試論建筑結構抗震設計與加固改造

文/龐俊韜 廣西壯族自治區建筑科學研究設計院 廣西南寧 530005

試論建筑結構抗震設計與加固改造

文/龐俊韜 廣西壯族自治區建筑科學研究設計院 廣西南寧 530005

由于我國對于房屋建筑結構的抗震設計研究較晚，與國外先進的技術存在著一定的差距，導致了我國的房屋在地震中倒塌情況比較嚴重，損毀率較高，使居民的安全無法得到有效的保證。因此，可以采用科學、合理的手段，根據不同建筑物的不同特點，采用不同的方法對建筑中容易受損的構件進行加固改造，提高我國建筑物抵抗地震的能力。本文通過對建筑結構抗震設計目標的分析，針對建筑結構的加固方法及加過措施展開了研究。

抗震設計；地震；建筑結構

近年來，各類自然災害較為頻繁，對我國影響最為嚴重的災害便是地震。我國許多省市都處在地震頻發的地區，例如：四川、云南等地區。以我國目前的科學技術水平來看，還無法對地震的相關信息進行準確的預測。為了降低地震對人民生產、生活造成的威脅，可以在建筑設計的過程中，加強建筑結構的抗震設計，增強建筑物整體的承重能力及抗壓、抗扭能力，減少其在地震中受到損傷的程度。

1、抗震設防目標

地震是一種對嚴重威脅人類生活安全的自然災害，不僅威脅到人民的人身財產安全，地震期間還可能會引發海嘯、山體滑坡、毒氣泄漏等其他自然災害，使抗震救災工作變的異常艱難。在地震災害中，受災地區的建筑物受到的影響最大，因此，對于建筑結構的抗震設計與加固改造就成為了人們所關注的重要話題。我國對于建筑結構抗震設計的要求就是，保證建筑物在低級地震時不發生損壞，依舊可以繼續使用；中級地震時不至于完全損壞，在地震結束后可以通過修理，重新恢復使用；高級地震時不至于倒塌，使建筑物內的居民擁有充分的逃離時間。

2、建筑結構設計中的抗震設計策略

2.1 選擇合適的建筑場地

為了提高建筑結構的抗震能力，增強建筑物對地震的抵抗力，應根據建筑物抗震原理的相關要求來進行建筑結構的抗震設計。在房屋建筑建設的過程中，地基的質量決定了房屋建筑的穩定程度，也是對抗地震的重要條件之一。只有選擇最合適的建筑場地，才能有效的提高建筑物的地基質量，從而提高了建筑物的抗震效果。除此之外，在選擇建筑場地的時候，還要對場地的實際情況進行仔細的觀察，并結合建筑物相關要求，選擇最適合該建筑項目建設的場地。盡量避免在山體附近，或者是存在軟土、泥土的場地進行建筑物施工。靠近山體的場地容易受到地震的影響產生山體滑坡，對建筑物造成二次傷害。而含有軟土或泥土的場地，無法保證地基的載荷量，影響建筑物低級的質量。同時，也不能選擇在地震斷裂帶上容易發生錯位的地區進行建筑物施工，一旦地震來臨，該地區遭受的危害和影響都是最大的。

2.2 合理選擇建筑平面和立面布置

2.2.1 結構簡單的平立面布置規則

在建筑結構的防震設計中，結構簡單的建筑物相較于結構復雜的建筑物來說，其受力性能更加明確，在分析地震發生時建筑物的實際反應及其內力情況時也可以更加準確，其結構內部的具體構造也較為容易處理，這種相對簡單的結構在面對地震時，受到的損害不會很大。而結構復雜的大型建筑，尤其是平面不規則的建筑，在受到地震影響時，很容易因為立面上高低錯落，而發生剛度和強度上的突變，最終導致建筑物的立面發生變形，導致建筑物內部出現了薄弱環節。隨著地震的持續，建筑物的薄弱環節暴露的就越明顯，建筑物出現問題的可能性就越大。

2.2.2 建筑的質量和剛度變化要均勻

建筑的質量和剛度沿豎向分布通常是不均勻的。例如。因為受到建筑的豎向收進的影響．地震時收進處上、下部分振動特性不同，易于在收進處的橫隔層(樓板)產生了應力變化，造成豎向收進的凹角處的應力突然集中起來：又如，在建筑物底層設置上下不連續的抗震墻（如底層框支抗震墻），使建筑物沿豎向的不均勻性：框架的填充墻在層高范圍內沒有合理和連續設置樓層，使框架形成短柱，也易于造成危害。

2.2.3 必要時設置防震縫

防震縫是指房屋設計時，為了有效的防止地震對房屋造成的破壞，通過設置防震縫的方法，將房屋分割成若干個結構簡單、剛度相似的獨立部分，以防止相近結構單元受到地震的影響，而產生相互之間的碰撞。雖然設置防震縫可以有效的改善房屋的抗震性能，但是如果按照相關規定中的規范要求來設置防震縫，對于寬度的把握會十分困難。寬度如果不夠，很有可能在地震時，使相鄰的結構單元之間發生碰撞，無法達到抗震的效果；如果寬度過大，則會給建筑物的里面設計帶來諸多困難。因此，在設置防震縫的時候，不能夠完全按照統一的標準來進行，要根據建筑物的實際情況，來決定是否要設置防震縫。通常情況下，體型較為復雜的建筑物。如果設置防震縫，就應該建立相應的結構計算模型，對建筑物的抗震能力進行系統的計算與分析，并對其在地震中的損壞情況進行整體評估，找出建筑物中容易發生損壞的部位，并采取必要的措施提高其抗震能力；如果設置防震裂縫，可以將復雜的建筑結構分割成規則的、簡單的結構單元，防震縫的寬度應該根據建筑場地的情況，房屋類型等因素來決定。

2.3 保障結構的延性

在完成建筑結構的設計后，還要采取措施使該結構具有適當的延性，以此保證此建筑結構可以達到預定的抗震目標。提高建筑結構延性的措施包括：

首先，對于建筑結構當中柱、梁等構件，應該按照強柱弱梁的原則，增加珠子的抗彎能力。鋼筋混凝土的框架在強震發生的時候，一旦地震的為例超過了其所能承受的極限，致使建筑結構發生了最大的非線性位移時，梁端的塑性鉸的塑性轉動會比較大。如果柱端的塑性鉸出現的比較晚，那么建筑結構達到最大非線性位移時，它的塑性轉動就會比較小。如此一來，就保證了框架有了比較穩定的塑性耗能構件。

其次，要提高結構的延性，還要采取強剪弱彎的措施。因為剪切對于破壞根本沒有延性，一個部位如果發生了剪切破壞，那么這個部位在整個的抗震結構中就失去了作用，柱端發生剪切破壞，建筑結構就會發生局部坍塌，從而導致整個建筑物坍塌。因此，要采取適當的措施，確保任何構建在強震時，都不會發生剪力破壞。

3、建筑結構的加固改造

3.1 建筑結構加固技術

3.1.1 植筋技術

在建筑結構的加固技術中，植筋技術的操作流程簡單且施工成本較低，是一種經濟實惠的建筑結構加固技術。在實際的操作當中，需要使用目鋼筋與螺栓式錨筋的應用與連接來實現建筑加固的目的和效果。由于不同的墻體形式，在結構加固過程中選用的鋼筋不同，因此，在使用植筋技術的過程中，必須要重視對鋼筋類型和質量的選擇，以滿足不同墻體的不同承重需求。例如：墻體形式為剪力墻，那么在進行結構加固的過程中，就要使用承重能力好一些的鋼筋，以滿足剪力墻的承重要求。除此之外，部分建筑結構在加固的過程中對鋼筋的強度并沒有太高的要求，因此，可以使用像分布筋植筋的加固方式對其進行加固。

3.1.2 托換技術

托換技術從本質上來說就是一種建筑結構的修補技術，是為了彌補由于設計、施工中的失誤或是方法使用不當，造成的建筑物開裂、傾斜、損壞，進而需要進行地基基礎加固而使用的技術手段，也可用與建筑物墻體的補強或修補。托換技術最大的優勢就是施工時間較短，可以極大程度上節約施工期間所消耗的各類費用。同時，不足之處也是十分明顯的，托換技術是一種針對建筑物損壞部分的修補，由于部分建筑物的結構較為復雜，再加上損壞的程度、原因各不相同，極大程度的增加了施工的難度，因此，托換技術對施工人員的專業水平與技術操作水平要求較高，不是普通工人可以完成的。

3.1.3 修補技術

從目前的情況來看，我國建筑加固結構設計的過程中，修補技術主要被用于建筑物的內部修補以及裂縫修補兩部分，根據建筑物損傷的程度不同對兩種修補方法進行選擇。在實際的運用當中，內部修補技術主要被應用于建筑結構中裂縫較大的部分，通過使用壓力泵向裂縫中注入修補材料的方法，來提高建筑物使用過程中的安全性與耐久性。裂縫修補技術則是針對建筑混凝土結構在使用過程中出現的裂縫而設計的，由于混凝土在使用的過程中，會受到自身性質或外界因素的影響而產生裂縫，因此，可以使用裂縫修補技術，通過在裂縫中填補混凝土材料的方式，來實現裂縫的修補。

3.2 建筑結構加固措施

3.2.1 增大截面加固措施

在建筑結構的加固措施中，增大截面加固技術是較為常見的加固技術之一，在實際的工作中，增加截面加固技術可以擴大受壓部位的面積，來分散建筑結構所受到的壓力，緩解壓力對建筑結構造成的彎曲及損害，使原建筑結構的抗壓能力及承載能力都得到了有效的增強。使用增大截面加固措施的優勢在于施工方法簡單，適用性強，實用效果較好，由于增大截面加固措施在建筑結構加固中使用的較為頻繁，為其積累了大量成熟的設計以及施工經驗，通常被用于梁、柱、墻以及一般混凝土等建筑結構的加固之中。但是，這種加固措施也存在這一定的不足，使用增大截面加固措施，在實際的建筑加固結構設計過程中，需要多個部門及大量的工作人員合作完成，工作量較大，工程耗時實踐較長，使建筑物的使用面積進一步的縮小，在施工完成以后并不能馬上投入使用，而是需要給予其一定的時間來進行養護，不利于建筑物的正常使用。

3.2.2 外包鋼加固措施

在建筑加固結構設計中，外包鋼加固措施也被稱為外包鋼加固法，起作用在于增加建筑結構的承載力，為建筑結構提供足夠的受力保證。采用這種方法對建筑物進行加固，在地震來臨時，可以使建筑物不易受到外力的干擾而發生坍塌。相較于其他加固措施而言，外包鋼加固措施的現場工作量較小，施工方法也相對簡單。但是，缺點也十分明顯，外包鋼加固措施是使用鋼材來提高建筑結構的整體受力效果，因此，對鋼材的消耗量較大，施工成本較高。除此之外，在使用外包鋼加固措施的時候，對于要求較多，使用鋼材進行加固的部分既不能超過園構件截面的尺寸，又要確保其可以大幅度的提高建筑結構的承載能力，這就要求施工人員在正式施工以前，對建筑構件進行準確的測量，采用科學的方法對鋼材覆蓋的面積進行計算，并制定相應的施工方案，以便達到外包鋼加固法的基本要求。

3.2.3 外部粘鋼加固措施

外部粘鋼加固措施通常使用鋼板作為加固板，并將加固板與建筑結構中需要加固的部位粘結成為一體，利用加固板的硬度來提高原建筑結構的承載能力，原建筑結構被包裹在加固板內，在一定程度上延長了原建筑結構的使用壽命。使用外部粘鋼加固措施的優點主要包括：施工操作簡單，工期較短，對建筑物內居民的生產、生活影響較小，并且對原建筑結構的外觀以及原有凈空均無顯著影響。但是，在使用的過程中對施工環境卻有一定的要求，必須保證室內溫度在零上六十攝氏度以下且濕度正常的環境下才可以使用這種加固措施進行加固操作，而且加固的效果與施工者的技術水平以粘膠工藝有直接的關系。

3.2.4 碳纖維加固措施

與上文中研究的粘鐵鋼板加固措施相同，碳纖維加固措施也是一種化學加固方法，用于對建筑結構中承載力不強的部分進行補強。碳纖維加固措施與其他的加固措施相比，其耐潮濕、耐腐蝕的效果更加，經常被用于浴室、水廠等施工環境相對潮濕的建筑結構加固工作中。碳纖維加固措施在使用的過程中，存在著比較致命的缺陷，雖然這種加固措施幾乎不會增加原建筑構建自身的重量，耐用性較好，也不需要較多的費用對其進行長期維護。由于纖維材料比較容易起火，如果施工區域比較容易接觸到明火，那么必須對其進行專門的防火處理，以免發生火災。

總結：

建筑物結構的抗震設計是建筑結構設計中的重要環節，其效果直接影響到建筑物的整體性能，尤其是在震區建筑物的結構設計中體現的更為明顯。因此，必須要重視建筑結構抗震性能的設計，將建筑結構的抗震設計貫穿于建筑施工的始末，確保建筑物在竣工后的安全使用。由于不同的建筑物在地震時受到的損害程度不同，設計師在進行建筑結構抗震設計時必須充分的考慮到建筑物的實際情況，選擇最為合適的抗震設計方法，最大程度上增強建筑物的抗震性能，實現建筑結構的合理布設，盡可能的減少建筑物在地震自然災害中的受損程度，使人民的生命財產安全得到有效的保障。

[1]洪俊青,劉偉慶,王曙光,等.隔震技術在建筑抗震加固中的應用研究[J].工程抗震與加固改造,2010(29).

[2]孟令飛.芻議高層建筑結構抗震的優化設計的探析[J].建筑工程技術與設計,2015(16).

[3]張囡.淺論提高建筑結構抗地震倒塌能力的設計思想與方法[J].建筑工程技術與設計,2015(02).

[4]黃啟鵬.論多層建筑結構抗震加固改造[J].中國科技博覽,2014(35).

[5]趙存琿.對于建筑結構抗震加固技術的探究[J].黑龍江科技信息,2014(22).

[6]葛洋.試論建筑結構抗震設計若干問題[J].江西建材,2015(19).