基于“有機(jī)更新理論”談建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展趨勢

北京市地震局 任志林 康現(xiàn)棟

基于“有機(jī)更新理論”談建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展趨勢

Talking about development tendency of structural earthquake-resistant technology based on“organic renewal theory”

北京市地震局 任志林 康現(xiàn)棟

經(jīng)汶川地震后，人們越來越意識到房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防和加固的必要性，對建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)開始有了深入的研究。目前，我國抗震加固主要以傳統(tǒng)加固方法為主。這些抗震加固方法雖對提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能很有幫助，但加固施工費(fèi)時費(fèi)力，工期較長，且經(jīng)濟(jì)性不佳。加之在施工中造成嚴(yán)重的振動、噪聲和粉塵污染，已難以適應(yīng)當(dāng)代經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的要求，因而需要著力研究與推廣新型抗震加固方法。本文通過對傳統(tǒng)與新型抗震加固技術(shù)的比較，基于城市“有機(jī)更新理論”的核心思想，分析建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展趨勢，認(rèn)為建筑結(jié)構(gòu)“不入戶加固”的新型附加子結(jié)構(gòu)加固方法，體現(xiàn)出當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的適用性。

“有機(jī)更新”理論原是吳良鏞提出的城市規(guī)劃理論，其核心思想是城市改造應(yīng)順應(yīng)城市原有的肌理，實現(xiàn)有機(jī)秩序?；凇坝袡C(jī)更新”理論核心思想，建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展的理想模式是，盡量減小甚至消除加固施工對建筑功能的中斷和影響，在不降低使用性能的條件下實現(xiàn)抗震性能的提升，就像有機(jī)體的新陳代謝那樣，在發(fā)揮正常功能的同時完成有機(jī)體的更新。下面對傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)與三種新型附加子結(jié)構(gòu)加固技術(shù)進(jìn)行對比，說明新型加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)概述

我國傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)，主要通過提高承載力和增加結(jié)構(gòu)變形能力，即延性來實現(xiàn)。其中以提高承載力為目標(biāo)的抗震加固方法，對于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能、減少地震損傷有很好的效果。典型做法主要有：（1）增設(shè)抗震墻?？拐饓哂泻艽蟮某休d力和抗側(cè)剛度，是非常有效的抗側(cè)力構(gòu)件。與既有結(jié)構(gòu)組成的抗震剪力墻體系可以增加結(jié)構(gòu)的承載能力和整體性，能夠有效地阻止部分結(jié)構(gòu)的側(cè)向傾移，但施工比較復(fù)雜。（2）增設(shè)鋼支撐框架。結(jié)構(gòu)中斜撐也具有很大的承載力和抗側(cè)剛度，與抗震墻相比，斜撐主要承受軸力作用，受力狀態(tài)比較明確。采用鋼支撐進(jìn)行加固時，鋼支撐連接在混凝土框架的節(jié)點(diǎn)上，容易受到管道等布置部位的限制，且產(chǎn)生的剪力容易引起混凝土節(jié)點(diǎn)的開裂破壞。

以增加結(jié)構(gòu)延性為目標(biāo)的抗震加固方法，主要集中于對框架梁柱的加固。典型的做法包括：（1）粘鋼加固法。用結(jié)構(gòu)膠把薄鋼板粘貼在混凝土柱表面，使鋼板與混凝土協(xié)同工作的一種加固方法。（2）粘碳纖維加固法。用黏結(jié)劑把碳纖維粘貼在混凝土柱表面，增加延性。試驗表明，上述加固方法均能有效地提高鋼筋混凝土柱的變形能力，增加結(jié)構(gòu)的延性。然而，這種基于延性的加固方法允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中產(chǎn)生較大的損傷，使得結(jié)構(gòu)在震后難以修復(fù)而不得不拆除重建，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

建筑結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)，雖然在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能、減少地震損傷，但出現(xiàn)的種種問題也使得基于延性和承載力的抗震加固技術(shù)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，難以適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和基于性能的地震工程發(fā)展的需求?；谛阅芸拐鹪O(shè)計的基本思想是，被設(shè)計的建筑物在使用期間滿足各種預(yù)定功能或性能目標(biāo)要求。不同于以往按照規(guī)范條文設(shè)計，基于性能的設(shè)計方式，可以顧及房屋使用者對建筑物安全功能需求的多樣性，更加明確抗震性能及其相應(yīng)風(fēng)險水平的評估和經(jīng)濟(jì)效益的定量分析。因此，研究基于性能設(shè)計的新型加固方法，是建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)的發(fā)展趨勢。

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)基本概念

附加子結(jié)構(gòu)加固方法，是將附加子結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)通過有效措施結(jié)合起來，形成一個新的整體結(jié)構(gòu)。既實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)抗震能力的提升，還可以改善既有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，形成更合理的損傷屈服機(jī)制，從而減小結(jié)構(gòu)的層間位移和總位移，使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到更充分的利用，達(dá)到抗震加固的目的。

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)加固施工作業(yè)只在建筑物的外部進(jìn)行，而不進(jìn)入建筑物內(nèi)部，結(jié)構(gòu)布置靈活，施工周期短，可最大限度地減少對建筑物正常使用的影響。

附加鋼支撐加固

附加混凝土框架加固

附加鋼支撐框架加固

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)加固的設(shè)計原則

附加整體子結(jié)構(gòu)抗震加固，著眼于改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與變形模式，提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力、變形能力和耗能能力。主要有以下設(shè)計原則：（1）附加子結(jié)構(gòu)要具有足夠的剛度和承載力，防止結(jié)構(gòu)局部屈曲；（2）附加子結(jié)構(gòu)在平面布置上要均勻?qū)ΨQ，避免剛度突變；（3）附加子結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)要有可靠連接，保證兩者的整體性能。承載力不足要進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，必要時可增設(shè)可靠基礎(chǔ)。

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)典型類型

“不入戶”附加子結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，因為不中斷建筑的正常使用，施工周期短，不會對房間內(nèi)部裝修、環(huán)境及房間的正常使用等造成過多影響，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益而被廣泛的應(yīng)用。目前，新型抗震加固典型類型主要有附加鋼支撐、附加混凝土框架、附加鋼支撐框架三種。

（1）附加鋼支撐加固。附加鋼支撐桿件的兩端與混凝土框架的梁柱節(jié)點(diǎn)連接，本身具有很大的剛度和承載力。這一方法在為結(jié)構(gòu)提高抗震承載力的同時，還改善原有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式，使側(cè)向變形沿高度分布更加均勻，從而減小了結(jié)構(gòu)的層間位移和總體位移，提升了部分結(jié)構(gòu)的抗震性能。附加鋼支撐加固，主要適用于抗震設(shè)防要求較低的地區(qū)，以及主要由風(fēng)荷載控制的多層和高層建筑。

（2）附加混凝土框架加固。附加混凝土框架加固與附加鋼支撐加固相似，都是通過增加抗側(cè)剛度和承載力，提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。雖然附加混凝土框架提供的抗震承載力低于附加鋼支撐，但卻可以避免因框架加固斜撐對窗戶視野和采光的影響，具有建筑功能意義上的吸引力，主要適用于抗震設(shè)防要求較低的地區(qū)。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土框架大大地提高了抗震承載力，是一個主要的發(fā)展趨勢。

（3）附加鋼支撐框架加固。附加鋼支撐框架通常分布于結(jié)構(gòu)全高，與既有結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個整體，在鋼支撐與混凝土框架的基礎(chǔ)上，更好地增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與抗震承載力，同時結(jié)構(gòu)整體性與空間作用得到很大的加強(qiáng)，受力狀態(tài)更加均勻、穩(wěn)定，顯著改善結(jié)構(gòu)在大震下的耗能能力，具有很高的實用價值。附加鋼支撐框架加固主要適用于抗震設(shè)防要求較高的地區(qū)，以及需要大幅度提高承載力和抗震能力的建筑。

結(jié)論

現(xiàn)代社會，經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展促使我國建筑功能相關(guān)技術(shù)不斷提升，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)已經(jīng)不能滿足時代發(fā)展的要求，很多新型抗震加固方法應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的“不入戶”整體附加子結(jié)構(gòu)抗震加固方法，既可以使建筑加固有效地改善結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，還可以滿足工作周期短、不中斷建筑結(jié)構(gòu)正常使用的功能要求。這一加固方法經(jīng)濟(jì)、合理、高效，具有推廣價值。目前有關(guān)新型附加子結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，需要進(jìn)一步研究。