既有建筑外加子結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與工程應(yīng)用

尹保江

既有建筑的現(xiàn)狀及傳統(tǒng)抗震加固方法存在的問題

歷次震害表明，建筑的損傷破壞是造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因，而既有建筑的抗震加固是減輕災(zāi)害損失的有效手段。新中國成立后建成的建筑陸續(xù)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)使用年限50年，且原有建筑未抗震設(shè)防或抗震設(shè)防水平較低，需要進(jìn)行抗震加固；2008年“5·12”汶川地震后，醫(yī)院和中小學(xué)校等建筑的抗震設(shè)防類別提高；新一代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》頒布后，不少地區(qū)的抗震設(shè)防參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。這些因素都造成了我國數(shù)量巨大的既有建筑需要進(jìn)行抗震加固。

中小學(xué)因其特殊性，可以利用寒暑假時(shí)間完成抗震加固工作；而醫(yī)院等公共建筑作為公共服務(wù)的載體，其使用功能不允許中斷，決策者無法面對停業(yè)造成的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，使得加固進(jìn)程受阻。

另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的抗震加固方法雖然能有效地減輕地震災(zāi)害，但是存在著周轉(zhuǎn)安置、建筑功能中斷、內(nèi)部裝修和貴重設(shè)備保護(hù)及再安裝、環(huán)境污染、投資大、濕作業(yè)多、工期長等問題，即使采取隔震加固方案，也存在著建筑構(gòu)造措施和設(shè)備連接改造（包括基礎(chǔ)隔震層土方開挖和樓電梯、上下水等設(shè)備管線改造）、影響使用的問題，因此既有建筑的抗震加固與施工期間的使用功能延續(xù)存在較大的矛盾。

公共建筑外加子結(jié)構(gòu)抗震加固方法的提出

鑒于傳統(tǒng)抗震加固方法拆改工作量大、造價(jià)高、周期長、建筑使用功能中斷等局限性，基于建筑承受的水平地震作用按不同抗側(cè)力構(gòu)件剛度分配的原則，分析國內(nèi)外抗震加固的現(xiàn)狀，提出在公共建筑外部附加剛度較大的子結(jié)構(gòu)，通過可靠的措施，使子結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連成整體，與主體結(jié)構(gòu)共同抵抗地震作用。

這種加固方法的工作原理是地震來臨時(shí)，剛度較大的子結(jié)構(gòu)作為第一道抗震防線，分擔(dān)大部分的地震作用，同時(shí)由于外加子結(jié)構(gòu)不承擔(dān)結(jié)構(gòu)豎向荷載，因而地震時(shí)允許發(fā)生較大的損傷，地震后可進(jìn)行快速更換； 而主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向荷載和部分地震作用，在保證受力和變形符合規(guī)范要求的情況下，抗震加固的工作量大幅度減少，甚至可以不加固。這樣就避免了建筑內(nèi)外裝修和設(shè)備設(shè)施的拆改與恢復(fù)，大大縮短工期，降低工程造價(jià)，減少建筑垃圾的產(chǎn)生和環(huán)境的污染，是一種低成本、低影響、綠色、環(huán)保的抗震加固技術(shù)。同時(shí)，結(jié)合既有建筑的現(xiàn)狀分析，合理地設(shè)置外加子結(jié)構(gòu)，可以減少既有建筑的上下層剛度突變、平面扭轉(zhuǎn)等不利影響，是一種綜合效益顯著的改變結(jié)構(gòu)體系的抗震加固新技術(shù)。外加子結(jié)構(gòu)種類較多，包括搖擺墻、外加鋼支撐、格構(gòu)墻等。本文選取施工快捷高效并易于震后更換的外加帶框鋼支撐（圖1）進(jìn)行介紹。

公共建筑外加子結(jié)構(gòu)抗震加固方法的試驗(yàn)研究與理論分析

（一）模型設(shè)計(jì)

基于上述原理分析，按照74版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)了一棟五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（平面如圖2所示），選取框架柱截面變化的上下相鄰兩層中的框架為研究對象，按照1:2比例制作3榀框架模型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，箍筋間距為200mm，梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)未設(shè)置箍筋，以模擬老舊框架柱箍筋間距較大的情況；加固使用的鋼框梁柱和支撐為HW150×150×7×10型鋼，鋼梁、鋼柱與支撐之間均采用剖口焊接連接，焊縫等級(jí)為二級(jí)，型鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為Q345，并在斜撐中部腹板和翼緣處以切割的方式進(jìn)行局部削弱。

圖1 外加子結(jié)構(gòu)加固示例

圖2 原型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃槿N，用于模擬地震加載試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，其中，模型一為未進(jìn)行任何加固的鋼筋混凝土框架對比模型；模型二和模型三是對模型一的鋼筋混凝土框架附加了帶框鋼支撐子結(jié)構(gòu)的加固模型，二者的區(qū)別在于附加鋼框架與混凝土框架的連接方式不同。模型二外加子結(jié)構(gòu)的梁、柱與鋼筋混凝土框架梁、柱之間均采用一定間距的栓釘錨固并澆筑混凝土的強(qiáng)連接模式，而模型三采用弱連接模式，即外加鋼框梁與原有鋼筋混凝土梁之間僅采用高強(qiáng)螺栓連接，且外框柱僅在底部與鋼筋混凝土基礎(chǔ)有連接（模型如圖3、圖4所示）。

（二）模型的試驗(yàn)研究與理論分析

試驗(yàn)在中國建筑科學(xué)研究院大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成。

理論分析采用ANSYS10對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬分析。

1.模型一試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析

通過模擬地震作用的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵蛔罱K破壞形態(tài)如圖5（a）所示，破壞形式為框架一層梁柱節(jié)點(diǎn)剪切破壞，從損傷分布上來看，裂縫主要集中在一層，二層裂縫較少；梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域與框架柱裂縫較多，框架梁裂縫較少，這是由于框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域未設(shè)置箍筋，導(dǎo)致該部位發(fā)生塑性損傷集中。

有限元模擬分析的應(yīng)力圖如圖5（b）所示，與模型試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。

2.模型二試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析

模型二最終破壞形態(tài)如圖6（a）所示，與模型一相比，模型二的破壞不再集中于一層梁柱節(jié)點(diǎn)，而是集中在框架柱底部，這是由于外加帶框鋼支撐剛度較大，限制了框架的層間變形，弱化了原有構(gòu)造缺陷的不利影響；而框架柱根部集中損傷，主要是因?yàn)殇撝挝盏牡卣鹱饔幂^大，大震時(shí)鋼支撐底部錨栓發(fā)生黏結(jié)滑移，導(dǎo)致鋼支撐逐步退出工作，相連的框架柱內(nèi)力增大，并發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)破壞。

有限元模擬分析的應(yīng)力圖如圖6（b）所示，與模型試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。

3.模型三試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析

圖3 模型一

圖4 模型二

圖5 模型一試驗(yàn)損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

圖6 模型二試驗(yàn)損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

模型三最終破壞形態(tài)如圖7（a）所示，與上述模型相比，模型三的破壞分布相對均勻，一方面是由于外加帶框鋼支撐剛度較大，弱化了原有構(gòu)造缺陷的不利影響；另一方面是針對模型二的損傷情況，對構(gòu)造措施進(jìn)行了改進(jìn)，將兩根斜撐之間留有適當(dāng)間距，其中的梁段作為耗能梁段，從而減輕了支撐底部錨栓的粘結(jié)失效，保證鋼支撐能持續(xù)發(fā)揮作用。

有限元模擬分析的應(yīng)力圖如圖7（b）所示，與模型試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。

4.模型加固前后的對比分析

三個(gè)模型的力-變形曲線如圖8所示。通過對比試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果可得出如下結(jié)論：

1）強(qiáng)連接加固模型二和弱連接加固模型三抗震承載力提高系數(shù)分別為3.62倍和2.66倍，耗能能力提高一倍，損傷分布更加均勻，證明了這兩種外加子結(jié)構(gòu)加固方式的可靠性和有效性。

2）強(qiáng)弱兩種連接構(gòu)造方法均能很好地保證原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間可靠連接，實(shí)現(xiàn)二者在地震作用下的協(xié)同工作。盡管弱連接模式承載力提高幅度略低于強(qiáng)連接模式，但其加固模型承載力衰減緩慢，延性非常好，主體結(jié)構(gòu)損傷較小，且施工快捷，更適于醫(yī)院等公共建筑的抗震加固。

3）對于既有老舊框架結(jié)構(gòu)中梁端柱端和節(jié)點(diǎn)箍筋間距較大的情況，外部附加帶框鋼支撐提高了結(jié)構(gòu)的剛度，限制了層間位移，減少了節(jié)點(diǎn)集中損傷情況，因此可以不必按照構(gòu)造措施要求逐個(gè)加固梁柱節(jié)點(diǎn)，大大減少了加固工作量，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，從而保證了外部加固方法的可行性。

4）有限元模擬分析時(shí)，假定鋼支撐底部為固定端，但由于鋼支撐剛度較大，鋼支撐基礎(chǔ)錨固部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水平加載較大階段基礎(chǔ)梁出現(xiàn)反拱、開裂情況和支撐底部錨固鋼筋發(fā)生滑移、基礎(chǔ)混凝土壓碎，因此后續(xù)工作應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)連接和基礎(chǔ)錨固的研究。

工程應(yīng)用

該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于北京中醫(yī)醫(yī)院師承樓、北京市西城區(qū)殘疾人職業(yè)康復(fù)中心和中國駐新西蘭大使館等工程的抗震加固中，本文以北京中醫(yī)醫(yī)院師承樓抗震加固工程為例，介紹外加子結(jié)構(gòu)在抗震加固工程中的應(yīng)用。

圖7 模型三試驗(yàn)損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

圖8 三個(gè)模型骨架曲線對比

（一）工程概況

該工程最初為地上二層、地下一層的磚混結(jié)構(gòu)。曾經(jīng)過改造，作為餐廳使用，原有地上磚混結(jié)構(gòu)拆除后改為二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱延伸至基礎(chǔ)；在屋頂增加一層鋼框架結(jié)構(gòu)，并向西擴(kuò)建二層鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)，擴(kuò)建部分基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，平面擴(kuò)建部分與原有結(jié)構(gòu)之間設(shè)有變形縫。各層平面如圖9所示。

圖9 一、二層結(jié)構(gòu)平面圖

圖10 示范應(yīng)用—北京中醫(yī)醫(yī)院師承樓

根據(jù)使用功能需要，該建筑擬改造為醫(yī)院專家門診樓使用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）規(guī)定，醫(yī)院建筑的抗震類別為重點(diǎn)設(shè)防類，因此出現(xiàn)了因使用功能改變導(dǎo)致的抗震設(shè)防類別提高的問題。同時(shí)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010（2016年版）將工程所在地的地震分組調(diào)整為第二組，場地特征周期延長。按照有關(guān)規(guī)定，該建筑在改造設(shè)計(jì)前需要進(jìn)行抗震鑒定。

（二）存在的問題

通過對該建筑的檢測、鑒定，發(fā)現(xiàn)該建筑主要存在如下問題：

1.由于本工程一、二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，三層為鋼框架，上下層之間存在剛度突變，且阻尼比有差異，屬于超規(guī)范建筑。

2.變形縫西側(cè)部分（圖9中4-5軸）為單跨框架，抗震規(guī)范嚴(yán)禁用于重點(diǎn)設(shè)防類建筑。

3.為了減少鑒定工作量，并使鑒定工作與加固改造設(shè)計(jì)銜接，因此結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算按照三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行，同時(shí)西段的單跨框架結(jié)構(gòu)按照東西段連成整體考慮。通過計(jì)算，樓層側(cè)向剛度較小，層間位移角最大為1/468，超過規(guī)范限值1/550。

4.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，且部分框架梁柱承載力不滿足要求。

（三）加固方案

1.首先解決結(jié)構(gòu)體系混亂的問題。將三層鋼框架柱改為型鋼混凝土柱，并將單跨框架部分與相鄰結(jié)構(gòu)連接成整體，以解決單跨框架問題及其與相鄰結(jié)構(gòu)碰撞的問題。

2.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，在建筑周邊設(shè)置三道帶框鋼支撐，結(jié)合樓電梯間的加固（設(shè)置剪力墻），解決層間變形過大、結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)、框架承載力不足和樓梯對主體結(jié)構(gòu)不利影響等問題，主體結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求。加固后結(jié)構(gòu)平面和立面見圖10。

外加子結(jié)構(gòu)抗震加固方法具有不影響建筑功能使用、無須內(nèi)部周轉(zhuǎn)安置以及無須破壞內(nèi)部裝飾等優(yōu)勢，縮短了周期，節(jié)約了成本，并且施工工藝簡單，受到業(yè)主與施工單位好評(píng)。

結(jié)論

理論研究和實(shí)踐結(jié)果表明，采用外加帶框鋼支撐加固既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高框架結(jié)構(gòu)的抗震承載力和剛度，改善結(jié)構(gòu)的變形能力，而且外部附加鋼支撐不承擔(dān)豎向荷載，自重較輕，基礎(chǔ)加固工作量較小；施工連接方便，相對于傳統(tǒng)抗震加固方式，綜合效益明顯，該技術(shù)應(yīng)用于既有公共建筑抗震加固的前景非常廣闊。