混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固技術與方法

唐曹明 吳樂樂 羅瑞

引言

地震是世界上最大的自然災害之一，具有巨大的破壞力，且伴隨著較多的次生災害，對人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。而我國處于地球最活躍的兩個地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是地震多發(fā)的國家之一。因此如何在地震發(fā)生過程中保護人民的生命財產(chǎn)安全，是一個永恒的話題。地震中建筑物的破壞是造成生命財產(chǎn)損失的主要原因之一。我國既有建筑面積超過400億平方米，且大部分建成于20世紀80年代前，已進入了“老年期”。限于當時的經(jīng)濟、技術條件，設計標準偏低，因而該類建筑存在著抗震能力弱、能耗高、使用功能不足等缺陷。若對這些進入“老年期”的建筑全部進行拆除重建，則將帶來巨大的經(jīng)濟損失并產(chǎn)生大量的建筑垃圾，造成環(huán)境污染。因此，提高早期既有建筑的抗震能力、改善使用功能、降低能耗顯得尤為重要。目前主要的解決辦法是對這類建筑物進行加固和改造。早期既有建筑結(jié)構(gòu)類型主要是混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和少量鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房?；炷两Y(jié)構(gòu)占比較大，其抗震加固技術的研究得到了廣泛的關注。本文結(jié)合既有混凝土結(jié)構(gòu)的特點，歸納總結(jié)目前主要的抗震加固技術與方法，為工程技術人員提供參考。

檢測與鑒定

（一）檢測

混凝土結(jié)構(gòu)的檢測主要包括四個方面的內(nèi)容：

1.結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查。主要是針對結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際尺寸與偏差、表面缺陷（如蜂窩、孔洞、露筋等）、裂縫、實際變形程度和損傷情況等的調(diào)查。

圖1 檢測流程

圖2 鑒定流程

2.結(jié)構(gòu)中鋼筋性能檢驗。主要是對鋼筋材質(zhì)、配筋數(shù)量、碳化深度、規(guī)格以及銹蝕程度等進行檢驗。

3.混凝土強度檢測。主要是對承重構(gòu)件的混凝土抗壓強度使用超聲、回彈、鉆芯取樣等方法進行檢驗。

4.結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的實荷實驗。主要用于對工程結(jié)構(gòu)加固后的承載力、剛度或抗裂性能進行檢驗。檢測流程如圖1所示。

（二）鑒定

混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定主要包括兩個方面的內(nèi)容：

1.結(jié)構(gòu)可靠性鑒定。按層次可以依次分為構(gòu)件的可靠性鑒定、子單元的可靠性鑒定和鑒定單元的可靠性鑒定，每個層次的鑒定又均分為安全性鑒定和正常使用性鑒定。

2.抗震鑒定。指所有既有建筑都應按照現(xiàn)行國家標準《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023）或《構(gòu)筑物抗震鑒定標準》（GB 50117）規(guī)定進行抗震鑒定。鑒定流程如圖2所示。

抗震加固技術與方法

（一）基本原理

由上述動力方程可知，可通過減小質(zhì)量（m）、增大結(jié)構(gòu)剛度（k）、附加阻尼（c）以及減小地震動輸入（x··g）來減小建筑物在地震作用下的反應，從而達到抗震加固的目的。

（二）主要技術與方法

1.直接加固梁、柱構(gòu)件

該方法主要是針對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足而進行的加固。可采用增大截面、外粘型鋼、粘貼鋼板或纖維復合材、鋼絲繩網(wǎng)片- 聚合物砂漿外加層、增設支點以及外加預應力等方法。對偏壓承載力不足的鋼筋混凝土柱及受彎承載力不足的鋼筋混凝土梁進行加固時，可采用增大截面、外粘型鋼、鋼絲繩網(wǎng)片- 聚合物砂漿外加層、增設支點和外加預應力等方法；對受剪承載力不足的梁、柱構(gòu)件進行加固補強時，可采用增加箍筋、包鋼板箍、粘貼纖維箍、鋼絲繩網(wǎng)片- 聚合物砂漿外加層以及纏繞鋼絲等方法；當受壓區(qū)混凝土強度偏低或有嚴重缺陷時，可采用置換混凝土方法對構(gòu)件進行加固。這里，粘貼纖維復合材和鋼絲繩網(wǎng)片- 聚合物砂漿外加層兩種加固方法具有輕質(zhì)高強、不占使用空間、施工方便、作業(yè)空間小、無污染等優(yōu)點，是目前較常用的構(gòu)件加固方法，同時也符合我國綠色設計的理念。如唐曹明等，在“中國國家博物館老館的加固改造結(jié)構(gòu)設計”中即貫徹綠色設計理念，對屋面板采用鋼絲繩網(wǎng)片- 聚合物砂漿進行加固處理，增加了屋面的承載能力和耐久性，取得了良好效果。

2.改變結(jié)構(gòu)受力體系

這是一種 “減小構(gòu)件荷載效應”的間接加固方法，主要是改變結(jié)構(gòu)受力體系，調(diào)整結(jié)構(gòu)傳力途徑，改善結(jié)構(gòu)的整體性能和受力狀態(tài)。如通過在建筑原有圍護墻及分隔墻位置增設一定數(shù)量的抗震墻或在框架柱兩側(cè)設置翼墻，使原來的柔性框架結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭蚣? 抗震墻結(jié)構(gòu)或壁式框架結(jié)構(gòu)；也可采用在原有框架中新加支撐，使原柔性框架結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭蚣? 支撐結(jié)構(gòu)。該方法降低原有框架分擔的地震作用，從而在減少加固原框架梁、柱工作量的同時，提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力，達到抗震設防要求。本方法關鍵是要解決好新增墻體或支撐與原有框架的連接問題，應確保新增抗側(cè)力構(gòu)件與原有框架能共同工作。該方法具有不影響建筑使用功能、保持建筑原有風貌、工程量小、施工簡單、理論成熟的特點，因而得到廣泛的應用。如在中國國家博物館老館的加固改造結(jié)構(gòu)設計中，為保持歷史建筑風貌，沿結(jié)構(gòu)縱向?qū)⒃蚣苤鶅蓚?cè)的原有粘土磚圍護墻換成鋼筋混凝土翼墻，使之成為壁式框架，沿橫向在兩端分隔墻位置將原來砌體墻換成抗震墻，使原來的柔性框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蚣? 抗震墻結(jié)構(gòu)，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。通過對全國政協(xié)禮堂部分框架之間和北京火車站候車大廳四角增設鋼筋混凝土抗震墻，提高結(jié)構(gòu)抗震能力。

此外，對于少數(shù)既有單向框架，可通過加強梁端鋼筋的錨固改變?yōu)殡p向框架體系，同時增強樓蓋的整體性和增設抗震墻、抗震支撐等，提高另一方向的抗震能力。對于不符合抗震鑒定要求的單跨框架結(jié)構(gòu)，可在不大于框架- 抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震墻最大間距內(nèi)增設抗震墻、翼墻、抗震支撐等抗側(cè)力構(gòu)件或?qū)S線的單跨改為多跨的方法予以加固。

3.取消建筑物間的伸縮縫，將原來相互獨立的單體結(jié)構(gòu)連成整體

早期的公共建筑很多由伸縮縫來分割成多個單體結(jié)構(gòu)，由于伸縮縫間距過小，在地震作用時，往往造成單體之間的碰撞破壞甚至倒塌。對各個單體進行加固，工作量大，且在伸縮縫部位加固，空間小，施工困難，故可在伸縮縫處設置鋼筋混凝土抗震墻，將兩個甚至多個單體連成整體，從總體上綜合考慮結(jié)構(gòu)加固方案。如在國家博物館的改造中，由于博物館大樓體積龐大，各區(qū)功能又不相同， 為盡可能減少加固現(xiàn)場作業(yè)量，將某幾個獨立區(qū)之間原伸縮縫取消，增設抗震墻將兩側(cè)結(jié)構(gòu)連成一體，以達到整體加固的效果。

4.卸荷

在早期的公共建筑中，隔墻多為高大厚重的砌體墻，將其拆除換成輕質(zhì)墻體，可以減輕結(jié)構(gòu)的總重量，從而減小地震作用；另外，隔墻基本是根據(jù)建筑功能要求進行布置的，常常平面不對稱，結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心不一致，在地震作用下，造成扭轉(zhuǎn)效應增大。將原剛度較大的磚墻換成輕質(zhì)隔墻，也可減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應。該方法不會對建筑使用功能造成影響，是一種行之有效的方法。如在中國國家博物館老館的加固改造結(jié)構(gòu)設計中，將原建筑物內(nèi)上下層位置不對齊、高大厚重的黏土磚分隔墻拆除，換成輕質(zhì)墻體，既減輕重量、減小地震作用，又減輕了因質(zhì)心和剛心不一致造成的建筑在地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應。

5.消能減震

消能減震是在結(jié)構(gòu)的適當部位附加耗能減震裝置，小震時減震裝置如消能桿件或阻尼器處于彈性狀態(tài)，建筑物具有足夠的側(cè)向剛度以滿足正常使用要求；在強烈地震作用時，隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大，讓消能桿件和阻尼器首先進入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻力，耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量并迅速衰減結(jié)構(gòu)地震反應。這樣，極強地震能量的主要部分可不借助主體結(jié)構(gòu)的塑性變形來耗散，而由控制裝置耗散，從而使主體結(jié)構(gòu)避免進入明顯的非彈性狀態(tài)而免遭破壞。另外，控制裝置不僅能有效地耗散地震能量，而且可改變結(jié)構(gòu)的動力特性和抗側(cè)力性能，減少由于結(jié)構(gòu)自振頻率與輸入地震波的卓越頻率相近引起共振的趨勢，從而達到減少建筑地震反應的目的。消能元件作為非承重構(gòu)件，其損傷過程也是對主體結(jié)構(gòu)的保護過程。該技術屬于一種兼顧抗側(cè)剛度提高和抗側(cè)能力增大的被動控制技術，在大震時表現(xiàn)尤為突出。

消能減震技術主要是通過設置一定數(shù)量的阻尼器來實現(xiàn)，目前常用的是速度相關型阻尼器和位移相關型阻尼器。速度相關型阻尼器，其耗能能力與結(jié)構(gòu)的速度反應相關，這類阻尼器主要包括黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器兩類。位移相關型阻尼器主要是當結(jié)構(gòu)進入較大變形時， 阻尼器進入彈塑性階段或克服初始摩擦力進行耗能，常見的有屈曲約束支撐阻尼器、金屬剪切型阻尼器和鉛摩擦阻尼器等。根據(jù)阻尼器的布置來確定結(jié)構(gòu)附加阻尼比是加固的關鍵，消能部件的附加阻尼比可以根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）相關公式確定。

圖3 消能支撐示意圖及局部詳圖

圖4 北京火車站黏性流體阻尼器-消能支撐

圖5 北京展覽館采用的黏性流體阻尼器-消能支撐

圖3為中國國家博物館老館消能支撐的設置。中國國家博物館老館通過消能裝置的設置，各樓層剪力減小30%～40%，樓層層間位移角和加速度均有不同程度的降低，抗震能力得到提高。圖4為北京火車站消能支撐的設置。北京火車站采用消能減震加固技術，消能器能吸收大量的地震能量，無須對框架進行加固，結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形明顯減少，與周邊結(jié)構(gòu)的位移較協(xié)調(diào)，減少了發(fā)生碰撞的可能。圖5為北京展覽館采用的黏性流體阻尼器- 消能支撐。

本方法構(gòu)造簡單，無須外部能量輸入和無特殊的維護要求，且對原有建筑布局影響甚小，在公共建筑的抗震加固上應用前景廣闊。同時消能裝置減震技術的應用為既有框架建筑的性能化設計，為各個性能水準的實現(xiàn)提供了有效的技術支持。

6.隔震

隔震技術是在建筑物基礎（下部）與上部結(jié)構(gòu)之間設置一層隔震層，把上部結(jié)構(gòu)與基礎（下部）隔離開，隔離地面運動能量向建筑物上部傳遞，減小地震反應。

隔震技術在混凝土結(jié)構(gòu)加固過程中涉及的關鍵元件為隔震支座。隔震支座具有很大的豎向剛度和較小的水平剛度，在地震作用下，支座發(fā)生較大變形，進入塑性狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)具有較大的基本周期，從而減小了地震作用。

圖6、圖7分別為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)地震時建筑物的反應。在計算分析時要確定隔震支座的性能指標以及混凝土結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)，其中對原有結(jié)構(gòu)的托換頂升是隔震加固設計的關鍵。隔震加固的施工是整個抗震加固工程成敗的關鍵，須嚴格按照流程進行，其一般的施工流程如圖8所示。南京博物院老大殿隔震加固和都江之春隔震加固是該技術的應用典范。同時隔震裝置具有可更換、便于檢修的特點，屬于可回收材料和污染小的新型材料，也是一種綠色環(huán)保的加固措施。

7.附加子結(jié)構(gòu)

附加子結(jié)構(gòu)加固就是利用附加子結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,增強原結(jié)構(gòu)的整體抗震能力,或改變原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系,進而改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式,從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,也是一種結(jié)構(gòu)體系的加固方法。外部附加子結(jié)構(gòu)加固方法，就是在既有建筑外部附加一部分子結(jié)構(gòu)，將外部附加子結(jié)構(gòu)作為第一道抗震防線,提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。該加固方法主要有，附加整體鋼支撐子結(jié)構(gòu)加固、附加搖擺墻加固、既有結(jié)構(gòu)之外再建造新的鋼筋混凝土框架并與原結(jié)構(gòu)相連以進行 抗震加固、采用貫通結(jié)構(gòu)全高的附加斜拉柱進行加固等方法。

圖6 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)地震時建筑物的反應

圖7 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)地震時建筑物內(nèi)人及物的反應

圖8 混凝土結(jié)構(gòu)隔震加固施工流程圖

尹保江等，通過對外部附加帶框鋼支撐強連接與弱連接兩種模式加固框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究，得出外部附加帶框鋼支撐加固法能大幅度提高框架結(jié)構(gòu)抗震承載力，并能有效限制結(jié)構(gòu)的層間位移，鋼支撐作為抗震第一道防線，增加了結(jié)構(gòu)整體抗震的冗余度。但試驗中，加固模型鋼支撐底部錨固失效，影響了鋼支撐承載能力的發(fā)揮，下一步需要對鋼支撐基礎錨固問題加強研究。

外部附加帶框鋼支撐加固的應用如圖9所示，通過對新西蘭某建筑，在建筑平面南北兩側(cè)對稱地設置帶框鋼支撐，底部三層新增剪力墻，鋼框梁與樓層框架梁之間利用高強螺栓錨固連接的加固方法，大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗震承載力，同時減少了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應。

本方法最大特點就是在建筑外部進行施工，重量輕，幾乎不影響建筑內(nèi)部使用功能，從而達到降低施工成本，縮短施工周期的目的，同時外部子結(jié)構(gòu)易于維修和更換，其子結(jié)構(gòu)的造型可以配合裝飾，使既有建筑呈現(xiàn)出現(xiàn)代感，提升結(jié)構(gòu)的使用價值，這也體現(xiàn)了減少建筑加固工程量、最大限度地節(jié)約資源、貫徹綠色設計的理念。

8.增設搖擺墻

搖擺結(jié)構(gòu)也是一種外部附加子結(jié)構(gòu)的新型抗震結(jié)構(gòu)體系。通過釋放某些部位的約束，允許結(jié)構(gòu)相應位置發(fā)生相對位移，從而改變構(gòu)件的受力狀態(tài)，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。搖擺結(jié)構(gòu)體系分為搖擺及自復位鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、搖擺及自復位鋼框架結(jié)構(gòu)、搖擺及自復位剪力墻結(jié)構(gòu)、搖擺框架- 核心筒結(jié)構(gòu)等?？蚣? 搖擺墻結(jié)構(gòu)是搖擺結(jié)構(gòu)的一種，搖擺墻能夠繞著墻底連接件發(fā)生面內(nèi)轉(zhuǎn)動，墻體底部約束的釋放降低了對基礎的承載力需求，同時能有效避免地震作用下墻體的損傷。具有較大剛度的搖擺墻能有效地控制結(jié)構(gòu)的變形模式，防止出現(xiàn)變形和損傷集中。在框架- 搖擺墻結(jié)構(gòu)中增設阻尼器和預應力鋼筋可分別增加其耗能能力并減少震后殘余變形。其簡化模型如圖10所示。

董金芝等，對兩種搖擺墻結(jié)構(gòu)（基于SMA裝置的框架- 受控搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架- 預應力搖擺墻結(jié)構(gòu)）進行了抗震性能試驗研究。研究表明，搖擺墻結(jié)構(gòu)承載能力和耗能能力均顯著增加，耗能連接件有效發(fā)揮了延性變形特性，顯著提高了試件的耗能能力，有效減輕了梁端、柱端以及梁柱節(jié)點區(qū)的損傷，且制作成本較低，安裝方便，損壞后便于更換?？蚣? 預應力搖擺墻能有效改善框架結(jié)構(gòu)的變形模式，使得各層的層間位移趨向均勻，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體性破壞模式，避免了層倒塌模式。但試驗中搖擺墻未進行局部加強，出現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)較早發(fā)生性能退化，以及搖擺墻底部局部壓潰的現(xiàn)象。

圖9 外加帶框鋼支撐加固圖

圖1 0 搖擺墻框架體系模型

吳守軍等，給出了在特定假設（框架采用剪切梁代替，剪切剛度為常數(shù)，僅考慮梁的剪切變形而忽略彎曲變形；搖擺墻采用彎曲梁代替，抗彎剛度為常數(shù)，僅考慮梁的彎曲變形而忽略剪切變形；兩根梁之間緊密接觸，軸向力在交界面連續(xù)分布）條件下，框架- 搖擺墻結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)模型。該模型能系統(tǒng)地分析框架- 搖擺墻結(jié)構(gòu)的受力性能，并給出外荷載作用下?lián)u擺墻、框架的內(nèi)力分布。但分布參數(shù)模型基于彈性假定。在強震下，結(jié)構(gòu)會進入塑性階段，框架- 搖擺墻結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)可能出現(xiàn)一定程度的改變。因此，分布參數(shù)模型并不適用于框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)進入彈塑性后的受力分析。山東某醫(yī)院通過增設搖擺墻和阻尼器的方法進行了加固。圖11為某醫(yī)院搖擺墻加固現(xiàn)場施工照片，圖12為搖擺墻加固計算模型圖。

利用ABAQUS有限元對加固模型進行了分析，可知搖擺墻能有效控制結(jié)構(gòu)變形，使塑性鉸的分布更加均勻。搖擺墻中預應力的施加有助于減小殘余變形，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自復位能力。

圖11 搖擺墻加固現(xiàn)場施工照片

抗震加固技術選用原則

（一）在安全、可靠、經(jīng)濟的前提下，挖掘既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的潛力，充分利用原結(jié)構(gòu)構(gòu)件、施工場地中現(xiàn)有材料。

（二）選擇加固體積小、可循環(huán)利用、易于更換、耐久性高、環(huán)保的材料。

（三） 抗震加固方案應根據(jù)鑒定結(jié)果經(jīng)綜合分析后確定，以加強整體性、改善構(gòu)件受力狀況、提高結(jié)構(gòu)綜合抗震能力為目標。

（四）宜采用簡約、功能化、輕量化。有條件時，優(yōu)先采用消能減震、隔震等結(jié)構(gòu)控制技術。

總之，加固方法的合理選用，應充分了解各種加固技術的原理和適用范圍。一般來說，直接加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法成熟，可以處理各類加固問題，但工程量大，施工影響面廣，施工周期長；方法2～方法8對原結(jié)構(gòu)損傷較小，其中方法4～方法8還便于今后更換與拆卸，可用于有可逆性要求的保護性建筑的加固與修繕。在加固設計中，應盡可能地保留和利用原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少不必要的拆除和更換，使所采用的加固措施發(fā)揮綜合效益，提高加固效率。

圖12 搖擺墻加固計算模型

結(jié)語

（一）結(jié)構(gòu)抗震加固設計前需對原結(jié)構(gòu)進行檢測和鑒定。混凝土結(jié)構(gòu)加固宜按照其技術選用原則，考慮不同后續(xù)使用年限、受力特點與功能需求，兼顧環(huán)境影響，以便在材料消耗、施工功效、環(huán)境影響和抗震能力提高之間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，選擇最佳方案。

（二）消能減震和隔震技術是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)阻尼和減小地震輸入的途徑達到減小結(jié)構(gòu)在地震中的振動反應，從而保護建筑以及建筑內(nèi)部的設備、儀器、管線和裝飾物等不受損壞，且裝置可實現(xiàn)更換，因而在抗震加固中得到越來越廣泛的應用。

（三）外部附加子結(jié)構(gòu)加固方法是將附加子結(jié)構(gòu)在建筑物外部與原結(jié)構(gòu)結(jié)合,形成一個新的整體結(jié)構(gòu), 提升整體結(jié)構(gòu)抗震能力。由于對建筑內(nèi)部影響小，對于醫(yī)院等需盡最大可能不干擾內(nèi)部環(huán)境的建筑物是一種行之有效的加固方法。