建筑結構抗震加固方法的應用

文／高興增、劉思印 山東華科規劃建筑設計有限公司 山東聊城 252000

引言：

我國地處世界上兩個最活躍的地震帶，東臨環太平洋地震帶，西及西南為阿爾卑斯-喜馬拉雅地震帶，是世界上地震多發的國家之一。據地震史記載，中國所有省份都發生過5 級以上地震。除了浙江和貴州兩省以外，其他省份均發生了6-6 級地震。如果建筑結構不考慮抗震設計或不重視抗震設計，將給人民群眾的生命健康和財產損失帶來災難性的后果。與此同時，由于人類的生產和地殼的移動，導致了我國中小規模的地震增多，造成的破壞也越來越大。為了確保建筑物的結構安全，防止其在地震中快速倒塌，就需要進行建筑物的抗震設計，以確保其自身的抗震能力。在進行結構抗震分析時，應從多個角度出發，從整體抗震性能、單元之間的銜接等角度，從復雜的角度出發，按照相關的規范和規范，從復雜走向簡化，實現合理的結構；從而使建筑體系在地震作用下達到更好的防震作用，從而保障人們的生命財產安全。

1、地震災害的主要特點

地震是一種較為常見且破壞力強的自然災害，其往往會造成一定的人員傷亡與財產損失，部分情況下還會引起其他災害性事故。其主要具有以下特點：（1）突發強烈的地震常常無法準確預報，僅憑現有的技術方法，僅在發生地震發生之前的數十秒內進行檢測，很難對其進行有效的防范。從古代起，人類就一直害怕地震，為了預測地震，減少損失，先輩們曾經做過很多次的地震預測，但是因為地震的時間太短，所以很難準確預測地震的結果。由于缺乏有效的控制手段，所以只有加強房屋的結構形式，才能降低經濟的損害，并為人民提供良好的居住環境。（2）具有強烈的破壞性，是地震的一個重要特征，一般以地表破壞和建筑物破壞為特征。就目前情況來看，建筑物抗震等級，是根據破壞程度劃分的，主要有基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞以及倒塌五個等級，抗震設防要求為小震不壞、大震不倒、中震可修，要求建筑施工必須達到。（3）社會影響深遠。大型的地震造成了巨大的生命危險，造成了巨大的經濟損失，當地的基礎設施很難在短期內得到修復。例如2008 汶川大地震后，經過數年的努力，當地的重建工作終于得以完工。

2、基于抗震性能的加固設計方法

2.1 抗震性能設計概述

建筑結構的抗震能力是指建筑物在地震中的承載能力、變形能力和耗能能力、剛性與破壞形式的改變與發展。具有大延性的建筑具有較強的抗震性能，由于其較高的塑性使得其具有較大的變形能力，塑性區的發育可以有效消散地震能，進而削弱其地震響應。其結構的抗震設計應遵循“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”的原則。因此，在地震作用下，如何改善建筑物的抗震性能，可以通過改善其結構的受震和受力。為了達到抗震設計的目的，對新建建筑物進行多次地震的驗算，以確保其在多次地震作用下的受震能力，并采取了相應的抗震措施來確保其延性。

2.2 抗震加固設計方法

（1）地震動水準的確定。對于后續使用年限為50年的結構，選擇現行抗震規范的多震、加防、罕遇地震。對于目標使用年限小于50 年的結構，地震作用可以相應減小；（2）選擇合適的加固方案。為了降低原有結構構件的配筋必須降低其地震作用，可采用增加新的側向力構件如剪力墻或支座來分擔地震作用，通過設置阻尼來降低整個建筑結構的地震作用。另外，我們還可以利用房屋裝修的機會，通過將原有的磚瓦隔斷墻改為輕鋼龍骨石膏板等類似的輕質隔斷墻，減少建筑屋面面層的厚度，采用輕質裝飾材料減輕結構重量，還可以達到減震效果的目的；（3）選擇性能設計指標。分別對加固結構的彈性和罕遇地震的動力彈塑性進行了分析。要求整體地震變形試驗和抗震承載力試驗（不含抗震措施）滿足現行規范要求;罕遇地震作用下的彈塑性變形應滿足預期性能目標要求，具體如表1 所示。

表1 預期性能目標

3、抗震加固方法在建筑結構中的有效應用

在經歷了多次的震害之后，人們越來越認識到抗震設計的重要意義，并建議“概念設計”，而“概念設計”則可以從某種意義上影響到建筑物的抗震性能。它的目標在于使建筑的構造形態得到更好的選擇，使其更符合“大震不倒”的需要。鑒于建筑物的構造形態多種多樣，下面就以砌體結構為例說明抗震加固方法在地震中的應用。為了改善建筑的抗震性能，對現有的老式砌體結構房進行加固，是改善住宅整體抗震性能的關鍵。目前，關于砌塊結構房屋的地震防震技術已有較多的探討，其方法有：直接法與間接法。直接法是加大構件的橫斷面以達到增強作用，而間接方法則是將共同作用的構件加入到墻體中。目前我國常用的加固方法主要有以下幾種：

3.1 砂漿面層或板墻加固法

在對原有的砌體塊進行表面加工后，再噴涂水泥漿料或現澆板（見圖1a），使其截面積增大，并增加配筋，從而可以有效地改善其承載能力和剛性。該方法施工簡單，適應性強，是目前廣泛采用的砌塊結構補強方法，具有較為完善的施工技術和施工技術。但是施工周期較大，占用了建筑的空間，增大了建筑的重量。

3.2 外加圈梁、構造柱加固法

不需要改變原有的結構，只在外側增加環梁，在連接部位加一根構造柱子，構成了橫梁-柱構架式外貼體系（圖1b）。具有施工簡單，工期短等特點。

3.3 外包鋼加固法

一般采用高密度的水泥砂漿將角鋼固定在受加強部件的表層，并采用焊接方法進行焊接。用橫式的綴片或夾子進行聯結，從而構成一個受力體（如圖1C）。該方法的優勢在于基本不增大構件的橫斷面，可以顯著地提高承載力，而且可以迅速地進行工程建設，但是使用的鋼筋數量很多，成本也很高，且鋼材耐蝕性也很低。

圖1 砌體結構加固方法

3.4 砌體托換加固法

該方法僅需要將原有的結構進行局部破壞，再以新的磚塊取代即可（見1d）。這種方法不會對改建過程中其它構件的正常運用造成一定的干擾，但是會對承重路徑和原來的房屋的受力狀況產生一定的變化，而且這種方法比較繁瑣，對工程的要求也比較高。

3.5 修補、灌漿加固法

對于已經出現裂縫的墻，可以通過機械力的擠壓，將膠粘劑或環氧樹脂等注入到要修補的裂縫中，并在其固化后達到修補裂縫、提高承載力的目的。當出現灰泥質量較差時，可將原有的砂漿塊逐級開挖，并進行全壁注漿。

3.6 FRP 加固技術

纖維強化復合材料（FRP）是將纖維與基質材料按照一定的比例進行攪拌而制成的復合材料。FRP 的補強法主要有兩類：外貼法和嵌入式。嵌入式是在原有零件的表面上開一個凹槽，清洗凹槽，再將環氧等膠質物質灌注到凹槽中，再將FRP 筋和FRP 板插入凹槽中，經過膠態強化處理，可以提高結構的受力特性。

上述幾種墻體結構的地震加固技術已得到了較多的實踐證明，能夠達到基礎的加固要求。其不足是要求大型機械作業，施工周期長，部分項目成本高，會對住宅的使用面積、用途等產生一定的負面效應。FRP 技術是一種新興的結構形式，它比常規的結構形式更具重量、強度、耐腐蝕性和可設計性。外貼式補強是將FRP 布材用環氧等膠態物質粘結在建筑物外表面，利用FRP 與結構的協同效應，增強結構的受力，達到增強效果。FRP 光纖與裂縫垂直的夾角愈大，則其發展及擴展的能力愈大。此外，受多次地震載荷的影響，其剪切方向也會有所改變，FRP膠片應能有效抑制兩種方向的開裂。在實際應用中，一般采用橫向、對角、X 型和混合等方法。

4、建筑結構抗震加固方法的應用實例

4.1 工程概況

某中學體育館是一座單跨框架結構，占地660m2，呈矩形，東西兩邊寬度19m，南北長度32m，高8.1m。體育場地基是以單層鋼筋砼地基為基礎，地基底面標高為-1.95m，地基下表面尺寸為2200mm×3600mm、2800mm×4200mm、3800mm×3000mm、4600mm×3000mm。該體育場采用了一種以6300mmX4000mm、6400mmX4000mm 的鋼筋砼單梁框架結構，其主體立柱的橫斷面為400mm×600mm；房屋的樓板是用120mm厚的鋼筋砼預制中空板。

4.2 抗震鑒定

在既有建筑房屋抗震加固之前，必須根據抗震設防等級、抗震等級、后續使用年限、構造型式等因素，進行抗震鑒定，以作為今后抗震加固的參考。本項目按七度設防、乙級抗震設防、后續使用年限30 年（A 類）等標準進行抗震評估，其主要結論為，實地勘察和鑒定表明：（1）場地布置、層高、軸線尺寸；部件的橫斷面等均符合最初的設計規范。（2）根據原有的試驗數據和試驗數據進行了驗證和計算，證明體育館的梁、柱、基礎均達到了極限承載力的標準；運動中心與運動中心的中心和中心點是一致的；最大層間的位移角度達到標準中1/550 的極限；最大層之間的最大位移和平均層間的變形率符合設計的規定；最大圓柱軸壓比達到了0.24，達到了技術指標的規定。（3）經現場檢查，發現體育場梁柱端箍筋的間隔不符合設計規范；灌漿墻體與鄰近的鋼筋砼結構沒有受拉結。（4）體育場為B 級結構，結構為一跨結構，結構受地震影響，不能滿足GB50023-2009 《建筑抗震鑒定標準》中第6.2.1 條第2 款的要求。

4.3 抗震加固設計

4.3.1 抗震加固方法比選

由于受側向剛性較低、能量消耗較低、缺少多余的限制，在地震中容易引起結構的持續損壞和坍塌。以往的國內外地震表明，單梁框架結構是一個非常具有破壞性的抗震系統。故在我國《建筑抗震鑒定標準》中第6.2.1 條第2 款的要求下，該框架不能采用單一框架；B 級建筑不能采用單一的框架式建筑。本項目的主體結構是一種單層框架式的，不能適應現行的地震設防標準，存在著一定的安全風險，必須對其進行有效的防震和加固。通過對框架結構抗震設計的研究，提出了增加框架柱、增設抗震墻、增設型鋼支架、增加消能減振支架等措施。

（1）增設框架柱

針對單跨框架結構的住宅，可以在不損害其正常的使用性能的情況下，增加一根框架柱子，并將其轉換成兩跨或多跨的框架。該方案具有明顯改善住宅建筑的橫向抗側力和地震特性。但其不足之處在于，新建的框柱會增加地基，且需要增加相應的補強；另外，增加的框柱會對其正常的應用產生一定的干擾。根據本項目的具體狀況，新建的框架柱將嚴重地改變場館的結構功能。這種加固措施在該例應用中并不合適。

（2）增設抗震墻

對于單層框架結構，可以采取在合適的地點設置加強后的鋼筋砼防震墻體，將原有的單梁框架結構改為框-剪，提高結構的安全性，提高住宅的整體地震能力。該方案能夠有效地克服傳統的單一結構體系結構的抗震性能缺陷，并將其布置在邊角部位，對結構的使用性能沒有明顯的影響。

（3）增設型鋼支撐

為改善住宅的單跨梁水平荷載，可以采取附加型鋼柱的形式進行抗震處理。該加固方式具有自重輕、工期短、對原有構件無明顯影響的特點；其不利之處在于對工程的使用性能有一定的影響，后期需要進行經常性的維修，并且不適合大跨的框架。根據本項目的具體條件，在單跨處增設了一種新型的鋼架，這將會嚴重地改變場館的結構和使用性能。這種加固措施在實際應用中并不合適。

（4）增設耗能減震支撐

在單層框架結構住宅中，可以采取附加彈性約束支撐、粘滯阻尼支撐等耗能的減振部件。該加固方式類似于增加型鋼支架，不同之處在于采用了消能式減振支架，可以有效降低結構的地震響應，提高結構的抗震能力。然而，這種加固方式對場館的施工性能也有很大的影響，因此并不適合于此項施工。

最后，結合項目的具體狀況和結構的地震評估結果，經過全面的分析和研究，確定增加防震墻體的方案，該方法可以有效地克服單一結構體系的地震承載力。

4.3.2 抗震加固方案

本項目的抗震加固方案是：增加一層鋼筋砼防震墻體，將原有的單跨框架結構改為框-剪力；鋼結構的立柱和梁末端用碳纖維加強，并可有效地消除兩端的鋼筋。填充墻和框架柱間增設拉結筋，以提高房屋的整體性。

（1）增設抗震墻

為了克服原有的單梁框架式，不能達到現行的規范，采用了增加抗震墻的方式進行了加固。經過全面的分析，為了改善原有的結構體系，在體育場四角部位增加了一層鋼筋砼防震墻，將原有的一層框架結構改為一層框-剪力墻。對新建的防震墻體采用了結構上的加固方法，使得墻體與原有的框架梁柱能夠牢固地結合在一起，從而確保墻體的整體受力。

（2）碳纖維加固

經結構分析，梁柱端箍筋的間隔不符合設計規范。在原有鋼筋混凝土框架柱和框架梁的末端，采用粘貼碳纖維布的方法進行抗震結構加固處理，以提高原有結構構件的抗震性能。

（3）填充墻加固

經地震評估，其填充墻體與鄰近的混凝土框架柱間不存在拉結鋼筋。經過全面的研究，在原填充墻的兩側，采用墻面剮槽嵌入法，增設拉結筋。通過將其與原有的鋼筋砼框架柱間進行聯接，使其與原有的承載力保持一致，提高整體性能，降低了墻體與柱間接合部裂縫的危險。

4.4 抗震驗算

該體育館在采取上述抗震加固措施之后，在新結構體系下，計算結果如下：（1）混凝土框架梁、框架柱配筋滿足規范要求；（2）混凝土框架柱軸壓比滿足規范要求（柱最大軸壓比為0.24）；（3）結構振動周期滿足規范要求；（4）在地震作用和風荷載作用下，層間位移滿足規范要求。

結語：

綜上所述，對于地震多發國而言，必須對建筑的抗震設計與加固進行有效的處理，在確定了建筑的構造形態基礎上，對其進行科學的抗震設計。如此，就可以將地震帶來的影響降到最低。文章通過對某中學體育館結構進行的地震補強計算，說明了在結構的抗震加固中，應遵循安全、經濟、合理的原則，充分保障了房屋的正常使用性能，采用最經濟、最少的方式進行加固，以保證原有未進行地震設防的房屋符合現行地震評估規范的規定，該工程不僅解決了建筑物的安全性問題，而且使其整體的地震反應能力得到了顯著的改善。同時，對其進行了實際應用和分析，對同類項目具有一定的借鑒意義。