文/龐俊韜 廣西壯族自治區(qū)建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 廣西南寧 530005

試論建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與加固改造

文/龐俊韜 廣西壯族自治區(qū)建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 廣西南寧 530005

由于我國(guó)對(duì)于房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)研究較晚，與國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)存在著一定的差距，導(dǎo)致了我國(guó)的房屋在地震中倒塌情況比較嚴(yán)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(xué)、合理的手段，根據(jù)不同建筑物的不同特點(diǎn)，采用不同的方法對(duì)建筑中容易受損的構(gòu)件進(jìn)行加固改造，提高我國(guó)建筑物抵抗地震的能力。本文通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)的分析，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的加固方法及加過措施展開了研究。

抗震設(shè)計(jì)；地震；建筑結(jié)構(gòu)

近年來，各類自然災(zāi)害較為頻繁，對(duì)我國(guó)影響最為嚴(yán)重的災(zāi)害便是地震。我國(guó)許多省市都處在地震頻發(fā)的地區(qū)，例如：四川、云南等地區(qū)。以我國(guó)目前的科學(xué)技術(shù)水平來看，還無法對(duì)地震的相關(guān)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。為了降低地震對(duì)人民生產(chǎn)、生活造成的威脅，可以在建筑設(shè)計(jì)的過程中，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，增強(qiáng)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(shè)防目標(biāo)

地震是一種對(duì)嚴(yán)重威脅人類生活安全的自然災(zāi)害，不僅威脅到人民的人身財(cái)產(chǎn)安全，地震期間還可能會(huì)引發(fā)海嘯、山體滑坡、毒氣泄漏等其他自然災(zāi)害，使抗震救災(zāi)工作變的異常艱難。在地震災(zāi)害中，受災(zāi)地區(qū)的建筑物受到的影響最大，因此，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與加固改造就成為了人們所關(guān)注的重要話題。我國(guó)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求就是，保證建筑物在低級(jí)地震時(shí)不發(fā)生損壞，依舊可以繼續(xù)使用；中級(jí)地震時(shí)不至于完全損壞，在地震結(jié)束后可以通過修理，重新恢復(fù)使用；高級(jí)地震時(shí)不至于倒塌，使建筑物內(nèi)的居民擁有充分的逃離時(shí)間。

2、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)策略

2.1 選擇合適的建筑場(chǎng)地

為了提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，增強(qiáng)建筑物對(duì)地震的抵抗力，應(yīng)根據(jù)建筑物抗震原理的相關(guān)要求來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。在房屋建筑建設(shè)的過程中，地基的質(zhì)量決定了房屋建筑的穩(wěn)定程度，也是對(duì)抗地震的重要條件之一。只有選擇最合適的建筑場(chǎng)地，才能有效的提高建筑物的地基質(zhì)量，從而提高了建筑物的抗震效果。除此之外，在選擇建筑場(chǎng)地的時(shí)候，還要對(duì)場(chǎng)地的實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)的觀察，并結(jié)合建筑物相關(guān)要求，選擇最適合該建筑項(xiàng)目建設(shè)的場(chǎng)地。盡量避免在山體附近，或者是存在軟土、泥土的場(chǎng)地進(jìn)行建筑物施工。靠近山體的場(chǎng)地容易受到地震的影響產(chǎn)生山體滑坡，對(duì)建筑物造成二次傷害。而含有軟土或泥土的場(chǎng)地，無法保證地基的載荷量，影響建筑物低級(jí)的質(zhì)量。同時(shí)，也不能選擇在地震斷裂帶上容易發(fā)生錯(cuò)位的地區(qū)進(jìn)行建筑物施工，一旦地震來臨，該地區(qū)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平立面布置規(guī)則

在建筑結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑物相較于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物來說，其受力性能更加明確，在分析地震發(fā)生時(shí)建筑物的實(shí)際反應(yīng)及其內(nèi)力情況時(shí)也可以更加準(zhǔn)確，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的具體構(gòu)造也較為容易處理，這種相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)在面對(duì)地震時(shí)，受到的損害不會(huì)很大。而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型建筑，尤其是平面不規(guī)則的建筑，在受到地震影響時(shí)，很容易因?yàn)榱⒚嫔细叩湾e(cuò)落，而發(fā)生剛度和強(qiáng)度上的突變，最終導(dǎo)致建筑物的立面發(fā)生變形，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部出現(xiàn)了薄弱環(huán)節(jié)。隨著地震的持續(xù)，建筑物的薄弱環(huán)節(jié)暴露的就越明顯，建筑物出現(xiàn)問題的可能性就越大。

2.2.2 建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻

建筑的質(zhì)量和剛度沿豎向分布通常是不均勻的。例如。因?yàn)槭艿浇ㄖ呢Q向收進(jìn)的影響．地震時(shí)收進(jìn)處上、下部分振動(dòng)特性不同，易于在收進(jìn)處的橫隔層(樓板)產(chǎn)生了應(yīng)力變化，造成豎向收進(jìn)的凹角處的應(yīng)力突然集中起來：又如，在建筑物底層設(shè)置上下不連續(xù)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(nèi)沒有合理和連續(xù)設(shè)置樓層，使框架形成短柱，也易于造成危害。

2.2.3 必要時(shí)設(shè)置防震縫

防震縫是指房屋設(shè)計(jì)時(shí)，為了有效的防止地震對(duì)房屋造成的破壞，通過設(shè)置防震縫的方法，將房屋分割成若干個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度相似的獨(dú)立部分，以防止相近結(jié)構(gòu)單元受到地震的影響，而產(chǎn)生相互之間的碰撞。雖然設(shè)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(guān)規(guī)定中的規(guī)范要求來設(shè)置防震縫，對(duì)于寬度的把握會(huì)十分困難。寬度如果不夠，很有可能在地震時(shí)，使相鄰的結(jié)構(gòu)單元之間發(fā)生碰撞，無法達(dá)到抗震的效果；如果寬度過大，則會(huì)給建筑物的里面設(shè)計(jì)帶來諸多困難。因此，在設(shè)置防震縫的時(shí)候，不能夠完全按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，要根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，來決定是否要設(shè)置防震縫。通常情況下，體型較為復(fù)雜的建筑物。如果設(shè)置防震縫，就應(yīng)該建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)建筑物的抗震能力進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算與分析，并對(duì)其在地震中的損壞情況進(jìn)行整體評(píng)估，找出建筑物中容易發(fā)生損壞的部位，并采取必要的措施提高其抗震能力；如果設(shè)置防震裂縫，可以將復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)分割成規(guī)則的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元，防震縫的寬度應(yīng)該根據(jù)建筑場(chǎng)地的情況，房屋類型等因素來決定。

2.3 保障結(jié)構(gòu)的延性

在完成建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，還要采取措施使該結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)难有?，以此保證此建筑結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)定的抗震目標(biāo)。提高建筑結(jié)構(gòu)延性的措施包括：

首先，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中柱、梁等構(gòu)件，應(yīng)該按照強(qiáng)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(qiáng)震發(fā)生的時(shí)候，一旦地震的為例超過了其所能承受的極限，致使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生了最大的非線性位移時(shí)，梁端的塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)比較大。如果柱端的塑性鉸出現(xiàn)的比較晚，那么建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到最大非線性位移時(shí)，它的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)比較小。如此一來，就保證了框架有了比較穩(wěn)定的塑性耗能構(gòu)件。

其次，要提高結(jié)構(gòu)的延性，還要采取強(qiáng)剪弱彎的措施。因?yàn)榧羟袑?duì)于破壞根本沒有延性，一個(gè)部位如果發(fā)生了剪切破壞，那么這個(gè)部位在整個(gè)的抗震結(jié)構(gòu)中就失去了作用，柱端發(fā)生剪切破壞，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生局部坍塌，從而導(dǎo)致整個(gè)建筑物坍塌。因此，要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，確保任何構(gòu)建在強(qiáng)震時(shí)，都不會(huì)發(fā)生剪力破壞。

3、建筑結(jié)構(gòu)的加固改造

3.1 建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

3.1.1 植筋技術(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)中，植筋技術(shù)的操作流程簡(jiǎn)單且施工成本較低，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。在實(shí)際的操作當(dāng)中，需要使用目鋼筋與螺栓式錨筋的應(yīng)用與連接來實(shí)現(xiàn)建筑加固的目的和效果。由于不同的墻體形式，在結(jié)構(gòu)加固過程中選用的鋼筋不同，因此，在使用植筋技術(shù)的過程中，必須要重視對(duì)鋼筋類型和質(zhì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在加固的過程中對(duì)鋼筋的強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行加固。

3.1.2 托換技術(shù)

托換技術(shù)從本質(zhì)上來說就是一種建筑結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)技術(shù)，是為了彌補(bǔ)由于設(shè)計(jì)、施工中的失誤或是方法使用不當(dāng)，造成的建筑物開裂、傾斜、損壞，進(jìn)而需要進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固而使用的技術(shù)手段，也可用與建筑物墻體的補(bǔ)強(qiáng)或修補(bǔ)。托換技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是施工時(shí)間較短，可以極大程度上節(jié)約施工期間所消耗的各類費(fèi)用。同時(shí)，不足之處也是十分明顯的，托換技術(shù)是一種針對(duì)建筑物損壞部分的修補(bǔ)，由于部分建筑物的結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shù)對(duì)施工人員的專業(yè)水平與技術(shù)操作水平要求較高，不是普通工人可以完成的。

3.1.3 修補(bǔ)技術(shù)

從目前的情況來看，我國(guó)建筑加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，修補(bǔ)技術(shù)主要被用于建筑物的內(nèi)部修補(bǔ)以及裂縫修補(bǔ)兩部分，根據(jù)建筑物損傷的程度不同對(duì)兩種修補(bǔ)方法進(jìn)行選擇。在實(shí)際的運(yùn)用當(dāng)中，內(nèi)部修補(bǔ)技術(shù)主要被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中裂縫較大的部分，通過使用壓力泵向裂縫中注入修補(bǔ)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(bǔ)技術(shù)則是針對(duì)建筑混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的裂縫而設(shè)計(jì)的，由于混凝土在使用的過程中，會(huì)受到自身性質(zhì)或外界因素的影響而產(chǎn)生裂縫，因此，可以使用裂縫修補(bǔ)技術(shù)，通過在裂縫中填補(bǔ)混凝土材料的方式，來實(shí)現(xiàn)裂縫的修補(bǔ)。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)加固措施

3.2.1 增大截面加固措施

在建筑結(jié)構(gòu)的加固措施中，增大截面加固技術(shù)是較為常見的加固技術(shù)之一，在實(shí)際的工作中，增加截面加固技術(shù)可以擴(kuò)大受壓部位的面積，來分散建筑結(jié)構(gòu)所受到的壓力，緩解壓力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的彎曲及損害，使原建筑結(jié)構(gòu)的抗壓能力及承載能力都得到了有效的增強(qiáng)。使用增大截面加固措施的優(yōu)勢(shì)在于施工方法簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，實(shí)用效果較好，由于增大截面加固措施在建筑結(jié)構(gòu)加固中使用的較為頻繁，為其積累了大量成熟的設(shè)計(jì)以及施工經(jīng)驗(yàn)，通常被用于梁、柱、墻以及一般混凝土等建筑結(jié)構(gòu)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(shí)際的建筑加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要多個(gè)部門及大量的工作人員合作完成，工作量較大，工程耗時(shí)實(shí)踐較長(zhǎng)，使建筑物的使用面積進(jìn)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(shí)間來進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的承載力，為建筑結(jié)構(gòu)提供足夠的受力保證。采用這種方法對(duì)建筑物進(jìn)行加固，在地震來臨時(shí)，可以使建筑物不易受到外力的干擾而發(fā)生坍塌。相較于其他加固措施而言，外包鋼加固措施的現(xiàn)場(chǎng)工作量較小，施工方法也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，缺點(diǎn)也十分明顯，外包鋼加固措施是使用鋼材來提高建筑結(jié)構(gòu)的整體受力效果，因此，對(duì)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(shí)候，對(duì)于要求較多，使用鋼材進(jìn)行加固的部分既不能超過園構(gòu)件截面的尺寸，又要確保其可以大幅度的提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力，這就要求施工人員在正式施工以前，對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，采用科學(xué)的方法對(duì)鋼材覆蓋的面積進(jìn)行計(jì)算，并制定相應(yīng)的施工方案，以便達(dá)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(jié)構(gòu)中需要加固的部位粘結(jié)成為一體，利用加固板的硬度來提高原建筑結(jié)構(gòu)的承載能力，原建筑結(jié)構(gòu)被包裹在加固板內(nèi)，在一定程度上延長(zhǎng)了原建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。使用外部粘鋼加固措施的優(yōu)點(diǎn)主要包括：施工操作簡(jiǎn)單，工期較短，對(duì)建筑物內(nèi)居民的生產(chǎn)、生活影響較小，并且對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)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(duì)施工環(huán)境卻有一定的要求，必須保證室內(nèi)溫度在零上六十?dāng)z氏度以下且濕度正常的環(huán)境下才可以使用這種加固措施進(jìn)行加固操作，而且加固的效果與施工者的技術(shù)水平以粘膠工藝有直接的關(guān)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(xué)加固方法，用于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中承載力不強(qiáng)的部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。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(jīng)常被用于浴室、水廠等施工環(huán)境相對(duì)潮濕的建筑結(jié)構(gòu)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(huì)增加原建筑構(gòu)建自身的重量，耐用性較好，也不需要較多的費(fèi)用對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)。由于纖維材料比較容易起火，如果施工區(qū)域比較容易接觸到明火，那么必須對(duì)其進(jìn)行專門的防火處理，以免發(fā)生火災(zāi)。

總結(jié)：

建筑物結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其效果直接影響到建筑物的整體性能，尤其是在震區(qū)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的更為明顯。因此，必須要重視建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)，將建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)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(shí)受到的損害程度不同，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須充分的考慮到建筑物的實(shí)際情況，選擇最為合適的抗震設(shè)計(jì)方法，最大程度上增強(qiáng)建筑物的抗震性能，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的合理布設(shè)，盡可能的減少建筑物在地震自然災(zāi)害中的受損程度，使人民的生命財(cái)產(chǎn)安全得到有效的保障。

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