新疆人民劇場(chǎng)基礎(chǔ)隔震加固設(shè)計(jì)

崔 秀 麗

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451100)

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)仍存在大量且在使用的老舊砌體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行維修、加固或拆除，所以對(duì)高烈度區(qū)的磚砌體房屋進(jìn)行抗震加固十分有必要[1,2]。

采用隔震技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行抗震加固，即將常規(guī)的“硬抗”變?yōu)椤败浛埂?。該技術(shù)通過(guò)在建筑物下部設(shè)置一道隔震層來(lái)減少地震能量對(duì)上部結(jié)構(gòu)的輸入，以減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高建筑物抗震能力[3,4]。在美國(guó)、日本、新西蘭、中國(guó)均有成功的工程實(shí)例，加固效果十分顯著[5]。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些加固成功的案例，但只是對(duì)一些高烈度區(qū)的中小學(xué)教學(xué)樓和宿舍樓進(jìn)行了隔震加固改造，而對(duì)大型公共建筑的隔震加固改造研究較少。

經(jīng)檢測(cè)，鑒定該工程抗震能力已不能達(dá)到乙類(lèi)建筑的抗震能力，須進(jìn)行抗震加固，由于該建筑為重點(diǎn)文物建筑，基礎(chǔ)以上部位不得進(jìn)行大面積的加固，只能在有限空間進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。為滿足該建筑的特殊性要求，經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)的抗震加固方案對(duì)比，本次加固宜采用基礎(chǔ)隔震加固。

1 工程概況

新疆人民劇場(chǎng)自1955年8月動(dòng)工修建至1956年12月中旬完工，建筑面積為10 407.06 m2，地下室層高3.3 m，1層層高4.8 m，2層層高3.6 m，3層、4層層高均為3.3 m。建筑高約16 m；為典型的蘇式建筑。該建筑的外立面如圖1所示，PKPM整體計(jì)算模型如圖2所示。

該建筑為蘇式大空曠磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，抗震設(shè)防類(lèi)別：乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度：8度(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場(chǎng)地特征周期0.4 s，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，使用年限30年，基本風(fēng)壓：0.6 kN/m2，地面粗糙度：B類(lèi)。

2 房屋質(zhì)量檢測(cè)與加固方案的選擇

2.1 檢測(cè)結(jié)果

地基基礎(chǔ)檢測(cè)結(jié)果：該工程基底土質(zhì)為沙礫，基礎(chǔ)為漿砌片石條形基礎(chǔ)，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻沉降出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫等異?，F(xiàn)象。承重墻體檢測(cè)結(jié)果：承重墻體沒(méi)有因承載力不足而引起裂縫及變形現(xiàn)象?？拐饦?gòu)造措施檢測(cè)結(jié)果：該工程抗震構(gòu)造符合原設(shè)計(jì)圖紙要求，但不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。

對(duì)該工程舞臺(tái)檢修平臺(tái)及上口檢查口進(jìn)行檢測(cè)：舞臺(tái)設(shè)有四層檢修平臺(tái)及一層設(shè)備平臺(tái)，二層檢修平臺(tái)頂板懸挑梁根部高度約235 mm，端部高度約300 mm，在梁底出現(xiàn)水平裂縫，裂縫寬度約0.4 mm；舞臺(tái)檢修平臺(tái)檢查口后期擴(kuò)大，部分鋼筋被割斷，且未設(shè)置環(huán)梁進(jìn)行加強(qiáng)。第三層檢查口上人扶手與墻面錨固不到位，扶手松動(dòng)，所有開(kāi)洞洞口均為磚筋過(guò)梁。舞臺(tái)東北角和東北角距屋架下弦約2.0 m墻體有堿損現(xiàn)象，高度約1.2 m，長(zhǎng)度約6.0 m。舞臺(tái)燈室上部屋架砌筑為懸墻，上部自由端建議后期采用混凝土壓頂進(jìn)行處理。

2.2 加固方案的比較與選擇

2.2.1板墻加固墻體與鋼構(gòu)套加固梁相結(jié)合的方案

該方案以提高建筑物的整體抗震性能為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)基礎(chǔ)以上所有樓層的墻體、梁、板、柱等構(gòu)件通過(guò)增大結(jié)構(gòu)斷面、設(shè)置鋼筋網(wǎng)片以及外包鋼等方法進(jìn)行全面的加固，以滿足結(jié)構(gòu)抗震安全要求。該方法應(yīng)用比較廣泛，施工技術(shù)比較成熟，但結(jié)構(gòu)創(chuàng)面大、工作量大、工期長(zhǎng),而且以“硬抗”的方式增加了結(jié)構(gòu)自重和剛度，有時(shí)反而導(dǎo)致地震作用的加大,尤其是對(duì)于墻體的加固，復(fù)合面層與砌體的結(jié)合往往并不可靠，同時(shí)建筑內(nèi)外墻面、水電及內(nèi)裝飾的恢復(fù)也增加了工程成本，通常北京地區(qū)加固成本在2 000元/m2以上，南京地區(qū)也在1 500元/m2以上。對(duì)于本工程的外墻，若采用單面加固，加固效果較難保證，而雙面加固則勢(shì)必影響建筑外觀，這是本工程須避免的。

2.2.2基礎(chǔ)隔震方案

基礎(chǔ)隔震方案僅涉及底層地面以下，通過(guò)合理布設(shè)橡膠隔震支座設(shè)置隔震層，該支座豎向剛度很大，可以承受上百?lài)嵉暮奢d，水平剛度較小，只要有少量的水平荷載就發(fā)生變形，從而限制了傳入到上部結(jié)構(gòu)的地震力，使得上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)處在彈性狀態(tài)。

經(jīng)合理設(shè)計(jì)，除隔震層以下部分按常規(guī)設(shè)計(jì)外，上部結(jié)構(gòu)往往可按降低一度設(shè)防。采用基礎(chǔ)隔震方案根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，2個(gè)～3個(gè)月內(nèi)可完工；加固成本通常在1 000元/m2(建筑面積按常規(guī)工程測(cè)算)左右。

與板墻加固墻體與鋼構(gòu)套加固梁相結(jié)合的方案相比，基礎(chǔ)隔震方案具有創(chuàng)面小、工期短、加固成本低的特點(diǎn)，且建筑外觀及內(nèi)飾可以完全得以保護(hù)。

2.2.3加固方案的確定

方案一：傳統(tǒng)加固。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及構(gòu)造要求，基礎(chǔ)及基礎(chǔ)以上主體均須進(jìn)行加固處理，此方案將大面積破壞現(xiàn)有建筑及內(nèi)部裝修，對(duì)文物保護(hù)極其不利，甚至?xí)茐默F(xiàn)有文物。

施工范圍：全樓。

優(yōu)點(diǎn)：加固工藝及施工方法簡(jiǎn)單實(shí)用性廣，工程造價(jià)較低。

缺點(diǎn)：對(duì)建筑的外觀破壞嚴(yán)重，對(duì)建筑物的使用功能破壞嚴(yán)重，施工創(chuàng)傷面積大，施工周期長(zhǎng)。嚴(yán)重影響居民生產(chǎn)生活。施工濕作業(yè)面廣，業(yè)主須進(jìn)行停業(yè)配合施工，恢復(fù)性裝修費(fèi)用較高。

方案二：隔震加固。

基礎(chǔ)隔震方案僅涉及底層地面以下，通過(guò)合理布設(shè)橡膠隔震支座設(shè)置隔震層，該支座豎向剛度很大，可以承受上百?lài)嵉暮奢d，水平剛度很小，只要有幾噸的荷載就發(fā)生變形，從而限制了傳入到上部結(jié)構(gòu)的地震力，使得上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)處在彈性狀態(tài)(如圖3所示)。

與板墻加固墻體與鋼構(gòu)套加固梁相結(jié)合的方案相比，基礎(chǔ)隔震方案具有創(chuàng)面小、工期短，加固成本低的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)安全度高。

通過(guò)對(duì)比分析，擬采用基礎(chǔ)隔震方法對(duì)其進(jìn)行抗震加固，并對(duì)上部結(jié)構(gòu)中的部分問(wèn)題構(gòu)件進(jìn)行局部加固。

3 隔震加固

3.1 隔震層設(shè)計(jì)

本工程應(yīng)用單梁和雙夾梁來(lái)完成上部柱、墻荷載的托換。雙夾梁配合扁擔(dān)梁，施工方便，主要用于墻體下方荷載的托換；單梁施工較復(fù)雜，需要分段施工，本工程主要用于無(wú)墻下方隔震支座的連接。

墻體托換梁按照先內(nèi)墻后外墻托換順序原則進(jìn)行，內(nèi)墻托換采取先內(nèi)橫墻后內(nèi)縱橫墻進(jìn)行托換，托換部位墻體拆除采用水鉆靜力方法進(jìn)行。施工示意圖如圖4所示。

3.2 隔震分析

采用有限元分析軟件ETABS對(duì)人民劇場(chǎng)建立了精確的三維隔震結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

3.3 輸入地震動(dòng)及其評(píng)價(jià)

三維有限元分析模型建立完成后，按規(guī)范要求，選擇5條天然地震動(dòng)記錄和2條人工波，利用ETABS非線性有限元軟件對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體非線性時(shí)程分析，并與抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

提取有限元軟件計(jì)算的結(jié)果，考察隔震前后結(jié)構(gòu)自振周期、隔震前后底部水平向剪力、水平向減震系數(shù)等方面，可以發(fā)現(xiàn)隔震效果顯著。結(jié)構(gòu)采用隔震措施后，當(dāng)減震系數(shù)不大于0.4時(shí)，根據(jù)規(guī)范上部結(jié)構(gòu)可降低一度，即水平地震作用及抗震措施按7度(0.1g)采用。

4 結(jié)語(yǔ)

新疆人民劇場(chǎng)采用基礎(chǔ)隔震加固，結(jié)果表明，采用隔震加固方案能夠更好地滿足文物需求以及提升其抗震性能。初步得到以下結(jié)論：

1)與傳統(tǒng)抗震方案相比，基礎(chǔ)隔震方案具有創(chuàng)傷面小、工期短，加固成本低的特點(diǎn)，此外不破壞建筑的外觀，不影響建筑物的使用功能，非常適合應(yīng)用于文物以及重要建筑的加固改造。

2)簡(jiǎn)單介紹了砌體結(jié)構(gòu)中隔震支座在內(nèi)外墻體下的布置。

3)基礎(chǔ)隔震最大限度的保留了原結(jié)構(gòu)的外觀及內(nèi)部裝修，在此基礎(chǔ)上，減少了建筑垃圾排放等一系列問(wèn)題，響應(yīng)了國(guó)家當(dāng)前對(duì)于節(jié)約建材和減少建筑垃圾排放的倡導(dǎo)。