第27卷第1期
2005年2月
工程抗震与加固改造
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting
Vol.27,No.1
Feb.2005
[文章编号] 1002-8412(2005)01-0056-07
现行抗震加固方法及发展趋势
张敬书,潘宝玉
1
2
(1.兰州大学力学系,甘肃兰州730000;2.铁道第一勘察设计院,甘肃兰州730000)
[摘 要] 本文概要介绍了现行的抗震加固方法,论述了各种抗震加固方法的特点,展望了抗震加固方法的发展趋势。
[关键词] 抗震加固;发展趋势
[中图分类号] TU3 [文献标识码] A
MethodsandDevelopmentofPresentAseismicRetrofitting
12
(1.DepartmentofMechanics,LanzhouUniversity,Lanzou730000,China;2.TheFirstRailwaysSur-ZhangJing-shu,PanBao-yu
veyandDesignInstitute,Lanzhou73000,China)
Abstract:Themethodsofpresentaseismicretrofittingareintroducedinthispaper.Andthefeaturesofeachmethodisanalyzed.Thedevelop-mentofaseismicretrofittingcomestomaturity.Moreandmoreadvancedmethodsareusedathomeandabroad.Keywords:aseismicretrofitting;development
1 抗震加固思路与加固方法概述
从抗震加固思路出发,抗震加固方法可分为以下两大类。
1.1 减小地震作用的加固方法
如果地震作用减少,结构反应必然减小。这个方法似乎并没有加固结构,但实际上地震作用的减小就保证了该结构在地震发生时的安全,该法在一般情况下非常有效,在任何情况下,减小地震作用就意味着结构抗震安全度的提高,就意味着结构肯定得到了加固。
从工程实际出发而言,减小地震作用可通过以下方法。
(1)增大结构周期
从地震工程原理出发,当结构周期增大时,结构刚度减小,因此地震作用减小。一个能有效使结构周期增大的方法是隔震技术,目前工程常采用阻尼高、水平变形大、能有效吸收地震能量的铅芯橡胶隔震垫,将其设置在房屋上部结构与基础之间,使房屋上部结构与基础完全脱开。在地震作用下,隔震垫
[收稿日期] 2004-07-05
[作者简介] 张敬书(1966～),男,高级工程师
[1]
在水平向发生较大变形,吸收并消耗较多的地震能量,从而使上部结构周期加长,传递给上部结构的地面水平地震加速度大大减小,从而减小了上部结构
承受的地震力。
目前,作为一种较为成熟有效的减震技术,隔震
[2]
技术已经列入了规范,在新建工程中推广使用。国外已有采用此方法进行抗震加固的工程,如美国盐湖城市政大楼。
(2)加大结构阻尼
一般情况下,结构阻尼加大,则地震作用将减小。在地震作用时结构变形相对较大的部位,适当布置阻尼器,使结构阻尼加大,地震作用将减小,从而达到抗震加固的目的。
目前,国内有关单位采用增大阻尼的方法(消能
[4]
减震)加固了北京火车站中央大厅、北京饭店西楼等大型公共建筑,也有单位采用摩擦阻尼加固
[6]
了沈阳市政府大楼,收到了较好的加固效果。1.2 增大结构抗震能力的加固方法增大结构的抗震能力,实际就是提高主要抗侧力构件的承载力、延性和结构的整体性,在采取这类抗震加固措施时,必须注重从整体结构出发,进行结构加固,不能“头痛医头,脚痛医脚”,防止加固局部
[5]
[3]
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构件导致薄弱部位的转移。
该类方法主要有以下几种:
(1)针对砌体结构的加固方法
砌体结构抗震性能不好,主要表现在砌体抗震墙抗震能力、变形性能的不足,以及房屋整体性不好。针对砌体结构的加固方法主要也就是解决上述问题。如增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网水泥砂浆面层加固法;增大结构整体性的压力灌浆加固法、增设圈梁(构造柱)加固法、拉结钢筋加固法;通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体法等。
(2)针对框架结构的加固方法
在钢筋混凝土多层及高层结构型式中,框架结构在地震作用下变形较大,破坏也较为严重。框架结构在地震作用下抗震性能不好,主要表现在框架柱、梁抗震承载力、变形能力不足,针对框架结构的加固方法主要也就是提高框架柱、梁的抗震承载力和变形性能。如提高柱、梁抗震性能的外包钢筋混凝土面层加固法、外包型钢法、粘钢加固法、碳纤维加固法;通过增设抗震墙加固框架结构来降低抗震能力薄弱的框架柱、梁承受地震作用的增设墙体法等。
(3)其它结构类型的抗震加固方法
该类方法主要有针对钢结构、木结构和其它钢筋混凝土结构类型的方法,这类结构型式在抗震加固实践中较少,加固方法也较少。
[7～12]
2 主要抗震加固方法
按加固形式,抗震加固方法可按如下分类:2.1 增大结构抗震能力的加固方法
(1)增强自身整体性加固法。该法用于加强结构构件本身,恢复或提高构件的承载力和抗震能力,主要用于震前修补结构缺陷或震后对出现裂缝的构件进行修复加固,一般不做为单独的抗震加固方法使用。
1)压力灌注水泥浆加固法。可以用于灌注砖墙裂缝和混凝土构件的裂缝,也可以用来提高砌筑砂浆强度等级≤M1以下砖墙的抗震承载力。2)压力灌注环氧树脂浆加固法。用于加固有裂缝的钢筋混凝土构件。
3)铁把锯加固法。此法用于加固有裂缝的砖墙。
(2)外包加固法。指在结构构件外面增设加强
.1层,以提高结构构件的抗震能力、变形性能和整体
性。这种加固方法是一种常用的抗震加固方法,某些方法能大幅度提高结构的抗震能力,一般做法有:
1)外包钢筋混凝土面层加固法。这是加固钢筋混凝土梁、柱、墙和砖柱、砖墙的有效方法,通过在原构件外周增设钢筋混凝土面层,如钢筋混凝土围套、钢筋混凝土板墙等,增大构件断面,增设钢筋,从而大幅度提高构件的承载力、刚度和抗震性能,具体可以采取支模板现浇混凝土或用喷射混凝土加固。该法的优点是能够大幅度提高被加固构件的承载力、延性和刚度,效果可靠,可以采用常规方法施工,容易控制和检测工程质量,具有良好的耐久性。缺点是加固周期较长,影响使用,而且是湿作业,现场环境不好。
2)钢筋网水泥砂浆面层加固法。此法与外包钢筋混凝土面层加固法类似,但配筋量少,加固面层厚度有限,主要用于加固砖柱、砖墙等,施工时不用支模板,铺设钢筋后将钢筋网片与原构件固定,分层抹灰、养护即可。该法能提高构件的整体性,施工简便,效果可靠,耐久性也较好。
3)钢构套加固法。该法是在构件外围包以型钢的加固方法,其中湿法是指型钢与构件通过乳胶水泥、环氧树脂等粘结剂与原构件粘结,新加型钢与原构件形成整体共同工作;干法指新加型钢与原构件之间不采用粘结剂粘结,不能保证结合面剪力的有效传递。在抗震加固中一般采用湿法,它适用于加固钢筋混凝土梁、柱及砖柱、砖烟囱等。具有施工方便,能有效提高构件抗震性能的优点,但使用时应注意对钢构套表面涂刷防锈漆,或采用水泥砂浆面层保护。
4)粘钢加固法。该法是一种适应面广、施工方便、在较少增加刚度的条件下能大幅度提高构件抗震性能的一种发展势头良好的加固方法。它采用专用粘结剂将钢板与原有构件粘结,提高构件承载力、抗裂性、延性,从而提高构件抗震性能,施工方便、快捷,施工场地环境条件好,对使用影响小。但在使用时除注意对钢板进行保护外,尚需注意由于粘结剂的原因,环境温度不能大于60℃。
5)碳纤维加固法
[13]
。该法是一项新的应用外
粘高性能复合材料的加固方法,它采用树脂类粘结材料将碳纤维片材粘贴于构件表面,从而达到对结构构件进行加固补强的目的。碳纤维片材具有强度
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高、弹性模量高、重量轻、厚度薄、耐久性和耐腐蚀性好的突出优点,施工轻便、快捷,施工场地环境条件好,因此尽管应用时间不长,但发展势头良好。但该法也存在使用时间不长,使用经验不多,费用较高的缺点,而且也由于粘结剂的原因,使用环境温度不能大于60℃。
(3)增设构件加固法。通过在原有结构构件以外增设构件能够有效提高结构抗震承载力、变形性能和整体性,对某些承载力、变形不足的构件进行补偿。在采用增设构件进行抗震加固设计时,必须要考虑增设构件对结构整体计算和抗震性能的影响。1)增设墙体加固法。砖混结构中,砖墙是抵抗地震作用的主要抗侧力构件,当抗震横墙间距超过规定值或墙体抗震承载力严重不足时,可采用增设砖抗震墙或钢筋混凝土抗震墙的方法,来弥补原有结构抗震能力的不足;在抗震变形较大的框架结构中,增设钢筋混凝土抗震墙,从根本上改变了原来的结构型式,结构从侧向变形较大、抗震能力较弱的框架结构变成具有多道抗震防线、侧向变形较小的框剪结构,框架承受的地震力大大减小,从而达到不加固或少加固框架而大幅度提高结构抗震性能的目的,这种方法已经成为框架结构加固的最主要方法之一。这种方法效果可靠,能大幅度提高既有结构的抗震性能,并且采用常规方法施工,易于检测和控制工程质量,耐久性良好。但这种方法必须进行加固后结构的整体抗震计算,而且在新加抗震墙下要增设基础,施工周期较长,对被加固房屋的使用有较大影响。
2)增设构造柱、圈梁加固法。砖混结构中,构造柱能够提高墙体的抗剪力,约束墙体,提高其变形能力和抗倒塌能力;圈梁能增强房屋的整体性,构造柱和圈梁是提高砖混结构抗震能力的有效措施。如果原有砖混结构未设构造柱或构造柱设置不足,可设置钢筋混凝土外加构造柱,外加构造柱与增设的圈梁、钢拉杆形成整体,共同约束墙体,减轻砖墙在地震时的破坏,提高了抗剪力,防止砖墙倒塌破坏。内框架结构型式中,沿房屋外纵墙增设钢筋混凝土柱也是提高这类结构抗震承载力的一种方法。如果圈梁设置不足,也可采用钢筋混凝土外加圈梁或板底钢筋混凝土夹内墙圈梁进行加固。
3)增设拉杆加固法。此法多用砖混结构,在纵横墙连接部位的增设钢筋拉杆,施工简便,效果可
靠,在某些情况下也可以起到内墙圈梁的作用,曾经是砖混结构广泛采用一种加固方法。
4)增设柱子加固法。在梁的跨中增设支柱等构件,可以较大幅度的提高被加固构件的承载力,减小了构件变形,从而也增大了既有构件的抗震能力。5)增设支撑加固法。在厂房结构中,增设屋盖支撑、天窗架支撑和柱间支撑,可以提高结构的抗震强度和整体性,并可增加结构受力的赘余度,起二道防线的作用。6)增设支托加固法。当屋(楼)盖构件(如檩条、屋面板、梁等)的支承长度不足时,可以增设支托,从而加大构件支承长度,防止构件在地震时塌落。7)增设门窗框加固法。在砖混结构中,当承重窗间墙宽度过小或承载能力不满足要求时,可以增设钢筋混凝土门框或窗框,从而提高砖墙的抗裂性,防止砖墙在地震中倒塌。(4)增强连接加固法。构件可靠的连接是保证结构抗震性能、防止倒塌的一个非常重要的关键措施,抗震要求结构构件必须可靠连接。如果原有结构构件承载力能够满足,但构件间连接差,则必须采取增强连接的措施。
1)拉结钢筋加固法。在砖混结构中,如果砖墙与钢筋混凝土梁柱间无连接,可以增设拉筋加强。拉筋一端弯折后锚入墙体的灰缝内,另一端用环氧树脂砂浆锚入梁柱的斜孔中或与锚入梁柱内的膨胀螺栓焊接。
2)压浆锚杆加固法。适用于砖混结构中纵横墙间没有咬槎砌筑、连接很差的情况。方法是采用长锚杆,一端嵌入内横墙,另一端嵌固于外纵墙或外加柱上。3)钢夹套加固法。适用于隔墙与顶板或梁连接不良时,可采用钢夹套连接墙体与梁板,以防止砖墙平面外倒塌。
(5)替换构件加固法。对原有强度低、韧性差的构件用强度高、韧性好的构件来替换。通常采用的有:
1)钢筋混凝土替换砖。如钢筋混凝土柱替换砖柱,钢筋混凝土墙替换砖墙。
2)钢构件替换木构件。2.2 减小地震作用加固法
[3]
(1)隔震加固法。采用铅芯阻尼橡胶支座,能够延长低层和多层结构(基本周期小于1秒)的自振周
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期,通过隔震支座的大变形来减少其上部结构的水
平地震作用,从而减少地震破坏,其效果和可靠性已为国外强震记录所证实。美国已采用橡胶隔震垫加固了16幢既有房屋
[3]
个省、市、区,基本覆盖了中国大陆的高烈度地震区。陕西、云南、辽宁、广东等地已有隔震房屋在地震中表现出良好减震效果的报告
[3,15]
。
,但国内尚未见报道。从国际上看,日本于1982年建成第一幢钢筋混凝土橡胶垫隔震建筑。在1995年的阪神大地震中,隔震建筑的加速度反应仅为传统抗震建筑的1 4～1 8,两幢隔震房屋的结构及其内部的装修、设备、仪器丝毫无损,表现出令人信服的减震效果。从1995年2月至1995年10月,仅9个月时间,日本新设计的、正在施工的隔震房屋达120幢。其工程应用已步入全面推广、飞速发展的阶段。美国于1985年建造了第一幢采用夹层橡胶垫的建筑,至今已建成近20幢,还采用橡胶隔震垫加固了16幢既有房屋。其它国家如新西兰、法国、加拿大等也有大量的隔震建筑。
消能减震方面,我国广州28层的中房大厦首次
[3]
使用了复合摩擦型消能支撑。既有北京饭店西楼抗震加固采用了粘滞—弹簧阻尼器
[5]
(2)消能减震加固法。消能减震是采用设置消能器来控制预期的结构变形,增大结构阻尼,同时减少结构的水平和竖向地震作用,从而使主体结构在罕遇地震下不发生严重破坏,该法适用范围较广。目前日本已采用该法进行既有结构的抗震加固和修[11]
复,在国内,象北京火车站、北京饭店等结构也采用该法进行抗震加固,收到了良好效果
[4～6]
。
(3)被动控制减震加固法。运用被动控制的基本原理,通过在房屋顶部设置调谐质量,主要降低低阶振型的地震作用。这类加固技术,往往同既有房屋加层技术结合应用,可以在不对下部结构进行加固的情况下,进行房屋加层,新加的房屋质量采用隔震橡胶支座同既有房屋连接,从而减小了原有加固的地震作用,实际上相当于对既有房屋进行了抗震加固。目前,国内已有采用此方法进行房屋加层的工程实例
[3,14]
,加固后,小震
。
[3]
下层间位移减小幅度达50%～60%左右,大震下薄弱层位移角减小幅度达50%左右。
结构被动调谐减震控制方面,日本千叶港观光塔调谐质量减震TMD于1986年建成。
结构主动减震控制方面,日本在1994年建成的世界上第一幢采用主动质量阻尼器AMD控制的33层岸住田大楼,在1995年7月3日的实际地震中,表明减少地震反应50%～80%。1989年建成的世界上第一幢采用主动质量驱动器AMD控制的14层东京某大楼,在1989年10月14日的实际地震中,表明减少地震位移反应约60%。其它如主动被动调谐质量阻尼器APTMD、主动变刚度AVS均经受了实际地震的考验,减震效果良好。
(2)结构减震控制技术在抗震加固中的应用结构减震控制技术为工程结构减震提供了一条崭新的途径。在很多情况下,它比传统抗震方法更加有效、合理和经济。随着经济水平的提高,人们对抗震的要求越来越高,传统抗震方法不论是增加刚度的“硬抗”,还是减少刚度的“躲避”,或者目前广泛采用的“延性设计”,均不能完全满足人们的需求和性能结构抗震设计
[16～19]
3 抗震加固方法的发展趋势
3.1 结构减震控制技术
(1)结构减震控制技术发展及应用现状
结构减震技术的应用范围和技术成熟程度见表1。
表1 结构减震技术的应用范围和技术成熟程度表名称
应用范围
技术成熟程度
刚度较大、自振周期较安全可靠,有效减震,其
隔震
小(≤1s)的低层或多中夹层橡胶垫隔震技术层结构
消能减震
已经基本成熟
水平刚度较小的多层、安全可靠,能有效减震,高层、超高层结构主振型较为明显稳定的多层、高层、超高层结构
技术较为成熟
总体上基本成熟,减震效果视不同情况而异
质量调谐(TMD等)
主动控制对抗震要求较高的建(AMD等)筑结构
各种不同类型、不同要求的建筑结构
尚待完善
若合理组合,可达到安全可靠、有效减震的要求
2
的要求。目前的设计方法
混合控制
和抗震加固方法,虽然大大减轻了地震中房屋的破坏,保护了人们的生命财产安全,但地震造成的破坏
仍然触目惊心,所造成的损失越来越大,影响越来越
我国兴建的隔震建筑物约200万m,分布在20
.1
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广。因此,工程结构减震控制技术将会被越来越广地应用,其中的一个重要领域就是抗震加固。
1)橡胶隔震垫的应用
[3]
明了采用消能减震的加固方法,性能可靠,加固效果
明显。
在国际上
[11]
,在1995年的7.2级阪神大地震
早在1988年,美国就采用橡胶隔震垫对盐湖城政府大楼进行了加固,目前采用该技术已经对16幢
房屋进行了加固。
从国内看,目前尚无采用隔震方法进行抗震加固的报道,其主要原因在于采用隔震方法进行抗震加固时,必须将既有结构在底部截断,在其中间安装隔震垫,而且既有结构也应与周围围护部分脱开,这些都给实际应用造成了很大困难,阻碍了隔震方法在抗震加固中的应用。实际上,由于城市规划和发展的原因,各地都有一些建筑需要拆除,其中有些建筑由于各种原因不能拆除,从而出现了建筑整体搬迁的情况,这些建筑都具有以下特征:建筑高度小、整体性较好、刚度较大;抗震设防往往不能满足现行要求;搬迁时必须将结构下部完全截断。而这些恰恰是隔震方法应用的必要条件,因此将隔震方法进行抗震加固与建筑整体搬迁相结合,将为隔震方法进行抗震加固创造了几近完美的条件,既有助于抗震加固技术的发展,也为建筑整体搬迁拓宽了思路,扩大了这两者的应用范围和市场竞争力。
2)消能减震体系的应用
消能减震体系由主体结构和消能构件组成,消能构件中装设有消能器,当构件或节点发生相对位移时,消能器中产生较大的阻尼,吸收并消耗较大的地震能量,从而发挥消能减震的作用。
目前,国内已成功采用消能减震技术进行了一些工程的抗震加固,其中,建于50年代的北京饭店西楼,为钢筋混凝土框架结构,原设计未考虑抗震,在1976年唐山地震中有所损坏。计算表明,原结构整体刚度较小,在多遇地震作用下结构构件将进入弹塑性变形阶段,结构5～8层柱大部分配筋不足,多根柱配筋严重不足。在抗震构造措施方面,柱的箍筋间距较大,柱箍筋未设加密区,柱延性较差。
经方案比选,确定采用消能减震和普通钢支撑组合体系对原结构进行抗震加固,加固后计算表明,结构加固后,小震下层间位移显著减小,其减小幅度达50%～60%左右,在大震作用下,结构薄弱层位移显著减小,减小幅度达50%左右。框架柱的应力得到有效控制,绝大多数柱的配筋满足强度要求。
既有北京饭店西楼及其它工程的抗震加固,表
[3～6]
后,日本有关部门即进行了震后建筑物损坏的调查、抗震鉴定和修复工作。其中部分工程采用了粘弹性阻尼器进行抗震修复和加固。
采用消能减震方法进行抗震加固的优点是
[3,11]
:
①应用范围广,能同时减少结构的竖向和水平地震作用,对短周期和长周期范围的结构均有效,尤其适用于高柔结构,能显著增强结构刚度,减小位移。
②阻尼器由工厂制造,可进行干作业施工,从而缩短工期,施工中不用搬迁,并能实现制品小型化。
③结构布置灵活,可以布置在结构薄弱部位,能有效提高结构整体和构件的抗震能力。
3)在被动控制技术减震方面,国内结合楼房加层,运用结构被动调谐质量减震的基本原理,研究成功被动控制减震技术,并已在一些工程中实际运[3,14]用。
一般高层建筑上部均有质量不等的水箱间,有些水箱间
[20]
,其质量相当大,目前的设计方法仅仅
做为附加荷载进行抗震设计,如果结合结构被动控制减震技术,有意识利用其质量或加大质量,在其下部设置隔震垫,则可以做为被动调谐质量,对下部结构有效减震,这可能是结构被动控制减震技术应用的一个新的思路,有可能对抗震加固技术的发展起到有益的作用。
4)主动控制减震技术、混合控制减震技术尚待进一步研究完善,其成熟之日,也就是其在抗震加固工程中广泛应用之时。3.2 钢筋后锚固技术的完善
钢筋后锚固技术
[8,12]
,主要包括胀管螺栓锚固和
植筋技术,其中植筋技术可以应用于抗震加固工程。
植筋技术是先在构件上打孔,然后注入专用粘结剂,插入钢筋,待粘结剂凝结硬化后,钢筋通过与周围混凝土粘结成整体,从而进行锚固的技术。该技术的关键在于粘结剂的选择,目前常用的粘结剂除了一些厂家开发的以环氧树脂为基本材料有机化学粘结剂外,还有采用以无收缩快硬硅酸盐水泥为胶结料配制的“浆锚砂浆”。其中化学粘结剂具有施工快捷、方便、性能可靠的突出优点,已越来越
[21]
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多的应用在实际工程中,但该技术也存在一个较大
[21]
缺陷,该粘结剂是一种有机材料,当温度在36℃以上时,其强度开始下降,接近300℃时失去强度。因此该粘结剂无法满足建筑的防火要求,一旦采用该粘结剂的抗震加固工程出现火灾,很可能导致植筋的破坏,这是使用该技术时必须加以考虑的、不能回避的问题,也是一个对该技术的推广将产生较大影响的问题。
“浆锚砂浆”不存在有机化学粘结剂耐火性差的缺陷,具有价廉、耐久性好、耐火性好的突出优点,但同化学粘结剂相比,也存在如施工麻烦、凝结硬化慢、锚固长度长的不利之处,尚待进一步改进。
总之,尽管钢筋后锚固技术已经取得了长足的进展,但要达到或满足工程的各种要求,还有进一步研究、改进的必要,一种经济指标好、技术性能高的粘结剂的研制成功,必将对抗震加固技术产生极为有利的影响。
3.3 粘钢、碳纤维加固技术
粘钢加固技术始于1960年代,我国于1980年代开始引进,如今已经广泛应用在混凝土结构的加固中。该技术是在被加固混凝土构件的表面,涂刷专用粘结剂,然后将钢板同混凝土构件粘结固定,使新粘结的钢板同原有构件共同工作,从而达到加固原混凝土构件的目的。
同粘钢加固技术类似,碳纤维加固技术也是通过粘结剂将碳纤维片材同被加固的构件粘结而进行加固的新型加固方法。同钢板相比,碳纤维片材具有强度高、弹性模量高、重量轻及耐腐蚀性好的优点,是一种非常有发展前途的加固方法。
上述两种技术,都是近年来新兴的加固技术,发展势头良好。但这两种方法均采用粘结剂将板材同构件粘结,这种粘结剂往往是采用环氧树脂做为粘结的基本材料,同化学植筋技术一样,这种粘结剂一样存在耐火性能差的问题,而且相对于植筋技术,粘钢、碳纤维加固方法相对暴露于构件外部,受火灾不利影响的可能性更大。因此,较好耐火性能、较好经济指标、较高技术性能的粘结剂的研制,仍然是一项紧迫的课题,这种粘结剂的研制成功,将大大促进粘钢、碳纤维加固技术的发展。3.4 加固设计方法
尽管地震作用存在不确定性、复杂性,尽管结构本身存在非线性、不均质和变异性,尽管结构计算模
.1型存在误差、计算方法也不尽完善,但同抗震加固工
程相比,新建工程的设计似乎已经非常完美了。新建工程的设计有商品化的、使用方便的计算程序,有大量可以直接引用的标准图集,有丰富的设计经验、成熟的设计方法,还可以在几乎是一张白纸上自由发挥。然而,抗震加固工程就复杂多了,抗震加固设计没有现成的、商品化的计算程序,甚至有些加固设计尚停留在半经验、半理论的阶段,抗震加固设计也没有能直接引用的标准图、通用图,除了少数科研院所以外,绝大多数单位没有多少设计经验,更不用说成熟的设计方法了,抗震加固必须在原有工程上进行,抗震加固的设计必须在“吃透”原有工程设计的基础上并紧密结合工程现状及加固施工的水平进行,可以毫不夸张的说,抗震加固工程比新建工程的难度的要大的多。
正因如此,抗震加固技术的发展大有前途,随着国家经济水平的提高,人民生活的改善,除了关注新建工程以外,也关注既有工程的抗震安全性,而大部分既有工程,或多或少均存在抗震能力不满足现行
[16～19]
要求的问题,性能结构抗震设计理论要求将以“共性”为主的抗震设计思想转变到以“个性”为主上来,业主要求的抗震安全度也不会同现在国家标准规定的最小安全度相一致,因此,抗震加固设计有良好的发展前景,抗震加固设计方法也比将得到很大的发展。
3.5 检测技术
检测技术可分为两大类,一类是加固前的检测,另一类是加固后的检测。
结构加固前检测的目的是为了弄清楚原有结构的实际情况,如实际的混凝土强度,配筋情况等,这也是抗震鉴定所必须进行的。目前,可以采用回弹法、钻孔取芯法检测混凝土强度;采用混凝土保护层厚度探测仪探测混凝土保护层厚度,采用钢筋探测仪探测钢筋位置,可以针对不同工程的实际情况采用不同的检测方法。但仍然缺乏轻便的、使用方便的、准确的检测既有结构钢筋和混凝土的方法。结构加固后的检测是工程验收的需要,也是工程监理、工程质量监督不可缺少的一部分。一方面需要事后检测的手段,能尽可能在不造成工程损伤的情况下快速、方便、准确的检测到工程加固的实际情况,另一方面更需要一个完备的、配套的工程质量验收、监理、监督体系和相应的措施,在这方面,抗震
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参考文献:
2005年2月
加固同新建工程相比,需要做的工作还很多。3.6 耐久性问题
随着我国市场经济的发展,耐久性的问题越来越突出,由于耐久性问题涉及到许多复杂的因素,因此,即使新建工程,耐久性问题也仍然是一个需要花大力气、需要大量人力物力进行研究的问题。
但是,耐久性问题已经到了非解决不可的地步,建筑法明确规定了建筑设计使用年限,人们购买房屋,肯定要将房屋使用寿命放在一个重要的位置。做为抗震加固工程,只能在既有结构上工作,可能这个既有结构已经工作了许多年,而且由于技术和经济原因,不可能要求抗震加固工程达到同类新建工程的安全性、耐久性。抗震加固工程既有工作了许多年的材料,也有新加固的材料,其耐久性问题就更为复杂,要真正解决这个问题,恐怕还有相当大的工作要做。3.7 变形缝和节点的加固
为防止地震时房屋碰撞破坏,新建结构变形缝的宽度有一定要求,从抗震工程的实际情况来看,变形缝宽度主要受地震碰撞影响,有加大的趋势。
既有工程建造的年代较早,变形缝的宽度较小(比如30mm),而且由于施工误差,实际还可能比设计数值要小,这么小的变形缝,要想避免地震时的碰撞破坏几乎是不可能的,而且变形缝周围构件的加固,也存在非常大的困难。尽管已经对此问题引起了初步重视,但要真正解决这个问题,还需要进一步从各个方面加以努力。
节点是结构抗震的关键部位,实际上,也是目前抗震加固的薄弱部位,可以比较方便地采用较多方法加固柱、梁,但对于节点,目前还没有成熟有效的办法,对柱、梁有效的粘钢、碳纤维等加固方法,对于节点就束手无策,一方面不能在加固时使节点区的既有结构产生较大破坏,但还要让加固柱梁的钢筋、钢板尽可能互相拉通,这实际是一对矛盾。但对抗震而言,节点只能加强,不能削弱,而目前的加固,可能与这一原则不尽相符。需要进一步加强节点抗震加固方法的研究,尽快弥补这个缺陷。
[22]
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第27卷第1期
2005年2月
工程抗震与加固改造
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting
Vol.27,No.1
Feb.2005
[文章编号] 1002-8412(2005)01-0056-07
现行抗震加固方法及发展趋势
张敬书,潘宝玉
1
2
(1.兰州大学力学系,甘肃兰州730000;2.铁道第一勘察设计院,甘肃兰州730000)
[摘 要] 本文概要介绍了现行的抗震加固方法,论述了各种抗震加固方法的特点,展望了抗震加固方法的发展趋势。
[关键词] 抗震加固;发展趋势
[中图分类号] TU3 [文献标识码] A
MethodsandDevelopmentofPresentAseismicRetrofitting
12
(1.DepartmentofMechanics,LanzhouUniversity,Lanzou730000,China;2.TheFirstRailwaysSur-ZhangJing-shu,PanBao-yu
veyandDesignInstitute,Lanzhou73000,China)
Abstract:Themethodsofpresentaseismicretrofittingareintroducedinthispaper.Andthefeaturesofeachmethodisanalyzed.Thedevelop-mentofaseismicretrofittingcomestomaturity.Moreandmoreadvancedmethodsareusedathomeandabroad.Keywords:aseismicretrofitting;development
1 抗震加固思路与加固方法概述
从抗震加固思路出发,抗震加固方法可分为以下两大类。
1.1 减小地震作用的加固方法
如果地震作用减少,结构反应必然减小。这个方法似乎并没有加固结构,但实际上地震作用的减小就保证了该结构在地震发生时的安全,该法在一般情况下非常有效,在任何情况下,减小地震作用就意味着结构抗震安全度的提高,就意味着结构肯定得到了加固。
从工程实际出发而言,减小地震作用可通过以下方法。
(1)增大结构周期
从地震工程原理出发,当结构周期增大时,结构刚度减小,因此地震作用减小。一个能有效使结构周期增大的方法是隔震技术,目前工程常采用阻尼高、水平变形大、能有效吸收地震能量的铅芯橡胶隔震垫,将其设置在房屋上部结构与基础之间,使房屋上部结构与基础完全脱开。在地震作用下,隔震垫
[收稿日期] 2004-07-05
[作者简介] 张敬书(1966～),男,高级工程师
[1]
在水平向发生较大变形,吸收并消耗较多的地震能量,从而使上部结构周期加长,传递给上部结构的地面水平地震加速度大大减小,从而减小了上部结构
承受的地震力。
目前,作为一种较为成熟有效的减震技术,隔震
[2]
技术已经列入了规范,在新建工程中推广使用。国外已有采用此方法进行抗震加固的工程,如美国盐湖城市政大楼。
(2)加大结构阻尼
一般情况下,结构阻尼加大,则地震作用将减小。在地震作用时结构变形相对较大的部位,适当布置阻尼器,使结构阻尼加大,地震作用将减小,从而达到抗震加固的目的。
目前,国内有关单位采用增大阻尼的方法(消能
[4]
减震)加固了北京火车站中央大厅、北京饭店西楼等大型公共建筑,也有单位采用摩擦阻尼加固
[6]
了沈阳市政府大楼,收到了较好的加固效果。1.2 增大结构抗震能力的加固方法增大结构的抗震能力,实际就是提高主要抗侧力构件的承载力、延性和结构的整体性,在采取这类抗震加固措施时,必须注重从整体结构出发,进行结构加固,不能“头痛医头,脚痛医脚”,防止加固局部
[5]
[3]
第27卷第1期张敬书,等:现行抗震加固方法及发展趋势·57 ·
构件导致薄弱部位的转移。
该类方法主要有以下几种:
(1)针对砌体结构的加固方法
砌体结构抗震性能不好,主要表现在砌体抗震墙抗震能力、变形性能的不足,以及房屋整体性不好。针对砌体结构的加固方法主要也就是解决上述问题。如增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网水泥砂浆面层加固法;增大结构整体性的压力灌浆加固法、增设圈梁(构造柱)加固法、拉结钢筋加固法;通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体法等。
(2)针对框架结构的加固方法
在钢筋混凝土多层及高层结构型式中,框架结构在地震作用下变形较大,破坏也较为严重。框架结构在地震作用下抗震性能不好,主要表现在框架柱、梁抗震承载力、变形能力不足,针对框架结构的加固方法主要也就是提高框架柱、梁的抗震承载力和变形性能。如提高柱、梁抗震性能的外包钢筋混凝土面层加固法、外包型钢法、粘钢加固法、碳纤维加固法;通过增设抗震墙加固框架结构来降低抗震能力薄弱的框架柱、梁承受地震作用的增设墙体法等。
(3)其它结构类型的抗震加固方法
该类方法主要有针对钢结构、木结构和其它钢筋混凝土结构类型的方法,这类结构型式在抗震加固实践中较少,加固方法也较少。
[7～12]
2 主要抗震加固方法
按加固形式,抗震加固方法可按如下分类:2.1 增大结构抗震能力的加固方法
(1)增强自身整体性加固法。该法用于加强结构构件本身,恢复或提高构件的承载力和抗震能力,主要用于震前修补结构缺陷或震后对出现裂缝的构件进行修复加固,一般不做为单独的抗震加固方法使用。
1)压力灌注水泥浆加固法。可以用于灌注砖墙裂缝和混凝土构件的裂缝,也可以用来提高砌筑砂浆强度等级≤M1以下砖墙的抗震承载力。2)压力灌注环氧树脂浆加固法。用于加固有裂缝的钢筋混凝土构件。
3)铁把锯加固法。此法用于加固有裂缝的砖墙。
(2)外包加固法。指在结构构件外面增设加强
.1层,以提高结构构件的抗震能力、变形性能和整体
性。这种加固方法是一种常用的抗震加固方法,某些方法能大幅度提高结构的抗震能力,一般做法有:
1)外包钢筋混凝土面层加固法。这是加固钢筋混凝土梁、柱、墙和砖柱、砖墙的有效方法,通过在原构件外周增设钢筋混凝土面层,如钢筋混凝土围套、钢筋混凝土板墙等,增大构件断面,增设钢筋,从而大幅度提高构件的承载力、刚度和抗震性能,具体可以采取支模板现浇混凝土或用喷射混凝土加固。该法的优点是能够大幅度提高被加固构件的承载力、延性和刚度,效果可靠,可以采用常规方法施工,容易控制和检测工程质量,具有良好的耐久性。缺点是加固周期较长,影响使用,而且是湿作业,现场环境不好。
2)钢筋网水泥砂浆面层加固法。此法与外包钢筋混凝土面层加固法类似,但配筋量少,加固面层厚度有限,主要用于加固砖柱、砖墙等,施工时不用支模板,铺设钢筋后将钢筋网片与原构件固定,分层抹灰、养护即可。该法能提高构件的整体性,施工简便,效果可靠,耐久性也较好。
3)钢构套加固法。该法是在构件外围包以型钢的加固方法,其中湿法是指型钢与构件通过乳胶水泥、环氧树脂等粘结剂与原构件粘结,新加型钢与原构件形成整体共同工作;干法指新加型钢与原构件之间不采用粘结剂粘结,不能保证结合面剪力的有效传递。在抗震加固中一般采用湿法,它适用于加固钢筋混凝土梁、柱及砖柱、砖烟囱等。具有施工方便,能有效提高构件抗震性能的优点,但使用时应注意对钢构套表面涂刷防锈漆,或采用水泥砂浆面层保护。
4)粘钢加固法。该法是一种适应面广、施工方便、在较少增加刚度的条件下能大幅度提高构件抗震性能的一种发展势头良好的加固方法。它采用专用粘结剂将钢板与原有构件粘结,提高构件承载力、抗裂性、延性,从而提高构件抗震性能,施工方便、快捷,施工场地环境条件好,对使用影响小。但在使用时除注意对钢板进行保护外,尚需注意由于粘结剂的原因,环境温度不能大于60℃。
5)碳纤维加固法
[13]
。该法是一项新的应用外
粘高性能复合材料的加固方法,它采用树脂类粘结材料将碳纤维片材粘贴于构件表面,从而达到对结构构件进行加固补强的目的。碳纤维片材具有强度
·58 ·工程抗震与加固改造2005年2月
高、弹性模量高、重量轻、厚度薄、耐久性和耐腐蚀性好的突出优点,施工轻便、快捷,施工场地环境条件好,因此尽管应用时间不长,但发展势头良好。但该法也存在使用时间不长,使用经验不多,费用较高的缺点,而且也由于粘结剂的原因,使用环境温度不能大于60℃。
(3)增设构件加固法。通过在原有结构构件以外增设构件能够有效提高结构抗震承载力、变形性能和整体性,对某些承载力、变形不足的构件进行补偿。在采用增设构件进行抗震加固设计时,必须要考虑增设构件对结构整体计算和抗震性能的影响。1)增设墙体加固法。砖混结构中,砖墙是抵抗地震作用的主要抗侧力构件,当抗震横墙间距超过规定值或墙体抗震承载力严重不足时,可采用增设砖抗震墙或钢筋混凝土抗震墙的方法,来弥补原有结构抗震能力的不足;在抗震变形较大的框架结构中,增设钢筋混凝土抗震墙,从根本上改变了原来的结构型式,结构从侧向变形较大、抗震能力较弱的框架结构变成具有多道抗震防线、侧向变形较小的框剪结构,框架承受的地震力大大减小,从而达到不加固或少加固框架而大幅度提高结构抗震性能的目的,这种方法已经成为框架结构加固的最主要方法之一。这种方法效果可靠,能大幅度提高既有结构的抗震性能,并且采用常规方法施工,易于检测和控制工程质量,耐久性良好。但这种方法必须进行加固后结构的整体抗震计算,而且在新加抗震墙下要增设基础,施工周期较长,对被加固房屋的使用有较大影响。
2)增设构造柱、圈梁加固法。砖混结构中,构造柱能够提高墙体的抗剪力,约束墙体,提高其变形能力和抗倒塌能力;圈梁能增强房屋的整体性,构造柱和圈梁是提高砖混结构抗震能力的有效措施。如果原有砖混结构未设构造柱或构造柱设置不足,可设置钢筋混凝土外加构造柱,外加构造柱与增设的圈梁、钢拉杆形成整体,共同约束墙体,减轻砖墙在地震时的破坏,提高了抗剪力,防止砖墙倒塌破坏。内框架结构型式中,沿房屋外纵墙增设钢筋混凝土柱也是提高这类结构抗震承载力的一种方法。如果圈梁设置不足,也可采用钢筋混凝土外加圈梁或板底钢筋混凝土夹内墙圈梁进行加固。
3)增设拉杆加固法。此法多用砖混结构,在纵横墙连接部位的增设钢筋拉杆,施工简便,效果可
靠,在某些情况下也可以起到内墙圈梁的作用,曾经是砖混结构广泛采用一种加固方法。
4)增设柱子加固法。在梁的跨中增设支柱等构件,可以较大幅度的提高被加固构件的承载力,减小了构件变形,从而也增大了既有构件的抗震能力。5)增设支撑加固法。在厂房结构中,增设屋盖支撑、天窗架支撑和柱间支撑,可以提高结构的抗震强度和整体性,并可增加结构受力的赘余度,起二道防线的作用。6)增设支托加固法。当屋(楼)盖构件(如檩条、屋面板、梁等)的支承长度不足时,可以增设支托,从而加大构件支承长度,防止构件在地震时塌落。7)增设门窗框加固法。在砖混结构中,当承重窗间墙宽度过小或承载能力不满足要求时,可以增设钢筋混凝土门框或窗框,从而提高砖墙的抗裂性,防止砖墙在地震中倒塌。(4)增强连接加固法。构件可靠的连接是保证结构抗震性能、防止倒塌的一个非常重要的关键措施,抗震要求结构构件必须可靠连接。如果原有结构构件承载力能够满足,但构件间连接差,则必须采取增强连接的措施。
1)拉结钢筋加固法。在砖混结构中,如果砖墙与钢筋混凝土梁柱间无连接,可以增设拉筋加强。拉筋一端弯折后锚入墙体的灰缝内,另一端用环氧树脂砂浆锚入梁柱的斜孔中或与锚入梁柱内的膨胀螺栓焊接。
2)压浆锚杆加固法。适用于砖混结构中纵横墙间没有咬槎砌筑、连接很差的情况。方法是采用长锚杆,一端嵌入内横墙,另一端嵌固于外纵墙或外加柱上。3)钢夹套加固法。适用于隔墙与顶板或梁连接不良时,可采用钢夹套连接墙体与梁板,以防止砖墙平面外倒塌。
(5)替换构件加固法。对原有强度低、韧性差的构件用强度高、韧性好的构件来替换。通常采用的有:
1)钢筋混凝土替换砖。如钢筋混凝土柱替换砖柱,钢筋混凝土墙替换砖墙。
2)钢构件替换木构件。2.2 减小地震作用加固法
[3]
(1)隔震加固法。采用铅芯阻尼橡胶支座,能够延长低层和多层结构(基本周期小于1秒)的自振周
第27卷第1期张敬书,等:现行抗震加固方法及发展趋势·59 ·
期,通过隔震支座的大变形来减少其上部结构的水
平地震作用,从而减少地震破坏,其效果和可靠性已为国外强震记录所证实。美国已采用橡胶隔震垫加固了16幢既有房屋
[3]
个省、市、区,基本覆盖了中国大陆的高烈度地震区。陕西、云南、辽宁、广东等地已有隔震房屋在地震中表现出良好减震效果的报告
[3,15]
。
,但国内尚未见报道。从国际上看,日本于1982年建成第一幢钢筋混凝土橡胶垫隔震建筑。在1995年的阪神大地震中,隔震建筑的加速度反应仅为传统抗震建筑的1 4～1 8,两幢隔震房屋的结构及其内部的装修、设备、仪器丝毫无损,表现出令人信服的减震效果。从1995年2月至1995年10月,仅9个月时间,日本新设计的、正在施工的隔震房屋达120幢。其工程应用已步入全面推广、飞速发展的阶段。美国于1985年建造了第一幢采用夹层橡胶垫的建筑,至今已建成近20幢,还采用橡胶隔震垫加固了16幢既有房屋。其它国家如新西兰、法国、加拿大等也有大量的隔震建筑。
消能减震方面,我国广州28层的中房大厦首次
[3]
使用了复合摩擦型消能支撑。既有北京饭店西楼抗震加固采用了粘滞—弹簧阻尼器
[5]
(2)消能减震加固法。消能减震是采用设置消能器来控制预期的结构变形,增大结构阻尼,同时减少结构的水平和竖向地震作用,从而使主体结构在罕遇地震下不发生严重破坏,该法适用范围较广。目前日本已采用该法进行既有结构的抗震加固和修[11]
复,在国内,象北京火车站、北京饭店等结构也采用该法进行抗震加固,收到了良好效果
[4～6]
。
(3)被动控制减震加固法。运用被动控制的基本原理,通过在房屋顶部设置调谐质量,主要降低低阶振型的地震作用。这类加固技术,往往同既有房屋加层技术结合应用,可以在不对下部结构进行加固的情况下,进行房屋加层,新加的房屋质量采用隔震橡胶支座同既有房屋连接,从而减小了原有加固的地震作用,实际上相当于对既有房屋进行了抗震加固。目前,国内已有采用此方法进行房屋加层的工程实例
[3,14]
,加固后,小震
。
[3]
下层间位移减小幅度达50%～60%左右,大震下薄弱层位移角减小幅度达50%左右。
结构被动调谐减震控制方面,日本千叶港观光塔调谐质量减震TMD于1986年建成。
结构主动减震控制方面,日本在1994年建成的世界上第一幢采用主动质量阻尼器AMD控制的33层岸住田大楼,在1995年7月3日的实际地震中,表明减少地震反应50%～80%。1989年建成的世界上第一幢采用主动质量驱动器AMD控制的14层东京某大楼,在1989年10月14日的实际地震中,表明减少地震位移反应约60%。其它如主动被动调谐质量阻尼器APTMD、主动变刚度AVS均经受了实际地震的考验,减震效果良好。
(2)结构减震控制技术在抗震加固中的应用结构减震控制技术为工程结构减震提供了一条崭新的途径。在很多情况下,它比传统抗震方法更加有效、合理和经济。随着经济水平的提高,人们对抗震的要求越来越高,传统抗震方法不论是增加刚度的“硬抗”,还是减少刚度的“躲避”,或者目前广泛采用的“延性设计”,均不能完全满足人们的需求和性能结构抗震设计
[16～19]
3 抗震加固方法的发展趋势
3.1 结构减震控制技术
(1)结构减震控制技术发展及应用现状
结构减震技术的应用范围和技术成熟程度见表1。
表1 结构减震技术的应用范围和技术成熟程度表名称
应用范围
技术成熟程度
刚度较大、自振周期较安全可靠,有效减震,其
隔震
小(≤1s)的低层或多中夹层橡胶垫隔震技术层结构
消能减震
已经基本成熟
水平刚度较小的多层、安全可靠,能有效减震,高层、超高层结构主振型较为明显稳定的多层、高层、超高层结构
技术较为成熟
总体上基本成熟,减震效果视不同情况而异
质量调谐(TMD等)
主动控制对抗震要求较高的建(AMD等)筑结构
各种不同类型、不同要求的建筑结构
尚待完善
若合理组合,可达到安全可靠、有效减震的要求
2
的要求。目前的设计方法
混合控制
和抗震加固方法,虽然大大减轻了地震中房屋的破坏,保护了人们的生命财产安全,但地震造成的破坏
仍然触目惊心,所造成的损失越来越大,影响越来越
我国兴建的隔震建筑物约200万m,分布在20
.1
·60 ·工程抗震与加固改造2005年2月
广。因此,工程结构减震控制技术将会被越来越广地应用,其中的一个重要领域就是抗震加固。
1)橡胶隔震垫的应用
[3]
明了采用消能减震的加固方法,性能可靠,加固效果
明显。
在国际上
[11]
,在1995年的7.2级阪神大地震
早在1988年,美国就采用橡胶隔震垫对盐湖城政府大楼进行了加固,目前采用该技术已经对16幢
房屋进行了加固。
从国内看,目前尚无采用隔震方法进行抗震加固的报道,其主要原因在于采用隔震方法进行抗震加固时,必须将既有结构在底部截断,在其中间安装隔震垫,而且既有结构也应与周围围护部分脱开,这些都给实际应用造成了很大困难,阻碍了隔震方法在抗震加固中的应用。实际上,由于城市规划和发展的原因,各地都有一些建筑需要拆除,其中有些建筑由于各种原因不能拆除,从而出现了建筑整体搬迁的情况,这些建筑都具有以下特征:建筑高度小、整体性较好、刚度较大;抗震设防往往不能满足现行要求;搬迁时必须将结构下部完全截断。而这些恰恰是隔震方法应用的必要条件,因此将隔震方法进行抗震加固与建筑整体搬迁相结合,将为隔震方法进行抗震加固创造了几近完美的条件,既有助于抗震加固技术的发展,也为建筑整体搬迁拓宽了思路,扩大了这两者的应用范围和市场竞争力。
2)消能减震体系的应用
消能减震体系由主体结构和消能构件组成,消能构件中装设有消能器,当构件或节点发生相对位移时,消能器中产生较大的阻尼,吸收并消耗较大的地震能量,从而发挥消能减震的作用。
目前,国内已成功采用消能减震技术进行了一些工程的抗震加固,其中,建于50年代的北京饭店西楼,为钢筋混凝土框架结构,原设计未考虑抗震,在1976年唐山地震中有所损坏。计算表明,原结构整体刚度较小,在多遇地震作用下结构构件将进入弹塑性变形阶段,结构5～8层柱大部分配筋不足,多根柱配筋严重不足。在抗震构造措施方面,柱的箍筋间距较大,柱箍筋未设加密区,柱延性较差。
经方案比选,确定采用消能减震和普通钢支撑组合体系对原结构进行抗震加固,加固后计算表明,结构加固后,小震下层间位移显著减小,其减小幅度达50%～60%左右,在大震作用下,结构薄弱层位移显著减小,减小幅度达50%左右。框架柱的应力得到有效控制,绝大多数柱的配筋满足强度要求。
既有北京饭店西楼及其它工程的抗震加固,表
[3～6]
后,日本有关部门即进行了震后建筑物损坏的调查、抗震鉴定和修复工作。其中部分工程采用了粘弹性阻尼器进行抗震修复和加固。
采用消能减震方法进行抗震加固的优点是
[3,11]
:
①应用范围广,能同时减少结构的竖向和水平地震作用,对短周期和长周期范围的结构均有效,尤其适用于高柔结构,能显著增强结构刚度,减小位移。
②阻尼器由工厂制造,可进行干作业施工,从而缩短工期,施工中不用搬迁,并能实现制品小型化。
③结构布置灵活,可以布置在结构薄弱部位,能有效提高结构整体和构件的抗震能力。
3)在被动控制技术减震方面,国内结合楼房加层,运用结构被动调谐质量减震的基本原理,研究成功被动控制减震技术,并已在一些工程中实际运[3,14]用。
一般高层建筑上部均有质量不等的水箱间,有些水箱间
[20]
,其质量相当大,目前的设计方法仅仅
做为附加荷载进行抗震设计,如果结合结构被动控制减震技术,有意识利用其质量或加大质量,在其下部设置隔震垫,则可以做为被动调谐质量,对下部结构有效减震,这可能是结构被动控制减震技术应用的一个新的思路,有可能对抗震加固技术的发展起到有益的作用。
4)主动控制减震技术、混合控制减震技术尚待进一步研究完善,其成熟之日,也就是其在抗震加固工程中广泛应用之时。3.2 钢筋后锚固技术的完善
钢筋后锚固技术
[8,12]
,主要包括胀管螺栓锚固和
植筋技术,其中植筋技术可以应用于抗震加固工程。
植筋技术是先在构件上打孔,然后注入专用粘结剂,插入钢筋,待粘结剂凝结硬化后,钢筋通过与周围混凝土粘结成整体,从而进行锚固的技术。该技术的关键在于粘结剂的选择,目前常用的粘结剂除了一些厂家开发的以环氧树脂为基本材料有机化学粘结剂外,还有采用以无收缩快硬硅酸盐水泥为胶结料配制的“浆锚砂浆”。其中化学粘结剂具有施工快捷、方便、性能可靠的突出优点,已越来越
[21]
第27卷第1期张敬书,等:现行抗震加固方法及发展趋势·61 ·
多的应用在实际工程中,但该技术也存在一个较大
[21]
缺陷,该粘结剂是一种有机材料,当温度在36℃以上时,其强度开始下降,接近300℃时失去强度。因此该粘结剂无法满足建筑的防火要求,一旦采用该粘结剂的抗震加固工程出现火灾,很可能导致植筋的破坏,这是使用该技术时必须加以考虑的、不能回避的问题,也是一个对该技术的推广将产生较大影响的问题。
“浆锚砂浆”不存在有机化学粘结剂耐火性差的缺陷,具有价廉、耐久性好、耐火性好的突出优点,但同化学粘结剂相比,也存在如施工麻烦、凝结硬化慢、锚固长度长的不利之处,尚待进一步改进。
总之,尽管钢筋后锚固技术已经取得了长足的进展,但要达到或满足工程的各种要求,还有进一步研究、改进的必要,一种经济指标好、技术性能高的粘结剂的研制成功,必将对抗震加固技术产生极为有利的影响。
3.3 粘钢、碳纤维加固技术
粘钢加固技术始于1960年代,我国于1980年代开始引进,如今已经广泛应用在混凝土结构的加固中。该技术是在被加固混凝土构件的表面,涂刷专用粘结剂,然后将钢板同混凝土构件粘结固定,使新粘结的钢板同原有构件共同工作,从而达到加固原混凝土构件的目的。
同粘钢加固技术类似,碳纤维加固技术也是通过粘结剂将碳纤维片材同被加固的构件粘结而进行加固的新型加固方法。同钢板相比,碳纤维片材具有强度高、弹性模量高、重量轻及耐腐蚀性好的优点,是一种非常有发展前途的加固方法。
上述两种技术,都是近年来新兴的加固技术,发展势头良好。但这两种方法均采用粘结剂将板材同构件粘结,这种粘结剂往往是采用环氧树脂做为粘结的基本材料,同化学植筋技术一样,这种粘结剂一样存在耐火性能差的问题,而且相对于植筋技术,粘钢、碳纤维加固方法相对暴露于构件外部,受火灾不利影响的可能性更大。因此,较好耐火性能、较好经济指标、较高技术性能的粘结剂的研制,仍然是一项紧迫的课题,这种粘结剂的研制成功,将大大促进粘钢、碳纤维加固技术的发展。3.4 加固设计方法
尽管地震作用存在不确定性、复杂性,尽管结构本身存在非线性、不均质和变异性,尽管结构计算模
.1型存在误差、计算方法也不尽完善,但同抗震加固工
程相比,新建工程的设计似乎已经非常完美了。新建工程的设计有商品化的、使用方便的计算程序,有大量可以直接引用的标准图集,有丰富的设计经验、成熟的设计方法,还可以在几乎是一张白纸上自由发挥。然而,抗震加固工程就复杂多了,抗震加固设计没有现成的、商品化的计算程序,甚至有些加固设计尚停留在半经验、半理论的阶段,抗震加固设计也没有能直接引用的标准图、通用图,除了少数科研院所以外,绝大多数单位没有多少设计经验,更不用说成熟的设计方法了,抗震加固必须在原有工程上进行,抗震加固的设计必须在“吃透”原有工程设计的基础上并紧密结合工程现状及加固施工的水平进行,可以毫不夸张的说,抗震加固工程比新建工程的难度的要大的多。
正因如此,抗震加固技术的发展大有前途,随着国家经济水平的提高,人民生活的改善,除了关注新建工程以外,也关注既有工程的抗震安全性,而大部分既有工程,或多或少均存在抗震能力不满足现行
[16～19]
要求的问题,性能结构抗震设计理论要求将以“共性”为主的抗震设计思想转变到以“个性”为主上来,业主要求的抗震安全度也不会同现在国家标准规定的最小安全度相一致,因此,抗震加固设计有良好的发展前景,抗震加固设计方法也比将得到很大的发展。
3.5 检测技术
检测技术可分为两大类,一类是加固前的检测,另一类是加固后的检测。
结构加固前检测的目的是为了弄清楚原有结构的实际情况,如实际的混凝土强度,配筋情况等,这也是抗震鉴定所必须进行的。目前,可以采用回弹法、钻孔取芯法检测混凝土强度;采用混凝土保护层厚度探测仪探测混凝土保护层厚度,采用钢筋探测仪探测钢筋位置,可以针对不同工程的实际情况采用不同的检测方法。但仍然缺乏轻便的、使用方便的、准确的检测既有结构钢筋和混凝土的方法。结构加固后的检测是工程验收的需要,也是工程监理、工程质量监督不可缺少的一部分。一方面需要事后检测的手段,能尽可能在不造成工程损伤的情况下快速、方便、准确的检测到工程加固的实际情况,另一方面更需要一个完备的、配套的工程质量验收、监理、监督体系和相应的措施,在这方面,抗震
·62 ·工程抗震与加固改造
参考文献:
2005年2月
加固同新建工程相比,需要做的工作还很多。3.6 耐久性问题
随着我国市场经济的发展,耐久性的问题越来越突出,由于耐久性问题涉及到许多复杂的因素,因此,即使新建工程,耐久性问题也仍然是一个需要花大力气、需要大量人力物力进行研究的问题。
但是,耐久性问题已经到了非解决不可的地步,建筑法明确规定了建筑设计使用年限,人们购买房屋,肯定要将房屋使用寿命放在一个重要的位置。做为抗震加固工程,只能在既有结构上工作,可能这个既有结构已经工作了许多年,而且由于技术和经济原因,不可能要求抗震加固工程达到同类新建工程的安全性、耐久性。抗震加固工程既有工作了许多年的材料,也有新加固的材料,其耐久性问题就更为复杂,要真正解决这个问题,恐怕还有相当大的工作要做。3.7 变形缝和节点的加固
为防止地震时房屋碰撞破坏,新建结构变形缝的宽度有一定要求,从抗震工程的实际情况来看,变形缝宽度主要受地震碰撞影响,有加大的趋势。
既有工程建造的年代较早,变形缝的宽度较小(比如30mm),而且由于施工误差,实际还可能比设计数值要小,这么小的变形缝,要想避免地震时的碰撞破坏几乎是不可能的,而且变形缝周围构件的加固,也存在非常大的困难。尽管已经对此问题引起了初步重视,但要真正解决这个问题,还需要进一步从各个方面加以努力。
节点是结构抗震的关键部位,实际上,也是目前抗震加固的薄弱部位,可以比较方便地采用较多方法加固柱、梁,但对于节点,目前还没有成熟有效的办法,对柱、梁有效的粘钢、碳纤维等加固方法,对于节点就束手无策,一方面不能在加固时使节点区的既有结构产生较大破坏,但还要让加固柱梁的钢筋、钢板尽可能互相拉通,这实际是一对矛盾。但对抗震而言,节点只能加强,不能削弱,而目前的加固,可能与这一原则不尽相符。需要进一步加强节点抗震加固方法的研究,尽快弥补这个缺陷。
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