既有建筑抗震加固方法的研究与应用现状.doc

既有建筑抗震加固方法的研究与应用现状唐曹明研究员,现任中国建筑科学研究院建研科技股份公司建筑设计院结构总工程师,从事建筑结构抗震防灾研究及工程设计工作,负责和参加过全国政协礼堂加固改造工程（1.7万平方米）、北京东方银座地下部分结构加固方案技术可行性、山西省政府高层住宅楼佳泰花园抗震技术和国家博物馆加固改造工程（19万平方米）等重大工程的设计和咨询。系建筑抗震设计规范修编、非结构构件抗震设计标准、配筋和约束砌体结构抗震技术规程及建筑震后评估、修复和加固技术规程参编人员。地震具有巨大破坏力，能在瞬间使大量建筑物破坏或倒塌，并引发各种次生灾害，造成人员伤亡，带来破坏与恐慌，是迄今人类尚难以抗御的自然灾害。我国地处全球两个最活跃的地震带，是地震多发国家之一。由于地震发生的具体时间、地域和震级大小均很难预测，正如陈肇元院士所说，为了尽量减轻地震造成的损失，目前能够采取的最现实和有效的措施，只能是通过设计和施工，使建筑物与各种重要基础设施具有足够的抗震能力。当前我国既有建筑面积超过400亿平方米，其中很大部分建成于上世纪五六十年代，已分别进入了“老年”和“中年”期。限于当时的经济、技术条件，设计标准偏低，绝大多数既有建筑存在着抗灾能力弱、运行能耗高、使用功能差等问题。如何避免风灾、地震等自然灾害对这些建筑造成的破坏甚至威胁人民的生命财产安全？如果将存在问题的既有建筑全部拆除会产生大量建筑垃圾，一拆一建既不经济，又对环境造成污染，也不符合我国政府的可持续发展战略。解决问题的最佳途径是对其进行合理改造和加固，在仅增加少量投资的前提下，提高既有建筑物的综合抗灾能力，防止强震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空间，或不至于很快倒塌以提供足够的逃生时间。如遭遇不可预见的特大地震，将倒塌的房屋数量和生命财产损失降到最低，将被动救灾的费用降到最少。我国抗震加固工作发展历程不论是新建工程的抗震设防，还是既有工程的抗震加固，震害调查与研究一直是工程抗震理论的基础，也是工程抗震措施成功与否的检验标准。1966年在河北省邢台地震的震害调查中，一些民房采取了简单加固方法却大大减轻了震害，从而打开了专业人员通过抗震加固提高既有房屋抗震能力的思路。之后，北京、天津地区首先开展了部分房屋的抗震普查与鉴定，1968年编制了京津地区一般民用建筑、单层工业厂房、旧建筑、农村房屋及烟囱、水塔等的抗震鉴定标准（草案）和抗震措施要点，并在京津地区开展了抗震加固的试点工作。1975年海城地震以后，在当时国家建委京津地区抗震办公室领导和组织下，我国工程抗震的技术人员很快编写制定了京津地区工业与民用建筑抗震鉴定标准（试行），于1975年9月正式实施。京津两市的部分房屋立即据此进行抗震鉴定与加固，开创了我国抗震加固工作的先河。尽管这种加固措施相对简单粗糙，但使用经济，符合当时国情，经加固的房屋在1976年唐山大地震中经受了考验。1976年唐山大地震以后，在总结大量震害经验的基础上，迅速开展应急性质的结构抗震加固技术研究，1977年12月颁布了工业与民用建筑抗震鉴定标准TJ23-77以及为配合该标准的实施而编制的工业建筑抗震加固参考图集GC-01和民用建筑抗震加固参考图集GC-02，成为指导全国建筑抗震鉴定与加固工作的规范文件，标志着我国抗震加固工作已从局部地区试点推进到全国，也标志着抗震鉴定与加固工作已成为防震减灾的重要组成部分，逐步进入规范化、制度化的轨道，具有里程碑的意义。19771978年间，不少单位先后进行了夹板墙、组合柱、外加构造柱、外加圈梁和钢拉杆、砖墙裂缝修复和墙体压力灌浆等项目的试验研究，并于1978年12月在成都召开了首次全国抗震加固科研成果交流会，会后编制了民用砖房抗震加固技术措施，这对提高砖房抗震加固设计质量起到了一定的指导作用。1980年后，抗震加固技术研究不断深入，并列入国家抗震重点科研项目。全国22个设计、科研单位和大专院校，相继开展了556项足尺模型试验研究，提出了46篇试验研究报告。在此基础上，于1985年编制了工业与民用建筑抗震加固技术措施，同期冶金部编制了冶金建筑抗震加固技术措施，并在本系统内应用。这段时间内的试验规模和研究深度，均标志着我国抗震加固技术的研究已进入世界先进行列。1994年12月1日，建设部正式颁布实施了建筑工程抗御地震灾害管理规定，该规定指出，“对列入城市近期改建、企业改造计划的房屋、工程设施和设备可不进行抗震加固，对临时性建筑不进行抗震鉴定、加固，除此之外，凡未经抗震设防的房屋、工程设施和设备，均应按现行抗震鉴定标准和加固技术规程进行鉴定和加固，以达到应有的抗震能力。”这是我国第一次将抗震加固以行政法规的名义加以规范、规定。1996年6月1日，建筑抗震鉴定标准GB50023-95正式实施。1997年2月，全国人民代表大会常务委员会通过了中华人民共和国防震减灾法，该法第二十条规定：“已经建成的下列建筑物、构筑物，未采取抗震设防措施的，应当按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，并采取必要的抗震加固措施：属于重大建设工程的建筑物、构筑物。可能发生严重次生灾害的建筑物、构筑物。有重大文物价值和纪念意义的建筑物、构筑物。地震重点监视防御区的建筑物、构筑物。”这是第一次将抗震鉴定与加固工作写进法律，明确了既有建筑进行抗震鉴定与加固的范围，充分体现出抗震鉴定与加固工作的重要性，表明抗震鉴定与加固工作已进入法制化的轨道。1999年3月1日，建筑抗震加固技术规程JGJ116-98也正式实施。2008年12月27日，中华人民共和国防震减灾法于第十一届全国人民代表大会常务委员会第六次会议修订通过，自2009年5月1日起施行。防震减灾法的修订，是在总结法律实施10年来的经验基础上，为适应经济社会和防震减灾事业发展需要，对法律制度进行全面的修改和完善。2009年6月5日，建筑抗震鉴定标准GB50023-2009由住房和城乡建设部发布，自2009年7月1日起实施；6月18日，建筑抗震加固技术规程JGJ116-2009也相继发布，自2009年8月1日起实施。这两个规范性文件的颁布，总结了近年来建筑结构抗震鉴定和加固的经验，是我国最新的科研成果和工程经验总结，标志着我国在抗震鉴定与加固领域仍处于世界前列。抗震加固常用方法随着科学技术的发展，经过几十年的科学研究和对工程实践经验的总结，我国基本形成了层次配套、概念清楚、要求明确、易于掌握的建筑结构成套鉴定与加固技术。下面分别对钢筋混凝土结构、砌体结构和钢结构等几种常见既有建筑的抗震加固方法逐一总结、分析，并对地基基础常用加固方法做一说明。钢筋混凝土结构。直接加固梁、柱构件的方法。当钢筋混凝土梁受弯承载力不足时，可采用增大截面、外粘型钢、粘贴钢板或纤维复合材、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层、增设支点以及外加预应力等方法加固补强；当钢筋混凝土柱受弯承载力不足时，则可采用增大截面、外粘型钢、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及外加预应力等方法予以加固；当梁、柱构件的受剪承载力不足时，可采用增加箍筋、包钢板箍、粘贴纤维箍、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及缠绕钢丝等方法进行加固；当受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷时，可采用置换混凝土法对构件进行加固。粘贴纤维复合材和钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层两种加固方法，是近年来随着对加固工程中的新材料、新工艺、新技术开展广泛的研究后发展起来的新技术，轻质高强，加固不增大结构体积，所增加的结构自重几乎可以忽略不计；施工工序简单，可用小型工具操作，因而可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施；施工污染小、无噪声，且施工进度快、工期短。尤其是钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层法还很好地解决了加固后的耐久性、防火以及耐高温性能等问题。改变结构受力体系的方法。通过在框架原有围护墙及分隔墙位置增设一定数量的剪力墙或在框架柱两侧设置翼墙，使原来的柔性框架结构改变为框架-剪力墙结构或壁式框架结构；当建筑物需要较大敞开洞口（如学校、商场等）时，也可采用在原有框架中新加支撑，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构。该方法通过改变结构抗侧力体系，降低原有框架分担的地震作用，在减少加固原框架梁、柱工作量的前提下提高结构抗震能力，达到抗震设防要求。该方法关键在于解决好新增墙体或支撑与原框架的连接问题，确保新增抗侧力构件与原框架能共同工作。因这种加固方法基本上能保证不影响建筑使用功能，保持原建筑风貌，且结构加固工作量相对较少，缩短工期，理论成熟，施工工艺简单，所以是目前提高既有建筑抗侧力能力的一个重要方法。全国政协礼堂、北京火车站和国家博物馆老馆等加固改造工程均采用过此种加固方法。卸荷方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，其内部分隔墙及外围护墙基本是较重的砖墙，这些分隔墙一般是按建筑功能要求布置，其平面分布往往不对称，造成结构平面质心与刚心不一致，导致地震作用增大，同时结构在地震作用下的扭转效应也随之增大。鉴于此，将原较重的砖墙换成轻质隔墙，卸去荷载，既能减轻地震作用和结构在地震作用下的扭转效应，又丝毫不损伤原结构，对改善既有建筑的抗震性能，实乃一种行之有效的方法。在国家博物馆老馆加固改造工程中，就曾将上、下层位置不对齐，高大厚重的粘土砖分隔墙换为轻质隔墙。取消建筑物间的伸缩缝，将原来相互独立的单体结构连成整体的加固方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，不少是由伸缩缝分成各自独立的单体结构，但这些伸缩缝宽度均较小，不能满足现行抗震规范对防震缝最小宽度的要求，地震时相邻房屋互撞导致破坏甚至倒塌。各个单体结构分别加固，施工空间小，难度大，若对部分单体结构采取在伸缩缝处设置钢筋混凝土抗震墙，将两个甚至多个单体连成整体，从整体上综合考虑结构加固方案，这样不仅能减少加固工程量，而且易于实现。消能减震方法。这种方法是在结构的适当部位附加耗能减震装置，小震时减震装置如消能杆件或阻尼器处于弹性状态，建筑物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强烈地震作用时，随着结构受力和变形的增大，让消能杆件和阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻力，大量耗散输入结构的地震能量并迅速衰减结构地震反应。极强地震能量的主要部分由控制装置来耗散而非借助主体结构的塑性变形来耗散，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态而免遭破坏。另外，控制装置不仅能有效地耗散地震能量，而且可改变结构的动力特性和受力性能，减少由于结构自振频率与输入的地震波的卓越频率相近引起共振的趋势，减少结构的地震反应。如采用消能支撑的结构，其结构频率的变化主要依赖于支撑体系刚度的改变（支撑体系刚度的改变可以通过耗能元件的变形来实现），而不同普通钢筋混凝土结构，其频率的变化是依赖于结构自身损伤引起的刚度变化。作为非承重构件，消能元件的损伤过程也是保护主体结构的过程。这种被动控制技术能兼顾抗侧刚度的提高和抗侧能力增大，特别在大震时能有效减少地震能量的输入，明显降低结构侧移，达到控制结构地震反应的目的。该方法结构简单，无需外部能量输入，无特殊的维护要求，且对原有建筑布局影响甚小，故在公共建筑的抗震加固上应用前景广阔。北京饭店、北京火车站和国家博物馆老馆改造等工程中都有应用（见图1、2）。 砌体结构。面层或板墙加固方法。当房屋抗震承载力不足时，可根据原砌体实际情况及强度相差大小分别采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层、钢绞线网-聚合物砂浆面层和现浇钢筋混凝土板墙加固方法。其中现浇钢筋混凝土板墙加固方法最为常用，如当既有多层砌体房屋的层数超过规定限值需改变结构体系或原有墙体抗震承载力差得较多时均首选该加固方法。尤其是喷射钢筋混凝土，除了增大断面外，还能填补砌体结构中的孔洞、缝隙、麻面等，施工速度快，加固效果易得到保证。增设抗震墙加固方法。当房屋抗震承载力不足且建筑使用功能允许时，对局部强度过低的原有墙体可拆除重砌并增设抗震墙，重砌和增设抗震墙的结构材料宜采用与原结构相同的砖和砌块，也可采用现浇钢筋混凝土。外加圈梁-钢筋混凝土柱加固方法。当房屋的整体性不满足要求时，在建筑专业许可的情况下，可采用外加圈梁-钢筋混凝土柱加固房屋。该方法唐山地震后即由工程技术人员提出并应用于砌体结构加固工程中，施工便捷，加固效果易保证，只是对建筑立面有所影响。隔震加固方法。当对房屋加固后抗震性能要求较高时，可采用隔震方法进行加固。隔震支座具有很大的竖向刚度和相对较小的水平刚度，在非灾害荷载作用下，隔震支座处于弹性状态，变形很小，可以完全满足上部结构较高的加固目标；在灾害荷载（大震）作用下，由于支座的水平刚度较小，支座发生较大的变形，进入塑性状态，此时整个结构体系的基本周期很大（相对于固定基础的结构），结构受到的地震作用也相对很小。图3为传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物的反应。事实上，隔震结构体系在大震作用下，上部结构的运动类似于置于隔震支座上的刚体运动，整个上部结构完全处于弹性状态，可以达到结构的正常使用或立即入住水平（见图4）。该方法用于既有建筑抗震加固在美国、日本等国家已有成功的工程实例，不仅可用在砌体结构中，也可用于钢筋混凝土结构和钢结构中。如美国对盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑就是采用此法进行加固；日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法，效果都十分明显。钢结构。直接加固柱、梁、屋架构件的方法。在尽量卸荷的情况下，直接对截面进行补强，如用钢板或型钢通过焊接或高强螺栓与原柱连接；在翼缘上加焊水平板、垂直板、斜板或型钢等加强钢梁正截面强度；在腹板两侧加焊钢板增大钢梁抗剪强度；增设支撑以减小柱的计算长度；增设吊杆或下支撑构件减小梁跨度；采用预应力筋、撑杆构架、构件再分式等方法加固屋架。改变结构受力体系的方法。同钢筋混凝土结构加固措施一样，通过在框架原有围护墙及分隔墙位置增设支撑或剪力墙，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构或框架-剪力墙结构，让新增支撑或剪力墙成为主要抗侧力构件，从而大大减小原来框架所受的地震作用。卸荷方法。消能减震方法。消能减震装置是因两端产生相对速度或相对位移而导致滞回变形或摩擦从而实现耗能，相对运动速度越快或位移越大，产生的阻尼力越大，耗能就越多。一般来说，结构越高、越柔、跨度越大，耗能减震效果越显著。所以耗能减震加固技术适用于多高层钢结构及钢筋混凝土框架结构。尤其是屈曲约束耗能支撑，在受拉和受压两种状态下都能达到屈服，克服了普通支撑受压屈曲的问题，是一种集抗侧力和耗能为一体的消能减震装置。在日本，每年有一半的屈曲约束支撑用于各类建筑抗震加固中，通过测算，屈曲约束支撑为抗震加固最为经济与便捷的加固手段之一。地基基础加固。在既有建筑物抗震加固和改造中，常遇到原有基础面积不够的问题，若处理不当会造成浪费或不能保证上部建筑物的安全。为此，应根据加固目的，结合地基基础和上部结构的现状，从预期效果、施工难易程度、材料来源和运输条件、施工安全性、对邻近建筑和环境的影响、机具条件、施工工期和造价等方面进行技术经济分析和比较，选定最佳的加固方法。加大基础底面积方法。该方法适用于当既有建筑物的地基承载力或基础底面积尺寸不满足设计要求时的加固，可采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积。加大基础底面积的设计和施工应符合既有建筑地基基础加固技术规范JGJ123-2000第6.2.1条的规定。当不宜采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积时，可将原独立基础改成条形基础；将原条形基础改成十字交叉条形基础或筏形基础；将原筏形基础改成箱形基础。该方法因施工简单，所需设备少，因而得到较多的应用。微型桩方法。微型桩一般是采用压力灌浆的方式灌注水泥砂浆或水泥浆而成，一部分浆液渗入桩周土体（特别是对于粗颗粒土），与普通灌注桩相比，桩与桩周土体结合更紧密，因此，桩侧阻力及桩端阻力均比普通钢筋混凝土灌注桩要大得多。与其他方法相比，微型桩具有承载力高、沉降量小、所需施工场地较小、能穿透各种障碍物、适用于各种不同的土质条件等优点，同时桩孔孔径小，对基础和地基土几乎都不产生附加应力，施工时对原有基础影响小，也不干扰建筑物的正常使用。加深基础法。该方法适用于地基浅层有较好的土层可作为持力层且地下水位较低的情况。可将原基础埋置深度加深，使基础支承在较好的持力层上，以满足设计对地基承载力和变形的要求。当地下水位较高时，应采取相应的降水或排水措施。此外，还有石灰桩、注浆加固等方法，最为常用的是加大基础底面积和微型桩两种加固方法。抗震加固前沿技术研究随着经济建设的发展、建筑类型的多样化，性能结构抗震设计已成为必然的发展趋势，新建建筑如此，既有建筑的抗震加固更不例外，而且随业主、使用功能的变更，其要求将更加迫切，这为性能结构抗震设计在抗震加固领域的应用创造了良好的条件。美、日等发达国家都已将基于性能的抗震设计概念应用于建筑物加固中，我国也已开展这方面的研究工作，中国建筑科学研究院现正在进行“十一五”国家科技支撑项目“基于性能的建筑抗震加固设计研究”工作。1994年美国洛杉矶北岭地震和1995年日本阪神地震的震害经验为世人展现了建筑抗震技术的新出路，隔震和消能减震技术在大地震中经受了考验，表现出对建筑物和工程设施极好的保护功能。人们从采用隔震和消能减震技术而幸免地震破坏、保持完好功能的建筑物和工程设施上，看到了这种技术的生命力和极其巨大的社会、经济效益。因此，工程结构隔震和消能减震技术已成为国际工程抗震界关注的热点、前沿问题。近十几年来，我国在隔震和消能减震技术方面也开展了广泛深入的研究。广州大学土木工程学院周云教授在基于性能的抗震设计理论研究的基础上，结合耗能减震加固结构的特性，提出了基于性能的耗能减震加固结构整体设计理论框架，给出了设计中各关键环节的子框图，较为清晰地展现了设计的基本过程，为以后的研究工作指明了方向。当前抗震加固工作中应注意的几个问题当前全国各地都在如火如荼地开展中小学校舍抗震加固工作，由于量大面广，任务重、时间紧，参与检测、鉴定和加固设计的单位多，尽管这些单位和人员大都具有资质和职业资格，但不少设计单位的技术人员对新建筑的设计熟悉，对抗震加固设计的特点以及加固施工中应注意事项不清楚，之前很少甚或从未接触过加固工程，故这里稍作说明，以期引起重视。（1）仔细阅读规范条文及说明，弄清来龙去脉，准确理解其真实含义，有针对性地采取对原结构损伤小、施工便捷、工期短等易于实现的加固方法，经济合理，避免千篇一律大面积地加固。上世纪五、六十年代建造的装配式钢筋混凝土楼、屋盖学校教学楼，抗震横墙间距一般为911m，大于建筑抗震鉴定标准GB50023-2009表5.2.2规定的最大间距，但超过值均在4m以内。鉴定、加固设计时，不一定要通过在原有预制钢筋混凝土圆孔板上增加现浇钢筋混凝土叠合层，将原来的装配式楼盖改变为装配整体式楼盖，使横墙间距满足规范要求，而应该根据建筑物的实际情况，结合墙体等竖向构件的加固，使结构抗震能力满足国家现行有关规范、标准的要求即可。对砌体房屋的楼、屋面预制板进行大面积凿毛是非常困难的，若处理不当，将不但达不到预期的加固效果，反而适得其反降低了原结构的抗震能力。（2）抗震加固的内涵是结构加固而非单个构件补强，因此在加固设计时，首先应考虑整体性结构加固，尽可能地保留和利用原有构件，减少不必要的拆除和更换，使加固措施发挥综合效应，避免“头痛医头，脚痛医脚”的构件加固。（3）不应存在局部加强或刚度突变而形成新的薄弱部位；同时，还应考虑结构刚度增大而导致地震作用效应增大的影响。（4）把握关键，突出重点，新旧结合面的处理至关重要。加固设计应与实际施工方法紧密结合，采取有效措施，保证新增构件和部件与原结构连接可靠，新增截面与原截面粘结牢固，形成整体共同工作；并应避免对未加固部分以及相关的结构、构件和地基基础造成不利的影响。（5）严把材料质量关。加固材料的性能和质量应符合有关规范的规定。目前国内对于各类结构的加固方法很多，这些方法各有其适用条件，这就要求必须结合工程的实际情况，进行技术经济的综合分析，充分考虑各种方法实施的难易程度、施工影响面及投资等因素，优化决策，采取最优方案，使加固既能保证结构安全，又经济合理。性能结构抗震设计理论将对工程抗震产生持久而深远的影响，深入研究性能结构抗震设计理论在抗震加固中的应用，具有明确的现实需求，会对抗震加固技术起到重要的理论指导作用。隔震和消能减震技术是通过调整结构动力特性的途径，减小结构在地震中的振动反应，从而保护结构以及结构内部的设备、仪器、管线和装饰物等不受损坏。尽管该技术仍处于不断发展和完善的阶段，但到目前为止，该技术在美国、日本、新西兰及我国等许多国家已被应用在多项新建和抗震加固工程上，有些已经受到了实际地震的考验，表现良好，技术和经济效益非常明显，具有广阔的发展前景。 文/中国建筑科学研究院唐曹明