既有結(jié)構(gòu)外套加固技術(shù)的發(fā)展及抗震研究綜述

安宇塵 賈 杰*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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既有結(jié)構(gòu)外套加固技術(shù)的發(fā)展及抗震研究綜述

安宇塵 賈 杰*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡要介紹了既有結(jié)構(gòu)外套加固技術(shù)的概念及種類，從砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)三方面，分析了外套加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能，并針對外套加固技術(shù)中存在的問題，提出了外套加固技術(shù)的改進(jìn)建議及發(fā)展趨勢。

外套加固技術(shù)，砌體結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震性能

0 引言

近幾年，地震頻繁襲擊我國各大地區(qū)，很多震損建筑需及時采取加固修復(fù)措施。同時，有些早期建筑已經(jīng)接近或超過使用壽命期限，也需要進(jìn)行抗震性能鑒定和必要的加固。為了提高需要加固的既有建筑承載力，已經(jīng)有了很多類加固方法，如：使用鋼絞線和砂漿加固梁柱，內(nèi)部增設(shè)抗震墻和利用鋼板或碳纖維增強(qiáng)聚合物加強(qiáng)柱等。這些加固方案大多是對受損構(gòu)件的加固，需要合適的工作空間和時間，另外，既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多時，在內(nèi)部加固構(gòu)件還會帶來工程量大、周期長和費(fèi)用高等問題。所以，既不影響正常工作，又要降低加固的時間和資金成為現(xiàn)階段加固的一個研究目標(biāo)。而外套加固技術(shù)就是一個很好的選擇，它突破了原先只對既有建筑構(gòu)件進(jìn)行加固的思維局限，解決了內(nèi)部加固方法造成的很多實(shí)際問題，給加固方案的確定提供了更多的選擇，因此外套加固技術(shù)備受推崇，應(yīng)用范圍廣，相應(yīng)的抗震研究較熱。

1 外套加固技術(shù)的介紹

外套加固技術(shù)是指在需要加固的既有建筑外部增加構(gòu)件，形成外套加固結(jié)構(gòu)。增加構(gòu)件可以是墻、柱、梁或支撐等，用于分擔(dān)結(jié)構(gòu)所受地震作用力進(jìn)而達(dá)到減小既有結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的加固目標(biāo)，也可以是不同類別的阻尼器，用以吸收地震能量，減少對既有結(jié)構(gòu)的損害。外套加固技術(shù)種類很多，從加固結(jié)構(gòu)是否與既有結(jié)構(gòu)共同受力來劃分，可以分為分離式方案和整體式方案，具體分類見表1。

表1 外套加固技術(shù)的分類[1-3]

2 外套加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

2.1 砌體結(jié)構(gòu)外套加固的抗震性能

地震對房屋建筑造成的嚴(yán)重破壞已經(jīng)引起社會的極大關(guān)注，經(jīng)過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，破壞嚴(yán)重的多是砌體結(jié)構(gòu)，如何加固既有砌體結(jié)構(gòu)，提高其抗震能力成為研究熱點(diǎn)。

1)王曙光等人[4]針對老舊砌體房屋抗震加固問題，提出了采用頂層增設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土墻板和隔震支座進(jìn)行加固的方案，建立了比例為1/4的初始砌體結(jié)構(gòu)和不同加固方法加固后的結(jié)構(gòu)縮尺模型。通過有限元模擬仿真和振動臺實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)在多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和非線性損傷，并得出結(jié)論：經(jīng)外套加固后結(jié)構(gòu)的自振周期變長，阻尼比得到提高，抗震性能增強(qiáng)。

2)萬金國等人[5]以北京市朝陽區(qū)農(nóng)光17號砌體結(jié)構(gòu)住宅樓的加固為工程背景，采用在建筑外側(cè)縱墻和橫墻增設(shè)鋼筋混凝土板墻及在建筑外側(cè)樓層標(biāo)高處設(shè)置預(yù)制鋼筋混凝土板的加固方法。使用FECIS軟件進(jìn)行整體計(jì)算，模擬出加固時外套結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算和加固后原結(jié)構(gòu)內(nèi)墻抗剪和抗壓承載力的驗(yàn)算，同時使用有限元計(jì)算軟件PLAXIS 3D Foundation進(jìn)行沉降分析，結(jié)果顯示滿足新老結(jié)構(gòu)的沉降差異。

2.2 框架結(jié)構(gòu)外套加固的抗震性能

現(xiàn)階段，框架結(jié)構(gòu)在所有已建結(jié)構(gòu)體系中占大多數(shù)，在震損地區(qū)成為加固的主要對象。使用哪些外套加固技術(shù)加固框架結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)或提高原有抗震能力成為研究者關(guān)注的問題。

1)郭子雄等人[6]以4層中小學(xué)教學(xué)樓框架結(jié)構(gòu)為原型，采用外加剪力墻的方法，通過使用有限元軟件SAP2000建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行小震作用下結(jié)構(gòu)整體性能分析。分析結(jié)果顯示，由于剪力墻有較大抗側(cè)剛度，可以分配較大的地震力，降低了既有框架結(jié)構(gòu)的地震力，從而起到了加固的作用。同時，對加固前后位移角對比后發(fā)現(xiàn)，剪力墻的加設(shè)使結(jié)構(gòu)各層的變形趨于均勻化，減小了樓層變形集中，能夠控制結(jié)構(gòu)變形模式，為研究剪力墻對地震時結(jié)構(gòu)彈塑性變化的影響奠定了基礎(chǔ)。

2)張鵬程等人[7]以廈門市一所框架結(jié)構(gòu)中學(xué)教學(xué)樓為研究對象，分別采用橫向增設(shè)X字形支撐，縱向增設(shè)人字形支撐和增設(shè)翼墻兩種加固方案，使用PKPM系列軟件中的SATWE進(jìn)行模擬驗(yàn)算。加固后原結(jié)構(gòu)梁柱配筋滿足要求，增設(shè)的支撐使前三階周期大幅縮短，對結(jié)構(gòu)變形有明顯的控制作用，各層層間位移都減小，且頂部位移減少了60%。通過Pushover分析可以發(fā)現(xiàn)，支撐加固后的結(jié)構(gòu)剛度增大明顯，塑性鉸出現(xiàn)延遲，抗震能力得到明顯提高。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)外套加固的抗震性能

地震后做過的許多調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受損最輕的結(jié)構(gòu)體系是剪力墻結(jié)構(gòu)，但在智利8.8級地震后，剪力墻結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較大的損傷，需要維修加固。使用外套技術(shù)加固剪力墻結(jié)構(gòu)成為了研究者一個新的熱點(diǎn)問題。

許國山等人[8]以北京前三門地區(qū)一幢20世紀(jì)70年代建成的14層剪力墻結(jié)構(gòu)為研究原型，制作縮尺比例為1/6的模型，采取外套加固措施，在原建筑縱向外側(cè)增加約束結(jié)構(gòu)，在頂部增設(shè)兩層鋼框架結(jié)構(gòu)，并在新舊結(jié)構(gòu)間設(shè)置橡膠鉛芯隔震支座。對加固前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，選取EL Centro波、Taft波及人工波作為輸入地震波，選取加速度、位移、混凝土應(yīng)變等參量進(jìn)行測定。結(jié)果表明，增層隔震加固后的結(jié)構(gòu)剛度增大，二階周期變長，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)變小，原結(jié)構(gòu)和外加結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，整體結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震下未發(fā)生破壞。

3 存在問題

1)在砌體結(jié)構(gòu)改造過程中，容易出現(xiàn)由新增結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的地基不均勻沉降，繼而引發(fā)原砌體墻的開裂，現(xiàn)在多采用有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，缺乏更可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐分析計(jì)算。

2)整體式加固方案中多采用短梁連接新舊結(jié)構(gòu),這種通過短梁連接的方法存在縱向抗側(cè)剛度較弱、易扭轉(zhuǎn)、剛度突變等問題,在地震時屬于薄弱部分，早先破壞，加固結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)分離，加固結(jié)構(gòu)就失去了減輕既有結(jié)構(gòu)地震作用的保護(hù)功能。

3)實(shí)際工程加固質(zhì)量參差不齊，外套式加固后的結(jié)構(gòu)抗震水平不能得到確保，為指導(dǎo)外套加固工程設(shè)計(jì)和施工，北京出臺了指導(dǎo)性文件，并通過了專家評審，但全國還缺少權(quán)威的規(guī)范準(zhǔn)則。

4 建議與研究趨勢

1)新舊結(jié)構(gòu)的連接是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)的基礎(chǔ)。加固設(shè)計(jì)時，不僅要確保整體的抗震性能，也要保證研究新舊結(jié)構(gòu)連接的可靠性，如采用鋼拉桿、長錨桿或圈梁。連接問題可以借鑒節(jié)點(diǎn)研究的思路和方法來解決，模型和計(jì)算方法可以在節(jié)點(diǎn)研究的成果上加以修改套用，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后推廣應(yīng)用。

2)目前外套加固技術(shù)仍需解決兩方面的問題：一方面是數(shù)值分析技術(shù)的精確性和計(jì)算效率，能夠?qū)π屡f結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的數(shù)值分析部分實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的模擬分析，另一方面是試驗(yàn)加載設(shè)備的大型化、復(fù)雜化，確保大尺寸模型及復(fù)雜邊界加載條件的實(shí)現(xiàn)。

3)當(dāng)震損建筑破壞程度較大時，只采取外套加固顯然會造成新舊結(jié)構(gòu)的抗震性能差異過大，會導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)先發(fā)生倒塌。此時，需要綜合采用加固構(gòu)件和外套結(jié)構(gòu)兩種方法，實(shí)現(xiàn)加固方案最優(yōu)化。

[1] 張 鑫，李安起，趙考重.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固改造技術(shù)的發(fā)展[J].工程力學(xué)，2011,28(1):1-18.

[2] 于敬海，韓寧寧.外套增層結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造,2010,32(1):25-29.

[3] 曲 哲，張令心.日本鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地震工程與工程振動,2013,33(4):61-74.

[4] 王曙光，苗啟松，劉金龍.砌體結(jié)構(gòu)外套預(yù)制鋼筋混凝土墻板加固及隔震加層振動臺試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012,33(11):99-106.

[5] 萬金國，陳 晗，李文峰.砌體結(jié)構(gòu)外套加固設(shè)計(jì)方法及試點(diǎn)工程[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2013,43(18):92-95.

[6] 王 偉，郭子雄，林樹枝.采用剪力墻體外加固中小學(xué)校框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].土木工程與管理學(xué)報,2011,28(3):60-64.

[7] 張鵬程，袁興仁.框架結(jié)構(gòu)增設(shè)支撐與翼墻抗震加固方案對比[J].土木工程學(xué)報，2010,43(sup)：442-446.

[8] 許國山，林 琦，苗啟松.既有結(jié)構(gòu)外套增層隔震加固振動臺試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報，2014,47(3):19-25.

Outer of existing structures to reinforce the development of technology and seismic research review

An Yuchen Jia Jie*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

The paper introduces the concept and types of the outer consolidation technique in existing structures, analyzes the seismic performance of the outer structure after the consolidation from the masonry structure, framework structure, and shearing walls, and points out some improvement suggestions of the outer consolidation technique and its development according to its problems.

outer consolidation technique, masonry structure, framework structure, shearing wall structure, seismic performance

1009-6825(2016)18-0040-02

2016-04-17

安宇塵(1995- )，女，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU318

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