既有結構外套式抗震加固的研究進展

劉翔宇，郭曉云，趙志漪

（防災科技學院，河北 三河 065201）

0 引言

我國處于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是地震災害最為嚴重的國家之一［1］。在北京、上海等地區(qū)有大批建于20世紀七八十年代的建筑，這批建筑多數(shù)為砌體結構、剪力墻結構和框架結構，由于早期經(jīng)濟條件不足和規(guī)范要求較低，房屋的抗震能力較弱，而地震對這些房屋的破壞會更加嚴重，“十四五”規(guī)劃中提出：城市更新嚴禁大量拆除建筑。因此，對現(xiàn)存抗震能力較低的建筑進行抗震加固既可滿足抗震設防要求，也能提高我國城鄉(xiāng)的整體抗震水平。

傳統(tǒng)的既有結構加固方法包括直接加固法（增大截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、隔震加固法、CFRP加固法等）和構造加固法（增設圈梁構造柱、托梁換柱等），這些方法主要以加固原有建筑中的梁、柱、墻、板等單一結構構件為主。新興的外套式加固方法是基于原有建筑在其外側新增鋼筋混凝土結構，新的結構與原建筑通過多種方式進行連接固定。傳統(tǒng)加固方法能在一定程度上提高原結構的抗震性能，有成熟的施工設計經(jīng)驗，也有大量的工程應用實例，但其存在工程量大、改變了原結構的尺寸、工期長、影響施工現(xiàn)場的使用等缺點。而外套式加固方法可避免傳統(tǒng)加固方法的缺點，通過外部新增的結構為既有建筑分擔地震作用力，且新增的結構構件可事先在工廠預制，其具有不中斷建筑的使用功能、不破壞室內裝修、施工周期短、能顯著提高原結構的抗震能力等優(yōu)點。對安全性低的建筑進行加固能提高建筑的安全性和耐久性，也符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

近年來國內外對外套式加固方法開展了廣泛的試驗研究和數(shù)值模擬研究，并應用于一些實際的工程案例，本文綜合了外套式加固方法的試驗和數(shù)值研究，在此基礎上提出了外套式加固方法中的加固流程和有待解決的相關問題。

1 研究現(xiàn)狀

我國現(xiàn)行標準規(guī)范［2］中針對既有結構的抗震加固方法以對結構構件加固為主，主要有以下幾種：外加圈梁-鋼筋混凝土柱加固法［3］、水泥砂漿和鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固法［4］、高延性混凝土面層加固法［5］、鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿面層加固法［6］、板墻加固法［7］、基礎隔震加固法［8］、鋼板條帶加固法［9］、增大截面法、外包鋼加固法、外貼FRP加固法、置換加固法和預應力加固法等（圖1～6）。

圖1 鋼筋網(wǎng)砂漿加固Fig.1 The reinforcement method with steel mesh and mortar

圖2 鋼絞線網(wǎng)-聚合物加固Fig.2 The reinforcement method with steel strand-polymer

圖3 基礎隔震加固Fig.3 The base isolation reinforcement method

圖4 鋼板條帶加固Fig.4 The steel strip reinforcement method

圖5 增大截面法Fig.5 The increasing section method

圖6 外包鋼加固Fig.6 The clad steel reinforcement method

傳統(tǒng)的抗震加固方法主要通過提高結構的承載力，增加其變形能力，雖然施工技術成熟，能提高原結構的抗震能力，但是在實施過程中仍有缺點，如：中斷建筑的使用功能，在建筑內加固會減小使用面積，居民需暫時搬遷等問題。并且對大量的單個構件逐個加固工程量繁重，現(xiàn)場工期長，導致施工措施費、人工費等各種費用的增加。

目前國內沒有統(tǒng)一的加固規(guī)范，北京市建筑設計研究院針對北京地區(qū)編寫的《北京地區(qū)既有建筑外套結構抗震加固技術導則》［10］可以作為我國加固工程的指導性文件，根據(jù)國內外的研究及加固應用實例，既有房屋外套式加固方案可按新舊結構的受力關系分為整體式和分離式［11］，見表1。

表1 外套式加固方案的分類Tab.1 Classification of cladding reinforcement schemes

2 外套式加固既有結構抗震性能的研究

2.1 試驗研究

砌體結構廣泛用于住宅、宿舍等建筑，剪力墻結構廣泛應用于高層建筑，框架結構由于能形成較大的空間，廣泛應用于醫(yī)院、學校等公共建筑中。眾多震害表明［12-16］，未經(jīng)抗震設防的砌體結構遭受的震害最為嚴重，我國存在很多早期建成的砌體結構、框架結構和剪力墻結構的建筑，這批建筑不滿足現(xiàn)行的抗震要求，因此國內學者對這3種常見的建筑結構進行了一系列的縮尺加固抗震試驗研究。

魚骨式剪力墻的結構不滿足我國目前的抗震要求［17-18］，蘇宇坤等［19］提出外套式加固方法，對高層低配筋魚骨式剪力墻老舊住宅進行外套式加固，在原建筑兩側延長橫墻長度、增設縱墻，并在原結構頂部增加跨越屋面的大梁將兩側的加固部分連成整體（圖7），采用力-位移加載的方式對1∶2的外套式加固縮尺模型進行低周期往復加載試驗［20］，研究表明加固后的整體結構承載力得到大幅提高，層間位移角在1／200時，承載力到達峰值；層間位移角在1／100時結構連梁和剪力墻墻角被破壞，此時承載力為峰值承載力的85%，試驗驗證了加固后結構抗震性能得到了提高。

許國山、林琦等［21，22］以某14層剪力墻結構住宅樓為原型（圖8），鄧開來等［23］驗證了該原型中的墻體承載力低、延性差，不滿足抗震的要求。許國山等［24］取該原結構的3個標準開間為典型單元，對1／6縮尺模型進行外套式加固增層隔震研究，通過在原建筑縱墻外側增設預制混凝土墻與原結構連接，在剪力墻結構頂新增兩層鋼框架結構，與原結構頂之間設置隔震支座，根據(jù)量 綱 分 析 法［25，26］確 定 相 似 條 件，根 據(jù)Buckinghamπ定理［27，28］確定相似比，模型完成后輸入地震記錄進行振動臺試驗，加固后模型結構在8度罕遇地震下沒有發(fā)生倒塌破壞，加層隔震體系能夠抑制地震響應，研究表明外套式加固結構能滿足抗震的要求，且外套增層隔震加固后比非隔震體系整體抗震性能好。

圖8 外側增設預制混凝土墻體Fig.8 The building with adding precast reinforced concrete walls in the outside

陳曦等［29，30］通過對比傳統(tǒng)砌體結構加固方式的優(yōu)缺點，設計5層足尺砌體試驗模型，提出采用預制鋼筋混凝土墻板對縱向墻體加固，采用預制鋼骨混凝土剪力墻對橫向墻體加固，通過剛拉桿連接，構成鋼筋混凝土外套。對加固后的結構橫墻和縱墻分別進行擬靜力和擬動力試驗，試驗結果表明外套式加固方法能大幅提高原有磚墻的耗能能力、抗側剛度、承載能力和延性，加固后的模型滿足抗震的要求，新增混凝外套能分擔地震作用力，整體結構的抗震能力有顯著的提高。

王曙光等［31］采用預制鋼筋混凝土墻對砌體結構進行加固，設計了3個1∶4的縮尺模型，分別是加固、加固后加層非隔振和加固后加層隔震的模型（圖9、10），并對模型進行振動臺試驗，試驗結果表明經(jīng)歷7度和8度地震作用后，加固加層的模型基本處于彈性，加固模型損壞程度大于加固加層的模型，且加層隔震結構延長了結構的自振周期，提高了結構的阻尼比，降低了下部砌體結構的地震響應和上部鋼框架的位移反應，比加固模型及加層非隔震模型的抗震性能更好。

圖9 未加固砌體模型Fig.9 Unr einfor ced masonr y model

圖10 加固砌體模型Fig.10 Reinforced masonry model

蘇宇坤等［32］以北京地區(qū)魚骨式剪力墻結構的住宅加固改造為背景，為驗證外套式加固方法的有效性，采用OS算法［33］的擬動力加載程序TOHTP應用到加固項目中，采用擬動力子結構試驗方法對1∶2縮尺結構模型進行研究，試驗頂層最大層間位移角為1／190，αg，max＝400gal時結構達到極限荷載，結果表明外套式加固的老舊住宅能夠滿足抗震要求。

以上對既有建筑進行外套式加固的試驗研究都表明外套式加固后新增結構能為原有結構分擔作用力，能提高加固后建筑的整體抗震性能，但由于試驗條件限制，試驗和實際工程還有所差距，如：結構外部墻體底部受傾覆力矩大，地震過程中易與底座脫離，實際工程中可用樁基礎增加連接能力，但試驗中不能模擬；試驗坐落在鋼筋混凝土基座梁上，不能模擬工程結構所在的土體環(huán)境，不能考慮地基沉降對建筑的影響；且實際工程施工質量的高低影響著結構在地震作用下的表現(xiàn)。

2.2 數(shù)值研究

數(shù)值模擬研究采用不同的有限元分析軟件建立加固和未加固的模型，輸入不同的力加載程序和地震動波對模型進行抗震性能的分析，不斷地改進模型的抗震性能，對試驗結果進行補充，彌補試驗條件的不足。

閤東東等［34］根據(jù)陳曦設計的外套式混凝土墻加固試驗模型利用ABAQUS進行數(shù)值分析，并將計算方法運用于甘家口三號樓外套加固試點工程，經(jīng)歷罕遇地震的動力時程分析，試驗結構各樓層的層間位移角均小于1／400，且加固后混凝土墻和砌體各承擔50%的基底剪力，試驗表明外套預制鋼筋混凝土墻加固砌體結構后具有良好的抗震性能。

潘鵬等［35］根據(jù)閤東東建立的砌體-混凝土結構加固試驗模型，使用ABAQUS進行數(shù)值建模，按照加固墻體數(shù)量、配筋率、加固墻體長度的不同建立6個足尺試驗模型，并進行擬靜力和擬動力試驗，結果表明加固結構的承載力隨著加固墻體長度的延長而增大，配筋率對加固結構的抗震性能影響較小，僅對未開洞橫向墻體加固即可提升結構的承載力和延性。

王曉辰等［36］對北京市朝陽區(qū)某5層磚混結構居民樓采用PKPM建模計算，加固方案為外縱墻外貼預制剪力墻、橫墻位置新加鋼筋混凝土預制剪力墻，外側新增墻體設置樁基礎，利用ABAQUS對拉節(jié)點處進行靜力分析，計算分析通過加固前后各樓層剛度對比，新增的外套剪力墻能承擔大部分的地震作用，驗證了外套式加固方法能提升砌體結構的抗震能力。

陳曦［29］利用ABAQUS采用均質單向材料模型建立五層足尺砌體結構（圖11），外加的鋼筋混凝土墻板與原結構通過剛拉桿連接，通過擬靜力數(shù)值模擬，分析結構推覆應力云圖，加固后的結構初始剛度明顯增強，承載能力提高了3至5倍，通過擬動力數(shù)值模擬，加固后的結構在遇到峰值為0.40g的地震動時實際結構的位移響應比試驗結果小，試驗表明加固后的模型有很好的抗震性能。

圖11 加固后的數(shù)值模型Fig.11 The numer ical model after reinforcement

任曉崧、劉創(chuàng)［37］對上海市區(qū)某6層砌體結構工程實例進行加層加固改造進行抗震，通過在原結構的南北外側增加鋼筋混凝土墻并與原墻體錨固，把結構型式變?yōu)榛炷?砌體混合結構。利用PKPM和SATWE建立3個8層的模型進行加固前后對比，在小震作用下和大震作用下進行計算，通過對比加固前后結構的樓層剛度、層間位移角和骨架曲線，計算結果表明新加外套鋼筋混凝土墻能承擔更多的樓層剪力，分擔了大部分地震作用。

林琦［22］利用ABAQUS建立一棟14層剪力墻結構的1／6縮尺模型，采用預制混凝土進行外套式加固，在頂部增加兩層鋼框架與下部結構相連（圖12），對未加層、層間隔震和層間非隔震3種加固模型施加試驗地震工況，通過對比模型的振型和應力云圖，結果顯示外套墻體能承擔一部分基底剪力和較多的傾覆力矩，且加層隔震能延長結構的周期，能有效控制結構的加速度響應和基底剪力水平。

圖12 加固后的數(shù)值模型Fig.12 The numerical model after r einfor cement

王偉等［38］通過外加剪力墻的方法加固某中學4層框架校舍樓，利用SAP2000及PKPM 建立3個不同的結構加固模型，控制參數(shù)為剪力墻縱橫向布置寬度，用Pushover［39］分析方法對初始模型和加固后的模型進行分析，結果表明增設的剪力墻有較大的剛度，在地震作用力下能分到較大的地震剪力和彎矩，原結構分配的地震剪力大幅下降，增設剪力墻后使結構各層變形趨于均勻化，減小樓層變形集中，達到了良好的抗震效果。

Wada等［40］提出在框架結構上附加搖擺墻（圖13），形成搖擺墻框架結構體系，搖擺墻是一種底部具有一定的轉動能力、抗側剛度較大的結構墻體，能有效控制結構在地震作用中的側向變形模式。在東京工業(yè)大學G3樓的加固改造中應用了搖擺墻體系（圖14），G3樓是11層鋼骨混凝土框架結構，加固方案為在建筑外立面附建預應力混凝土搖擺墻，在墻與既有框架柱之間安裝鋼阻尼器。曲哲等［41］利用ABAQUS對加固前后的結構進行彈塑性動力時程分析，結果表明：搖擺墻體系中加入阻尼器能有效減小結構在地震動輸入下的地震響應，使結構的損傷模式和抗震性能更加易于控制，有效提高了結構的耗能能力和抗震承載力。

圖13 搖擺墻框架結構體系Fig.13 Rocking wall frame structure

圖14 搖擺墻加固G3樓模型Fig.14 G3 model with r ocking wall reinforcement

國內外學者對既有建筑進行外套式加固方法進行了一系列的理論研究，大量的有限元數(shù)值模擬的研究都為未來的真實試驗和工程應用提供了依據(jù)和參考。但以上的研究都不是精細化建模，缺乏對砂漿與磚塊、各個構件之間相互作用及連接處細節(jié)部分的考慮，且建模的水平和邊界條件、擬靜力和動力時程分析的模擬是否真實都會影響模擬的結果，以上這些因素都會產(chǎn)生數(shù)值結果與試驗結果的差距，針對能減小誤差的建模方法有待進一步研究。

2.3 工程應用

有眾多的試驗研究和數(shù)值研究作為基礎，近年來國內外開始逐步將外套式加固方法應用到了實際的工程中。自2011年以來，既有建筑外套加固技術在北京市老舊小區(qū)抗震節(jié)能綜合改造工程中得到廣泛應用，為保障北京地區(qū)既有住宅的抗震性能做出了重要貢獻［42］。

北京市建筑設計研究院提出預制鋼筋混凝土結構外套式加固方法［43］，以北京市朝陽區(qū)農(nóng)光里5層的砌體結構作為試點工程，在原建筑外加橫墻和縱墻與原建筑連接，且在外加鋼筋混凝土墻體下設樁基礎防止沉降差，把結構形式變?yōu)榛炷?砌體混合結構（圖15），利用外套預制鋼筋混凝土墻體承擔大部分的地震作用。

圖15 農(nóng)光里試點工程加固Fig.15 Cladding reinforcement of Nongguangli Pilot project

圖16 框架結構采用外加剪力墻Fig.16 The frame structure with external shear walls

M.Yasar Kaltakci［44］針對土耳其中小學抗震能力不足的框架結構，采用外加剪力墻的外套式加固方法進行試驗研究，結果表明這種加固方法能顯著提高結構的側向承載力、剛度以及抗震性能，并被應用于土耳其的中小學教學樓中，其他的加固方法特別是在建筑物內部進行施工將限制建筑的使用功能，導致教育計劃中斷，外剪力墻是一個實用和經(jīng)濟的加固方法。

韓兮［45］對北京市西城區(qū)展覽路4號樓進行工程加固，在原砌體結構的外側沿橫墻方向增設鋼筋混凝土剪力墻，在剪力墻與原砌體交接處的外縱墻方向設置外貼混凝土板墻，屋頂設置鋼拉桿保證整體性，采用樁基礎防止新舊結構的沉降差，抗震計算采用橫向水平地震力全部由新加的橫向剪力墻承擔，縱向水平地震力全部由縱向外貼板墻承擔的計算方法，結果表明加固的外套能吸收地震荷載達到抗震的效果。

申海洋、洪剛［46］以北京市某4層砌體住宅樓為工程實例，對原建筑結構進行抗震鑒定后建模計算，實際加固方案為在原結構兩側外縱墻外設兩道縱向剪力墻、沿原結構橫墻方向設置橫向剪力墻通過剛拉桿與原建筑連接（圖17），加固部分設置單獨的鋼樁基礎，通過計算分析，這種外套式加固方法可以將地震剪力轉移到鋼筋混凝土外套部分。

郭劍飛等［47］對北京海淀區(qū)甘家口1、3、4號樓試點工程進行加固，在原有房屋縱向兩側增設預制鋼筋混凝土墻板，使外套預制鋼筋混凝土墻上下與屋頂臥梁、基礎鋼樁相連形成一體約束原有砌體（圖18），加固后的建筑達到國家抗震標準，提高了砌體住宅的抗震性能。該技術通過了北京市住房和城鄉(xiāng)建設委員會鑒定，并應用于農(nóng)光里17號樓、新源里11號樓工程。

圖18 甘家口試點工程加固方法Fig.18 Reinforcement methods Ganjiakou pilot project

目前國內外沒有完全統(tǒng)一完整的外套式抗震加固的規(guī)范，以上的外套式加固案例僅僅是對一些試點工程的加固改造，我國各個地區(qū)之間建筑的結構形式有差異，實際工程加固改造中需要考慮的因素眾多，如：涉及到建筑突出構件的拆除，原建筑的暖通和下水管線改路，新舊結構的連接是否結實可靠，新舊墻體的不均勻沉降，局部錨固節(jié)點的細節(jié)處理，后續(xù)的維護和保養(yǎng)方式，連接構件（剛拉桿、錨固螺栓等）沒有統(tǒng)一的制作方法等，且實際工程改造的質量很大程度上依賴施工隊的質量。

3 外套式加固方法的技術流程分析

目前外套式加固方案已應用于某些工程中，對既有建筑進行安全性、抗震性能進行評估，根據(jù)既有建筑結構類型的不同，利用全生命周期和價值工程理論對既有建筑加固方案進行技術經(jīng)濟分析，以有效地選擇適用于既有建筑的加固方案［48］，再進行施工加固，對既有結構進行加固時可根據(jù)加固技術流程進行（圖19）。

圖19 加固工程流程圖Fig.19 Flow chart of cladding reinforcement technology

既有建筑結構要求建筑結構應有足夠的承載能力，結構構件因時間久、材料老化導致結構的強度不足，或因震后的塑性變形大而不適于繼續(xù)承載，此時對既有建筑結構的安全性進行安全評估，可根據(jù)極限狀態(tài)方程，即

式中，S為荷載效應，通過力學分析計算求得；R為結構抗力，如屈服極限、承載力等。當Z＜0，代表結構失效；Z＞0，代表結構可靠；Z＝0，代表結構處在極限狀態(tài)。常用的結構可靠度分析方法主要有三種：一次二階矩法、JC法、蒙特卡羅法［49］。

經(jīng)濟性可根據(jù)價值公式判斷，即

式中，V表示價值；F表示性能或用途；C表示成本；C1為建造成本；C2為維護使用成本，成本越小，價值越大。對既有建筑進行加固的方案進行經(jīng)濟性分析是工程造價的重要環(huán)節(jié)，包括既有建筑結構的加固建造費用和加固后的使用和維護等費用［50］。

由于我國建筑類型眾多，根據(jù)建筑的種類和結構的不同，選擇合適的加固方案，設計詳細的加固技術。如先判斷新增結構為預制還是現(xiàn)場施工，新舊結構連接處的細節(jié)，再選取施工加固方案，建立全生命周期的性能和成本評估（圖20），提高性能減少成本，提高建筑加固后的價值，延長建筑的使用壽命。完成既有建筑結構加固項目后進入維護階段，對加固后的建筑進行施工質量驗收和安全性評估，制定合理的維護方案，降低維護成本，提高加固建筑的經(jīng)濟價值和實用價值［51］。

圖20 全生命周期評估Fig.20 Full life cycle assessment

4 研究展望

外套式加固方法中新增的部分能分擔原有結構的外部作用力，提高結構的承載力和抗震能力，但把外套式加固技術應用于實際工程的方案和流程還不夠成熟，新加外套結構與原結構的傳力作用非常復雜，加固結構與原結構協(xié)同工作的情況不穩(wěn)定，新舊結構之間連接得是否牢固和構件的質量決定了協(xié)同工作的傳力情況。部分試驗僅對模擬的有限元模型進行分析計算，缺乏大量可靠的實驗數(shù)據(jù)支撐，是否能準確反映結構的實際受力情況還有待進一步研究。

綜上所述，外套式加固既有結構還有以下方面需要進行研究：

（1）原結構與加固結構的分期建設對內力是否有影響，目前還缺少這方面的研究，對協(xié)同工作時的傳力情況是否有影響還有待研究。

（2）加固方案中連接新舊結構的構件為薄弱部分，破壞后加固結構和既有結構分離，加固結構就無法減輕既有結構受到的地震作用，還需要研發(fā)新的協(xié)同工作關鍵技術來保證加固的可靠性。

（3）外套式加固方法涉及面廣、考慮因素多、加固手段及連接種類多，且我國各地區(qū)之間各種結構建筑形式有差異，加固施工時涉及到原有暖通、對結構外立面處理、下水管道等線路改造等問題，在實際施工及設計方面的一些問題還待研究解決。

（4）國內外還沒有一部完整、通用的規(guī)范或標準作為外套結構抗震加固的依據(jù)，實際工程中受各種因素的影響，加固質量參差不齊，加固后的結構抗震水平也不同，國內需要統(tǒng)一的加固標準和規(guī)范才能更好地提高加固的質量。

我國需要加固的既有建筑工程量大，因此應不斷頒布、完善建筑加固方面的法規(guī)，推動我國對既有建筑加固的研究和發(fā)展，未來使加固改造工程成為我國建筑工程的重要部分，為我國的建筑加固行業(yè)帶來發(fā)展契機和廣闊的應用前景，對實現(xiàn)建筑資源節(jié)省、節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的目標具有重要意義。