傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)與新型抗震加固技術(shù)的總結(jié)與對(duì)比

    在工業(yè)與民用建筑當(dāng)中，很多的建筑在經(jīng)過(guò)一定的使用年限之后，特別是早期沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)的部分建筑，都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，例如建筑的使用功能降低，甚至是建筑的安全達(dá)不到要求。在這些情況下，要想繼續(xù)使用這些建筑，就需要對(duì)他們進(jìn)行改造和加固。建筑加固在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)中已經(jīng)成為土木行業(yè)的主流項(xiàng)目。而在我國(guó)，抗震加固的研究工作始于20世紀(jì)60年代，也就是唐山大地震之后。不過(guò)，當(dāng)時(shí)做抗震加固主要是探索抗震鑒定及加固的基本技術(shù)和管理方法，在實(shí)踐中證明抗震鑒定及加固的必要性和有效性。到了1989年，國(guó)家正式發(fā)布了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ11—89)，抗震鑒定和加固才走上了規(guī)范化的道路。但是限于建造時(shí)的設(shè)計(jì)和建造水平，加之施工質(zhì)量的問(wèn)題，近幾年來(lái)大量的建筑需要進(jìn)行抗震加固，特別是汶川地震之后，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到進(jìn)行抗震設(shè)防和加固的重要性。針對(duì)不同的問(wèn)題，工程師需要提出不同的改造加固方案。本文查閱的資料主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的抗震加固技術(shù)上。

    1、傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)的發(fā)展與分類

    在混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)中目前應(yīng)用比較廣也相對(duì)成熟的還是傳統(tǒng)的抗震加固技術(shù)。鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)的建筑在我國(guó)非常常見(jiàn)，其基礎(chǔ)期一般為50年，目前有一大批建筑物已進(jìn)入了中年期或者老年期，多數(shù)已有不同程度的損壞或者老化，出現(xiàn)裂縫、滲漏、剝落、缺損、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，急需修復(fù)。

    1.1混凝土結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)

    針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用比較廣泛的加固方法有增大截面法、外包鋼加固法、置換混凝土加固法、粘鋼加固法和粘碳纖維加固法等。

    增大截面法，顧名思義，即采用增大混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物的截面面積，以提高其承載力來(lái)滿足正常使用的一種加固方法�？蓮V泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等構(gòu)件和一般構(gòu)筑物的加固。

外包鋼加固法，是指在需要加固構(gòu)件的四周包上角鋼，從而提高構(gòu)件的承載力，增大延性和剛度。該方法適用于混凝土柱、梁等，其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)工作量、施工方便和濕作業(yè)工作較少，受力安全;可用于不能增大原構(gòu)件截面尺寸，但是又要求提高截面承載力的砌體柱的加固;其缺點(diǎn)為加固代價(jià)較高，其采用的防護(hù)措施類似與鋼結(jié)構(gòu)。用于承受靜力作用的一般受彎及受拉構(gòu)件;環(huán)境溫度不應(yīng)超過(guò)60℃，相對(duì)濕度不應(yīng)大于70%，并且無(wú)化學(xué)腐蝕，否則應(yīng)采取有效防護(hù)措施;應(yīng)使用試驗(yàn)依據(jù)充分且性能滿足使用要求的，并經(jīng)過(guò)國(guó)家有關(guān)部門認(rèn)證的結(jié)構(gòu)膠;當(dāng)原構(gòu)件混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度小于C15時(shí)，不宜采用本方法進(jìn)行加固。

    置換混凝土加固法，是指用性能好、強(qiáng)度高的混凝土材料置換原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、韌性差的材料，而不影響建筑物的凈空高度，不顯著增大原構(gòu)件的截面積。該方法適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土構(gòu)件。當(dāng)采用該方法加固梁式結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)原構(gòu)件加以有效的支頂。當(dāng)加固柱、墻等構(gòu)件時(shí)，應(yīng)對(duì)原構(gòu)件在施工全過(guò)程中的承載狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算、觀測(cè)和控制，置換界面處的混凝土不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，若控制有困難，應(yīng)采取支頂?shù)却胧┻M(jìn)行卸荷。

粘鋼加固法，亦稱粘貼鋼板加固，是將鋼板采用高性能的環(huán)氧類粘接劑粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面，使鋼板與混凝土形成統(tǒng)一的整體，利用鋼板良好的抗拉強(qiáng)度達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。其特點(diǎn)包括:施工簡(jiǎn)便、快捷、基本不增加被加固構(gòu)件斷面尺寸和重量;建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板(型鋼)與混凝土緊密粘接，將加固件與被加固體合為一體，結(jié)構(gòu)膠固化時(shí)間短，完全固化后即可以正常受力工作。

    粘碳纖維加固法，是指用粘結(jié)劑把碳纖維片黏貼在混凝土構(gòu)件表面，發(fā)揮碳纖維高強(qiáng)抗拉作用。該方法可以幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重，目前在工程上被廣泛應(yīng)用，適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

    1.2磚混結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)

    磚混結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加固方法，相對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言，更加簡(jiǎn)便，主要針對(duì)的是20世紀(jì)70年代以前的未按抗震設(shè)防要求設(shè)計(jì)的建筑。對(duì)于圈梁和構(gòu)造柱，主要的加固方法有鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法和混凝土板墻加固法;對(duì)于磚柱，通常采用外包混凝土和外包鋼加固法。

鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法，又稱為“夾板墻”，是在磚墻的兩面敷設(shè)鋼筋網(wǎng)片后抹上高強(qiáng)砂漿面層，形成組合墻體，可以提高磚墻的承載力，通常在加固圈梁、構(gòu)造柱時(shí)一同使用。

混凝土板墻加固法，是在磚墻上敷設(shè)一層60～80mm厚度的配筋混凝土薄墻板，與磚墻共同工作，一方面可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，另一方面還可以起到圈梁和構(gòu)造柱的作用，增加磚砌體的延性。

    外包混凝土加固法，能很大程度上提高軸心受壓磚柱及小偏心受壓磚柱的承載力。外包鋼加固法，能提高磚柱的變形能力。

    2、新型抗震加固技術(shù)的發(fā)展與分類

    隨著土建技術(shù)的不斷發(fā)展和科技的進(jìn)步，特別是21世紀(jì)之后，建筑加固技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。加固技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，尤其是在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)但是地震頻發(fā)的國(guó)家，例如日本，新的加強(qiáng)建筑物抵御地震能力的方法主要分為三種途徑:抗震加固、減震加固、隔震加固。其中，抗震加固是指利用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力來(lái)抵御地震作用，吸收地震能量。減震加固是指在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件，通過(guò)其局部變形提供附加阻尼以吸收或耗散由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。隔震加固具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ�是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置隔震層，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用。

    2.1抗震加固在抗震加固新技術(shù)中，最具代表性的是日本開(kāi)發(fā)的高彈性材料加固工法(SuperReinforcementwithFlexibility，以下簡(jiǎn)稱SRF工法)。這種抗震加固技術(shù)，是用樹(shù)脂纖維編織成形狀如安全帶一樣的抗震帶，在建筑物加固施工時(shí)，將抗震帶涂上粘合劑，包裹固定在建筑物的支柱上。它的優(yōu)點(diǎn)是施工方法簡(jiǎn)單、有效，而且費(fèi)用低廉。另外，SRF工法還可以采用預(yù)應(yīng)力的加固方法，即先對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力再外貼到結(jié)構(gòu)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，能克服FRP材性上的缺點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行有效的強(qiáng)度和剛度加固。除了上面介紹的SRF工法外，增設(shè)斜撐加固、框架加固、剪力墻加固也是幾種有效改善建筑物抗震性能的抗震加固方法。這幾種加固方法的共同點(diǎn)都是通過(guò)增加的部分來(lái)承擔(dān)一部分地震力，從而可以提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，以達(dá)到改善建筑抗震性能的目的。

    2.2減震加固減震加固通常的原理是在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件，一般是阻尼器，通過(guò)其局部變形提供附加阻尼，以耗散或吸收由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期的加固目的。加固當(dāng)中用到的阻尼器種類繁多，目前比較常見(jiàn)的有摩擦型阻尼器、粘彈性阻尼器和粘滯性阻尼器等。據(jù)此也可以將減震加固技術(shù)按上述三類阻尼器劃分為三種類型。

摩擦型阻尼器是用摩擦耗能裝置，通過(guò)元件的相互滑動(dòng)摩擦，以耗去結(jié)構(gòu)的部分震動(dòng)能量，目前研究開(kāi)發(fā)的摩擦型阻尼器主要有普通摩擦型阻尼器、pall摩擦型阻尼器、摩擦剪切角阻尼器、多級(jí)摩擦型阻尼器以及摩擦復(fù)合耗能器等多種類型;摩擦型阻尼器一般只有在強(qiáng)震作用下才能啟動(dòng)，對(duì)于經(jīng)常發(fā)生的中小地震或風(fēng)載作用下沒(méi)有任何功效，效率較低，但其造價(jià)往往較低，簡(jiǎn)便易行。

    粘彈性阻尼器是通過(guò)粘彈性材料的滯回變形來(lái)減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、造價(jià)低廉和耐久性好等優(yōu)點(diǎn);溫度、頻率等因素易對(duì)粘彈性阻尼器的耗能性能產(chǎn)生影響。

粘滯性阻尼器是通過(guò)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)振動(dòng);粘滯性阻尼器對(duì)速度反應(yīng)比較靈敏，能夠吸收、衰減振動(dòng)和沖擊的能量從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，減弱節(jié)點(diǎn)的局部受力，達(dá)到保護(hù)受力設(shè)備的目的。

除了上述三類通過(guò)阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)減震加固的方法外，近年來(lái)日本還開(kāi)始采用其他的一些耗能減震方法，如采用制震頂棚或者力臂減震器來(lái)實(shí)現(xiàn)減震加固。

    2.隔震加固技術(shù)

    相對(duì)于前兩種加固方法，產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較晚，也是目前各個(gè)國(guó)家正在努力研究的方向。它是通過(guò)在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置隔震層，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用。雖然隔震加固技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較晚，但是目前已經(jīng)研究出了不少的隔震方法，并且在美國(guó)和日本等國(guó)家已經(jīng)有了成功的工程實(shí)例。這些方法的共同點(diǎn)是將隔震層放在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，即基礎(chǔ)隔震。隔振支座主要分為橡膠支座(圖9)和滑動(dòng)支座(圖10)兩類，具體分類可參見(jiàn)表1。隔震加固應(yīng)用之后，在強(qiáng)震作用下，隔震裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，大量吸收或隔離地震能量，使上部結(jié)構(gòu)保持彈性或不進(jìn)入明顯塑性狀態(tài);同時(shí)隔震加固技術(shù)可以節(jié)省工程造價(jià)，并且可以應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)形式的建筑改造加固當(dāng)中。