首都圈大型公共建筑抗震加固改造工程實(shí)踐與回顧

程紹革

工程背景簡(jiǎn)介

1998年開始，國(guó)家計(jì)委正式啟動(dòng)“首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)”重點(diǎn)國(guó)家項(xiàng)目。示范區(qū)包括北京、天津、河北部分城市，是我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，同時(shí)又是我國(guó)東部地震活動(dòng)較為頻繁、地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)，地震形勢(shì)十分嚴(yán)峻。據(jù)調(diào)查，首都圈內(nèi)中央機(jī)關(guān)所屬行政、事業(yè)單位用房約600萬(wàn)平方米需要加固。其中，對(duì)北京地區(qū)的大型公共建筑撥出專款進(jìn)行抗震鑒定、加固和改造。為配合實(shí)施該重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家計(jì)委和建設(shè)部還撥?？钯?gòu)置檢測(cè)儀器設(shè)備、建設(shè)大型抗震試驗(yàn)室，開展相關(guān)的試驗(yàn)研究和技術(shù)開發(fā)工作。與此同時(shí)，《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ 116—98）也于1999年3月1日正式實(shí)施，與《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—95）成為首都圈抗震鑒定與加固改造的技術(shù)支撐。

作為首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)的地標(biāo)建筑，如：北京火車站、中國(guó)革命歷史博物館、北京飯店、全國(guó)農(nóng)業(yè)展覽館、北京展覽館、國(guó)家圖書館、中國(guó)美術(shù)館等20世紀(jì)五六十年代或更早期建造的大型公共建筑，具有重要紀(jì)念意義而且仍在使用，其所容納的人流密集、財(cái)產(chǎn)貴重。但這些建筑均未經(jīng)抗震設(shè)防或達(dá)不到北京地區(qū)8度抗震設(shè)防的要求，而且多數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，結(jié)構(gòu)老化，一旦發(fā)生地震，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。此外，這些老建筑的使用功能相對(duì)落后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代建筑功能要求。某些學(xué)校建筑，如：北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京師范大學(xué)、北京化工大學(xué)的教學(xué)樓和宿舍等人員集中場(chǎng)所；以及醫(yī)院建筑，如：中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、協(xié)和醫(yī)院、北京醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院, 還有市政道路橋梁等對(duì)災(zāi)后緊急救援起關(guān)鍵作用的建筑和設(shè)施，也存在同樣的問(wèn)題。為此，由國(guó)家建設(shè)部統(tǒng)一安排，將它們列入首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)的重點(diǎn)項(xiàng)目，給予一定財(cái)政支持。

抗震加固技術(shù)應(yīng)用

（一）建筑抗震加固技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)的建筑抗震加固起源于邢臺(tái)地震，1966年3月8日邢臺(tái)地震后當(dāng)?shù)剞r(nóng)村一些簡(jiǎn)易民房對(duì)前后墻采用簡(jiǎn)單的鋼絲繩進(jìn)行了拉結(jié)處理，這些房屋在后來(lái)3月22日發(fā)生的地震中未遭到嚴(yán)重破壞，由此我國(guó)開始了現(xiàn)有房屋的抗震鑒定與加固工作。

唐山地震后，我國(guó)開展了大規(guī)模的抗震加固技術(shù)研究與工程實(shí)踐，這也是我國(guó)第一次有組織有計(jì)劃地開展抗震加固技術(shù)的研發(fā)和工程實(shí)踐，這一時(shí)期的成果標(biāo)志著我國(guó)的抗震鑒定與加固技術(shù)進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。從1977年至1981年，國(guó)家、地方、部門和企業(yè)共投資12億元，加固了6300萬(wàn)平方米的房屋，至1988年共完成了兩億多平方米建筑物的加固任務(wù)。首都圈大型公共建筑的抗震加固主要采用的是這一時(shí)期研發(fā)的抗震加固技術(shù)（傳統(tǒng)加固技術(shù)），對(duì)一些特殊項(xiàng)目采用了國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目研發(fā)的技術(shù)，同時(shí)也引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)加固技術(shù)。

（二）傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)

1.砌體類房屋

砌體類房屋的加固常采用外加圈梁、構(gòu)造柱、鋼拉桿、夾板墻的技術(shù)手段，號(hào)稱四大法寶。

（1）外加圈梁、構(gòu)造柱加固技術(shù)

這是加強(qiáng)砌體類房屋整體性的一種加固方式，通過(guò)在房屋外圍增設(shè)鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱（圖1），內(nèi)圈梁用鋼拉桿代替（圖2），從而起到對(duì)房屋的約束作用，阻止地震時(shí)墻體裂縫的延伸，防止地震時(shí)房屋的倒塌。

（2）夾板墻加固技術(shù)

這是提高砌體房屋墻體抗震承載力的一種加固方式。夾板墻按其面層材料可分為純水泥砂漿、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿（圖3）、鋼筋混凝土板墻三種方式，按面層數(shù)量可分為單面加固和雙面加固兩種方式，按施工工藝可分為手工抹面和機(jī)械噴射兩種方式（圖4）。

圖1 外加圈梁、構(gòu)造柱加固

圖2 代替內(nèi)圈梁的鋼拉桿

面層內(nèi)配有鋼筋網(wǎng)片時(shí)，對(duì)于單面加固鋼筋網(wǎng)片采用結(jié)構(gòu)膠將網(wǎng)片固定在墻體，雙面加固時(shí)可采用對(duì)穿鋼筋將墻體兩側(cè)網(wǎng)片拉結(jié)固定。

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)常采用的加固方法有增設(shè)抗震墻或翼墻、加大截面、外包鋼構(gòu)套等方法加固。

（1）增設(shè)抗震墻或翼墻

通過(guò)增設(shè)抗震墻或翼墻改變了結(jié)構(gòu)體系，新增的抗震墻承擔(dān)主要的地震力，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度減小了地震作用下的結(jié)構(gòu)變形，使得原框架梁、柱及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的加固工作量大大減小。增設(shè)抗震墻一般用于結(jié)構(gòu)的橫向加固，增設(shè)翼墻則主要用于結(jié)構(gòu)的縱向加固。

（2）加大截面法與外包鋼構(gòu)套法

這是提高構(gòu)件抗震承載力及構(gòu)造措施的加固方法。通過(guò)對(duì)框架梁、柱增大截面，并配以所需的鋼筋，可明顯提高構(gòu)件的承載力和延性性能，但加大截面法會(huì)提高結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)所承受的地震作用也會(huì)增大。外包鋼構(gòu)套就是用角鋼外包于構(gòu)件四角，角鋼間用扁鋼焊接形成鋼構(gòu)套的方法，這種方法可使原構(gòu)件截面基本不變或變化不大，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的提高程度有限，但需要進(jìn)行防火處理。

圖3 面層內(nèi)鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)

圖4 噴射鋼筋混凝土面層

圖5 北京火車站外景

（三）抗震加固新技術(shù)

首都圈大型公共建筑抗震加固中采用了多項(xiàng)新技術(shù)，如鋼鉸線-聚合物砂漿、粘貼碳纖維布、消能減震加固技術(shù)。

（1）鋼鉸線-聚合物砂漿加固

該加固方法類似于砌體結(jié)構(gòu)中的面層加固法，但同樣可用于鋼筋混凝土構(gòu)件的加固。鋼鉸線具有很高的抗拉強(qiáng)度，聚合物砂漿具有很強(qiáng)的滲透性和粘結(jié)力，因此加固后構(gòu)件的截面變化不大，且防火性能也較好，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）粘貼碳纖維布加固

碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的10倍，彈性模量是鋼材的數(shù)倍，利用高性能結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在構(gòu)件表面，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)及改善抗震性能。粘貼碳纖維布很薄，因此加固的構(gòu)件截面不會(huì)增大，且加固施工工藝簡(jiǎn)便。

（3）消能減震加固

該技術(shù)就是在結(jié)構(gòu)內(nèi)布置一定數(shù)量的阻尼器，當(dāng)遭遇地震時(shí)通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的阻尼以減小地震作用，遭遇強(qiáng)烈地震消能裝置率先進(jìn)入彈塑性狀態(tài)以耗散地震能量，從而使主體結(jié)構(gòu)免遭破壞。

若干加固工程案例介紹

（一）北京火車站大修改造工程

1.工程概況

北京火車站是首都的重要門戶之一，建筑總面積4.8萬(wàn)平方米，根據(jù)使用功能的要求分為19個(gè)候車大廳、電影廳、游藝廳等，中央大廳采用大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土雙曲扁殼，結(jié)構(gòu)輕巧、造型開朗優(yōu)美，站后有入站高架天橋，北京火車站外景如圖5所示。

北京火車站大樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)按蘇聯(lián)抗震規(guī)范規(guī)定進(jìn)行了七度抗震設(shè)防，大樓于1959年竣工，列為當(dāng)時(shí)的首都十大建筑之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，車站客流量較原設(shè)計(jì)成倍增加，大樓超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，加速了建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備的損壞，76年唐山地震也影響了大樓的安全性與耐久性，因此有必要對(duì)其進(jìn)行抗震鑒定與加固，結(jié)合抗震加固進(jìn)行了建筑內(nèi)外裝修、設(shè)備更新。

2.主要加固技術(shù)

（1）改變結(jié)構(gòu)體系

采用增設(shè)抗震墻將原框架結(jié)構(gòu)改為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，北京站的大多數(shù)區(qū)段采用這種加固技術(shù)。新增抗震墻設(shè)置在各區(qū)段的四角，對(duì)稱布置，這些部位原有圍護(hù)墻或隔墻，因此基本上不會(huì)影響建筑內(nèi)部的原有功能。新增剪力墻根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算確定，通過(guò)調(diào)整剪力墻的長(zhǎng)度、厚度以及剪力墻上門窗洞口位置、大小，控制結(jié)構(gòu)的變形和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）消能減震加固

一區(qū)中央大廳如采用增設(shè)抗震墻加固，經(jīng)分析結(jié)構(gòu)的變形偏大，地震時(shí)易與相鄰區(qū)段發(fā)生碰撞，且仍有部分框架柱需進(jìn)行加固，將會(huì)影響車站的正常運(yùn)營(yíng)，為此采用了消能減震加固技術(shù)。消能裝置主要設(shè)置在原有框架填充墻部位，可利用建筑裝修及大型廣告牌予以遮擋，北側(cè)消能支撐設(shè)于窗內(nèi)，不影響外立面，大廳內(nèi)采光也不受影響（圖6）。

（3）外包鋼構(gòu)套加固

北京火車站高架候車?yán)瓤缭蕉鄺l鐵路，是旅客進(jìn)入各站臺(tái)的通道，因地基不均勻沉降已發(fā)生拱圈開裂現(xiàn)象，地震變形驗(yàn)算表明大震將全部倒塌，致使鐵路運(yùn)營(yíng)中斷。該區(qū)的加固施工絕對(duì)不能影響列車正常進(jìn)出車站，因此不可能增設(shè)任何構(gòu)件進(jìn)行加固，只能采用外包鋼加固技術(shù)。高架候車?yán)炔捎猛獍摷庸虝r(shí)，不僅解決了承載力不足問(wèn)題，同時(shí)也加強(qiáng)了柱的箍筋構(gòu)造，尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)。

（4）樹根樁加固技術(shù)

圖6 北側(cè)支撐立面效果

北京站地區(qū)的地基狀況普遍軟弱，新增剪力墻自重較大，并且還承受較大的地震力，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。原框架柱為單獨(dú)基礎(chǔ)（埋深達(dá)6米），新加基礎(chǔ)若采用墻下擴(kuò)大基礎(chǔ)則需與原基礎(chǔ)同深，不僅工程量大、工期長(zhǎng)，且難以避免基礎(chǔ)間的不均勻沉降，影響車站的正常運(yùn)營(yíng)。為克服上述缺點(diǎn)，新加剪力墻基礎(chǔ)采用了樹根樁加固技術(shù)，樁直徑為0.15米，樁長(zhǎng)為12.7米，樁底深入卵石層0.5米。施工時(shí)采用鋼管套筒鉆孔灌注樁工藝，鉆機(jī)施工高度僅需3米，不需基礎(chǔ)挖深在室內(nèi)地面即可成孔，工程量小施工快，保證客運(yùn)正常進(jìn)行。此外高架候車?yán)饶隙嘶A(chǔ)有嚴(yán)重的不均勻沉降，導(dǎo)致上部主體結(jié)構(gòu)開裂，雖多次進(jìn)行過(guò)處理未見明顯效果，本次抗震加固中采用樹根樁技術(shù)進(jìn)行加固后未再繼續(xù)沉降。

（二）中國(guó)革命歷史博物館抗震加固

1.工程概況

中國(guó)革命歷史博物館（現(xiàn)國(guó)家博物館），位于天安門廣場(chǎng)東側(cè)，珍藏著大量的歷史文物和革命文物，其中眾多的孤品、國(guó)寶是中國(guó)人民和世界人民的珍貴歷史文化遺產(chǎn)。該館建于五十年代，是北京著名的十大建筑之一，現(xiàn)已成為具有歷史意義、紀(jì)念意義的標(biāo)志性建筑（圖7）。整個(gè)大樓共由23個(gè)區(qū)組成，原設(shè)計(jì)采用了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，各區(qū)段之間設(shè)置了100mm寬的變形縫，這些縫寬均不能滿足國(guó)家現(xiàn)行抗震規(guī)范關(guān)于最小防震縫寬度規(guī)定的要求，1976年唐山地震時(shí)，就發(fā)生過(guò)碰撞，引起了博物館領(lǐng)導(dǎo)及其主管部門各方面的關(guān)注。為確保館藏珍貴文物的安全，1998年8月底由建設(shè)部、文化部、北京市抗震辦公室召開會(huì)議，決定盡快實(shí)施該館抗震鑒定加固工作。

2.主要加固技術(shù)

（1）改變結(jié)構(gòu)體系

部分區(qū)段采用增設(shè)抗震墻與翼墻進(jìn)行加固，新增抗震墻沿結(jié)構(gòu)橫向布置，翼墻沿結(jié)構(gòu)縱向布置，與原框架柱連為一體形成壁式框架。同時(shí)采取卸荷方式將原厚重粘土磚分隔墻換成輕質(zhì)隔墻，通過(guò)減輕結(jié)構(gòu)自重減少地震作用。

（2）取消變形縫

部分區(qū)段若采用每個(gè)區(qū)獨(dú)立加固，則既要影響使用功能，又大大增加了投資?？紤]到博物館使用了近四十年，基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定，因此可將原沉降縫取消，增設(shè)剪力墻將兩側(cè)結(jié)構(gòu)連成一體，以達(dá)到整體加固的效果。

（3）消能減震加固

大型展館沿長(zhǎng)向外墻開大窗戶，沿短向除兩端有墻外，其余無(wú)墻，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)中沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向增設(shè)翼墻，使之成為壁式框架，沿短向在兩端增設(shè)抗震墻，并在1/3長(zhǎng)度位置處設(shè)置門式剛架型消能支撐（圖8），既保證了結(jié)構(gòu)安全，又滿足了展館的使用功能。

圖7 國(guó)家博物館外景

圖8 門式剛架型消能裝置

（4）其他加固技術(shù)

禮堂中央大廳跨度18m，大梁縱筋及箍筋不足，多處出現(xiàn)彎曲與剪切裂縫，采用碳纖維布進(jìn)行加固，其他結(jié)構(gòu)梁、板裂縫處理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分別采取鋼筋除銹灌縫、增做疊合層及粘貼碳纖維等措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

（三）國(guó)家圖書館分館抗震加固

1.工程概況

國(guó)家圖書館分館一號(hào)樓位于北京市西城區(qū)文津街北海公園西側(cè)，與中南海北門相望，整個(gè)建筑平面呈“王”字形，南部的“工”字形始建于1929年，為仿古建筑的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，總層數(shù)為一至三層。是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、最先進(jìn)的圖書館——京師圖書館，屬國(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位。50年代按照原建筑風(fēng)格在北側(cè)進(jìn)行了擴(kuò)建，擴(kuò)建部分為四層。建筑平面的“王”字形的三“橫”部分從南向北依次分為前樓、中樓和后樓，前樓地面以上為閱覽室，中樓和后樓原為書庫(kù)，整個(gè)建筑東西向總寬度約為80m，南北向總長(zhǎng)約為104m，前樓屋脊處距地面最大高度為19.68m，總建筑面積約為11000m2。

圖9 加固改造的國(guó)圖分館

2.加固難點(diǎn)及采用的技術(shù)

（1）框架柱加固

因該工程為仿古建筑，結(jié)構(gòu)層外面需按古建筑的工藝要求處理，以達(dá)到木結(jié)構(gòu)柱的效果。采用增大截面法加固后的柱截面尺寸不能增加很多，否則古建工藝無(wú)法處理，梁柱節(jié)點(diǎn)處的古建效果將被破壞。在鑒定檢測(cè)階段，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)柱的縱筋混凝土保護(hù)層較大，一般在50mm左右，考慮到這一因素，沒(méi)有在剔除抹灰后設(shè)混凝土圍套，而是在剔除主筋的混凝土保護(hù)層后設(shè)混凝土圍套，這樣可將對(duì)柱外形的影響降至最小。在施工過(guò)程中，與施工單位密切合作，采取可靠的支護(hù)措施保證施工的安全。

（2）須彌座保護(hù)

首層邊部和角部框架柱下外部墻體設(shè)有漢白玉的須彌座，這些須彌座做工考究，加固時(shí)若將縱向鋼筋伸至基礎(chǔ)，需將須彌座拆除，待框架柱加固完成后再安裝恢復(fù)，這樣既容易造成石材的損壞，增加工期和成本，又不易保持原狀，經(jīng)過(guò)周密研究后，采用在首層框架柱之間的窗下墻室內(nèi)設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，須彌座頂部首層窗臺(tái)標(biāo)高設(shè)置焊接角鋼剛架，新增的鋼筋錨固于剛架和混凝土剪力墻中，很好地解決了這些問(wèn)題（圖9）。

結(jié)語(yǔ)

首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用的抗震鑒定、評(píng)估、加固、改造技術(shù)，被收入新版《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》及《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》中，對(duì)提高建筑物功能和地震安全性、保障人民生命財(cái)產(chǎn)、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義，同時(shí)對(duì)我國(guó)地震區(qū)城市的防震減災(zāi)事業(yè)具有重要的指導(dǎo)作用。