國(guó)內(nèi)外抗震加固新技術(shù)的比較與應(yīng)用

張濤 吳建奇

摘? ? 要：總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已用于工程實(shí)踐的抗震加固新技術(shù)，比較的各種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用條件，提出了抗震加固方案的選取要以滿(mǎn)足建筑物的設(shè)防目標(biāo)與性能要求為原則。各種新的抗震加固技術(shù)可用于指導(dǎo)國(guó)內(nèi)建筑物的抗震加固工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：抗震加固;新技術(shù);比較與應(yīng)用;方案選取

1? 引言

近期，地震發(fā)生較頻繁，造成了巨大破壞并引起廣泛的影響。在加強(qiáng)對(duì)地震監(jiān)測(cè)的同時(shí)，如何保證既有建筑的抗震性能，尤其是做到“大震不倒”，盡量減少人員的傷亡成為工程師們最為重視的問(wèn)題。新抗震規(guī)范的頒布保證了新建建筑物抗震性能的提升，但是對(duì)于既有建筑，大部分都不會(huì)滿(mǎn)足新抗震規(guī)范要求，那么如何對(duì)既有建筑更好的進(jìn)行抗震加固，成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的加固技術(shù)不僅僅受施工周期、經(jīng)濟(jì)條件和建筑場(chǎng)地的限制，而且不能夠很好地滿(mǎn)足現(xiàn)有建筑對(duì)抗震設(shè)防的要求 。

2? 地震作用對(duì)建筑的影響

傳統(tǒng)的加固方法大都通過(guò)增加結(jié)構(gòu)剛度的截面法、包鋼法等進(jìn)行，但是這也會(huì)增大結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。地震作用的特點(diǎn)是“遇強(qiáng)則強(qiáng)”，這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)受到的地震作用會(huì)變得更大，而新的加固方法采用耗能減震或基礎(chǔ)隔震的理念，是一種“剛?cè)岵?jì)”或“以柔克剛”的抗震加固方法。

3? 加固新技術(shù)

3.1? 耗能減震加固新技術(shù)

耗能減震技術(shù)是利用安裝在建筑物中的消能器，利用建筑物的變形，驅(qū)動(dòng)消能部件中的消能器做功消耗能量，減小建筑物的振動(dòng)反應(yīng)，從而達(dá)到提高建筑物抗震能力的一項(xiàng)新技術(shù)。適用范圍：框架結(jié)構(gòu)、高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架筒體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、排架廠房和體育場(chǎng)館等，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能提高尤為顯著。優(yōu)點(diǎn)是安全、經(jīng)濟(jì)、施工周期短、耗能明顯（實(shí)驗(yàn)表明，耗能占到地震作用于上部結(jié)構(gòu)總能量的90%），而且技術(shù)也比較成熟。

（1）增設(shè)摩擦型阻尼器。摩擦耗能裝置由摩擦元件構(gòu)成，這些元件相互滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦力，從而耗散結(jié)構(gòu)的部分振動(dòng)能量。在已有房屋的外側(cè)設(shè)置含有摩擦減震器的減震斜撐，采用預(yù)應(yīng)力鋼材與已有結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體，通過(guò)減震器來(lái)吸收地震能量。

（2）增設(shè)金屬阻尼器。金屬阻尼器的耗能機(jī)理是通過(guò)金屬元件的彈塑性變形來(lái)耗能。金屬阻尼器的造價(jià)相對(duì)比較低，主要有軸向屈服型尼器、制震板（HADAS）、蜂窩型阻尼器。

（3）增設(shè)粘彈性阻尼器。粘彈性阻尼器由粘彈性材料與約束鋼板交替疊合而成，通過(guò)粘彈性材料的滯回變形來(lái)減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。粘彈性阻尼器是一種主要與速度相關(guān)的減振裝置，在任何位移下都發(fā)揮耗能作用，不過(guò)造價(jià)比較高。粘彈性阻尼器中有一種形式是制震壁，制震壁通常裝在上下樓層的橫梁間，是一種槽化的阻尼器，由一片內(nèi)部鋼板和兩片外部鋼板所構(gòu)成的U形結(jié)槽，在內(nèi)外鋼板間注入高黏性的特殊物質(zhì)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，利用黏性物質(zhì)的阻尼力與熱能轉(zhuǎn)換消減地震能量，減緩建筑物結(jié)構(gòu)上的晃動(dòng)。因?yàn)橹普鸨谕ǔＪ潜唤ú陌饋?lái)，在外觀上不會(huì)影響建筑物的美觀。

（4）增設(shè)粘滯性阻尼器。粘滯性阻尼器由缸體、活塞和液體構(gòu)成，活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，粘滯液體從一端流向另一端產(chǎn)生阻尼力，阻礙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。它是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)，特別是流體通過(guò)節(jié)流孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘滯阻力的原理制成的，是一種無(wú)剛度、速度相關(guān)型的阻尼器，造價(jià)較高。

（5）力臂式減震工法。力臂式減震工法是日本近年來(lái)出現(xiàn)的新工法，該工法利用設(shè)有減震器的肘結(jié)力臂式機(jī)構(gòu)來(lái)放大結(jié)構(gòu)的層間變形從而提高耗能效率，減少地震反應(yīng)。

（6）制震頂棚系統(tǒng)。制震頂棚系統(tǒng)是在頂棚和墻之期間設(shè)置制震設(shè)備來(lái)減少地震時(shí)頂棚的振動(dòng)，從而提高頂棚的耐震性能的系統(tǒng)。制震設(shè)備均勻的布置在頂棚外四周的墻壁上。制震設(shè)備可以簡(jiǎn)單的在原有頂棚上安裝，因而該系統(tǒng)對(duì)于新建和修復(fù)都能適用。

（7）調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（turned mass damper， TMD）。它是一個(gè)彈簧、阻尼器和質(zhì)量快組成，當(dāng)結(jié)構(gòu)在外激勵(lì)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，帶動(dòng)TMD系統(tǒng)一起振動(dòng)，系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力反作用于結(jié)構(gòu)，調(diào)和結(jié)構(gòu)受到的地震作用，從而達(dá)到減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，是一種被動(dòng)控制系統(tǒng)。美國(guó)世貿(mào)中心、波士頓Lohn Hanlock大樓和悉尼電視塔就是采用的這種減震方法。目前主要用于高層和超高層建筑，造價(jià)往往較高。

3.2? ?隔震加固新技術(shù)

基礎(chǔ)隔震就是在建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置（或系統(tǒng)）形成隔震層，把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開(kāi)來(lái)，利用隔震裝置的高阻尼特性來(lái)隔離或耗散地震能量，以減少建筑物的地震反應(yīng)。 此法的使用對(duì)象為中低層建筑，城市生命線工程及重要建筑（核工業(yè)建筑、醫(yī)院、通訊等），對(duì)高層建筑和軟弱地基上的建筑不宜使用，優(yōu)點(diǎn)是加固效果好，抗震安全度高;不需要對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備、家具等再進(jìn)行抗震處理，建筑物的功能和用途均不受影響，施工中也可照常使用;保證儀器和設(shè)備的正常使用。但是該方法也有很多缺點(diǎn)，設(shè)置隔震層后，穿過(guò)隔震層的設(shè)備管線需進(jìn)行妥善的柔性連接，以及對(duì)下部停車(chē)場(chǎng)等功能地下室也會(huì)產(chǎn)生影響;造價(jià)較高，施工周期比較長(zhǎng)，施工技術(shù)要求也較高;若其他構(gòu)件的承載力不能滿(mǎn)足，則需另外加固，增加了工程量?；A(chǔ)隔震主要采取增加橡膠墊支座，滑移支座和滾軸支座等形式。

3.3? ?加大剛度加固法

（1）增設(shè)斜撐加固。此法是利用斜撐來(lái)承擔(dān)一部分地震力從而改善建筑物抗震性能的加固方法。按照形狀來(lái)分主要有單斜撐、交叉斜撐、膝型斜撐、K型撐、V型斜撐和倒V型斜撐。其本質(zhì)上是通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度來(lái)增大結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力。此法優(yōu)點(diǎn)是重量較輕，工期較短，可確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性，而且造價(jià)較低。缺點(diǎn)是由于鋼支撐通常都是受拉桿設(shè)計(jì)，在往復(fù)地震作用下，容易屈服，耗能能力有限，震后需要替換，該方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用普遍。

（2）增設(shè)框架加固。增設(shè)框架加固是利用新增框架來(lái)承擔(dān)一部分地震力從而改善建筑物抗震性能的加固方法。外部增設(shè)框架的形式主要有鋼框架、RC框架、預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力框架和斜拉預(yù)應(yīng)力框架。預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力框架是采用預(yù)應(yīng)力鋼材將鋼筋混凝土預(yù)制梁柱在現(xiàn)場(chǎng)組成框架，并與已有結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體。這種方法的使用條件是適用于中低層建筑，并且建筑物周?chē)仨氂凶銐虻目盏貋?lái)保證設(shè)置外部框架。優(yōu)點(diǎn)是加固工程在建筑物外部進(jìn)行，內(nèi)部仍可正常使用。缺點(diǎn)是造價(jià)高、工期長(zhǎng)，并且建筑物的原立面造型全部變樣，建筑內(nèi)部的采光和通風(fēng)也受到影響。

3.4? 高性能材料

近年來(lái)，日本開(kāi)發(fā)了SRF工法（Super Reinforcement with Flexibility，超高延性加固技術(shù)），是一種將中等強(qiáng)度的黏結(jié)材料黏貼高性能的聚酯增強(qiáng)材料的加固技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、工序少、重量輕和施工后材料沒(méi)有毒性和刺激性，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

4? 方案選取

好的加固方案不僅僅可以達(dá)到理想的加固效果，而且在經(jīng)濟(jì)、施工周期和后續(xù)養(yǎng)護(hù)方面都是方便的。針對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，地區(qū)差異較大的國(guó)情，不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)體對(duì)地震災(zāi)害的承受能力不同，基于性能的抗震加固思想就是說(shuō)選擇一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（遠(yuǎn)遠(yuǎn)具體于現(xiàn)行的抗震“三設(shè)防水準(zhǔn)”），恰當(dāng)?shù)募庸谭桨?，保證建筑物的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的性能水平，使建筑物在遭受一定水平的地震作用下，結(jié)構(gòu)的破壞不超過(guò)一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或者說(shuō)損失在業(yè)主的承受范圍內(nèi)。目前來(lái)說(shuō)，基于性能抗震加固參數(shù)主要是限定建筑物的頂點(diǎn)位移或是層間位移角。通過(guò)與業(yè)主方的協(xié)商，在保證滿(mǎn)足業(yè)主要求的情況下，最大的發(fā)揮設(shè)計(jì)師的主動(dòng)性。

5? 結(jié)論

新抗震加固技術(shù)無(wú)論在安全性、合理性，還是在經(jīng)濟(jì)性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)抗震加固方法，加固方案的選取應(yīng)該以被加固建筑的設(shè)防目標(biāo)與性能要求為原則，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮其他各方面的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 仇保興. 地震災(zāi)后建筑修復(fù)加固與重建技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：

張濤，男，上海同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)。

吳建奇，男，山東建筑大學(xué)工程管理專(zhuān)業(yè)。