分析結(jié)果（見表1），兩個項目的抗震加固方法均取得較好的效果。

5 結(jié)論

（1）加大截面是一種經(jīng)濟、便捷行之有效的加固方法，但由于結(jié)構(gòu)主要受力截面的增大，會帶來地震作用的放大，而導致其它構(gòu)件，比如框架梁、基礎(chǔ)受力的增大，進而導致更多的加固工作。如果項目的梁板柱構(gòu)件無損壞，可以優(yōu)先考慮采用增設(shè)支撐和阻尼器的方法來減小地震效應，但增設(shè)阻尼器或者鋼支撐都會對相鄰結(jié)構(gòu)有不同程度的影響，設(shè)計時應避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的突變。

（2）每個項目都有自身的特點，選擇抗震加固方法時，很難提出通用的施工方法和技術(shù)措施，在確定抗震加固方法時，必須將局部抗震加固與結(jié)構(gòu)整體性能聯(lián)系起來，在分析抗震加固能解決問題的同時，還需要分析加固方法對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的其它影響，保證既有建筑物抗震加固改造工程的安全和有效。

表1 項目一、二加固前后抗震主要分析結(jié)果

[1]GB50023-2009建筑抗震鑒定標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]傅學怡．汶川、臺灣建筑震害啟示-改進規(guī)范的幾點建議[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(7)：15-16.

[3]GB50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S]．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006．

[4]JGJ116—2009建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[5]徐趙東.抗震加固的粘彈性阻尼減振（震）新技術(shù)[J]．建筑技術(shù)，2009，40(6)：527-530.

責任編輯：孫蘇，李紅

Analysis and Comparison of Several Seismic Reinforcement Methods

For the project calling for seismic reinforcement,it is of great importance to apply a reinforcement method to improve seismic performance of whole structure.Ways of section enlarging,steel support adding and damper adding are introduced.Combined with practical engineering cases,the importance of reinforcement method choosing in accordance with actual engineering situation is confirmed.

seismic performance;seismic reinforcement;section enlarging;steel braces;damper

TU375

A

1671-9107（2013）07-0043-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.043

2013-06-17

汪凱（1981-），男，安徽望江人，研究生，工程師，主要從事軌道交通車站、醫(yī)院和酒店辦公樓的結(jié)構(gòu)專項設(shè)計工作。