钢筋混凝土框架结构抗震加固方法综述.doc

钢筋混凝土框架结构抗震加固方法综述程绍革, 任卫教(中国建筑科学研究院工程抗震研究所, 北京100013)摘要 我国在50 年代建成了一批钢筋混凝土框架结构,至今已有近50 年的历史,接近设计的基准期,并且原结构设计中多数未考虑抗构震设防,需进行结的鉴定和加固。本文结合若干工程实例,对结构抗震鉴定、抗震性能评价、加固方法几个方面作了介绍,供类似工程借鉴。关键词 钢筋混凝土框架结构; 抗震鉴定; 抗震加固中图分类号 TU352. 1 ; TU370. 2 文献标识码 AReviews on Seismic St rengthening of Existing R. C. Frame St ructuresCHEN G S hao2ge , R EN Wei2jiao( Institute of Earthquake Engineering , China Academy of B uilding Research , Beijing 100013 , China) Abstract Lots of R. C. frame structures were build during 50s and the design of earthquake resistance was not taken into con2sideration among these buildings , so the seismic appraisement and strengthening are really needed. In this paper , the method of struc2tural appraisement , seismic behavior estimation and strengthening are introduced for reference to the similar engineering based onseveral retrofitting projects. Key words R. C. frame structure ; seismic appraiserment ; seismic strengthening收稿日期2001 - 03 - 01作者简介程绍革(1966 ) ,男(汉) ,高级工程师,硕士1 前言新中国成立以后的十年,我国先后建成了一批以北京十大建筑为标志的工程。这些工程在我国的建筑史上具有很重要的地位,是不可多得的艺术瑰宝。在这批建筑中不乏采用钢筋混凝土框架结构,至今已有近50 年的历史,接近结构设计的基准期。从抗震的角度看,这些建筑多数未考虑抗震设防或未达到应有的设防要求,应进行抗震鉴定,必要时需进行抗震加固;从建筑使用的角度看,建筑原有的一些功能已不能满足当前使用的要求,一些设备老化陈旧,需进行部分功能改造和设施更新。自1996 年以来,中国建筑科学研究院工程抗震研究所先后承接了全国政协礼堂、北京火车站、中国革命历史博物馆、中国农业展览馆、北京展览馆、中国地质博物馆、北京饭店等建筑的抗震鉴定、加固改造任务,积累了丰富的抗震加固及改造经验。笔者结合参加过的工程,从抗震鉴定方法、结构抗震性能评价、加固方法三个方面,对上述工程进行了总结,供工程技术人员借鉴。应当指出的是,本文所指的钢筋混凝土框架结构虽主要是指50 年代建成的一批建筑,但提到的加固方法仍具有普遍性,可供类似的加固及改造工程借鉴。2 钢筋混凝土框架结构抗震鉴定方法目前我国抗震鉴定依据的标准是1996 年6 月1 日实施的建筑抗震鉴定标准( GB 50023 - 95) ,简单地说就是“结构综合抗震能力二级鉴定方法”。所谓第1 级鉴定是指以宏观控制和构造鉴定为主的抗震能力鉴定,第2 级鉴定指以构件抗震承载力验算为主并结合构造影响系数的鉴定。“两级鉴定”概念的引入,通过对房屋的结构体系、配筋构造、填充墙等与主体结构的连接,以及构件的抗震承载力进行综合分析,使相当一部分现有建筑,可采用简单的第1 级鉴定方法进行抗震鉴定,少数第1 级鉴定不能通过的房屋,则继续采用第2 级鉴定予以判断,鉴定过程可参见图1。同TJ11 - 74 相比,新标准更注重于结构总体抗震能力的判断,不仅要从抗震构造和抗震承载力两个方面进行综合分析,还要区分结构构件失效后的影响是整体性的或是局部性的。所谓综合分析,是指当结构现有的承载力较高时,除了保证结构整体性的构造外,延性方面的构造要求可适当降低;当承载力较低时,可用较高的延性构造要求来弥补。按新标准进行鉴定时,可依据设防目标和结构震害特征将整个结构区分为重点部位和一般部位,鉴定时只需对影响整体抗震性能的关键部位做认真检查。如6 、7 度区的检查重点是砖混混合承重的部位和填充墙等非结构构件的连接,8 、9 度区的检查重点是构件截面及配筋构造。新标准对构件实际达到的混凝土强度等级规定了最低要求,因此需进行一些现场检测工作。但为抗震鉴定所进行的强度检测,应与新建工程的混凝土质量检测和为处理工程事故而进行的强度检测有所不同,在构件抽检数量上可适当减少。3 钢筋混凝土框架结构的抗震性能评价50 年代建成的钢筋混凝土框架结构,受当时经济条件和建筑技术水平的制约,存在着不少缺陷,归结起来主要有以下几方面的问题:(1) 材料强度低限于当时的水平,工程中采用的混凝土标号一般为110 号或140 号,王府井百货大楼1 层营业大厅的几根圆柱,因需承受较大的竖向荷载,当时采用的也仅是190 号的混凝土;钢筋等级相当于现在的级钢筋,屈服强度为250MPa ,且钢筋为光圆或方钢。(2) 配筋构造不合理体现在梁柱配筋率偏低,框架梁端底部配筋不足或锚固长度不够,地震作用下梁端易开裂或使梁延性不足;梁柱加密区段配筋稀疏,箍筋直径一般为6 或8 ,间距250mm 或300mm ,在梁柱节点核芯区甚至无箍筋。(3) 抗震缝宽度不够一些大型公共建筑由几个建筑分区组成,分区间一般设变形缝,但缝宽小于抗震缝宽度最低要求,地震作用下易发生相互碰撞。如全国政协礼堂各分区缝宽为3cm ,北京火车站分区间缝宽为7cm。新标准对抗震缝宽度并未明确提出要求,但建筑抗震设计规范有相应要求,并且经计算分区间的相对侧向变形也远大于现有缝宽。(4) 构件承载力低限于当时的经济水平,要求设计人员在设计时遵循经济、安全的原则,更多的是考虑经济方面的因素,相应的构件截面偏小、轴压比高,构件承载力的安全余量不大,如考虑地震作用构件承载力甚至不足。(5) 非结构构件的连接构造弱如女儿墙超高且无可靠拉接措施,围护墙与主体结构的连接薄弱,地震时易开裂。综合以上几方面的原因,这些钢筋混凝土框架结构的综合抗震能力是较低的,一旦遭遇地震作用,会发生不同程度的破坏甚至倒塌。实践证明,对不满足抗震要求的现有建筑进行抗震加固,是减轻地震灾害的有效途径之一,目前我国地震形势依然十分严峻,北京地区进行的首都圈防灾减灾示范区抗震加固计划为我国的抗震加固工作积累了丰富的经验,这些经验值得向全国推广。4 钢筋混凝土结构的抗震加固方法结构抗震加固方法随着经济水平、技术水平和人们观念的发展而发展,以往的抗震加固是以结构的安全性为重点,而对建筑的外观及使用功能很少顾及。进入90 年代以来,随着我国经济实力的增强,抗震加固新技术(如消能减震) 、新材料(如碳纤维、结构胶) 以及新工艺(如钻孔、植筋) 的出现,从而使抗震加固的手段愈来愈多,给工程师以充分发挥的余地。并且抗震加固工作往往结合城区的改造规划、建筑功能的更新改造来进行,人们不仅重视结构的安全性和适用性,更希望对原有建筑风貌得以完整地保留,这在对于具有重大纪念意义、城市标志性建筑的抗震加固中显得尤为重要。目前在抗震加固中采用的具体方法有:(1) 卸荷法该方法的原理是通过减小结构自重和负荷以减小结构的地震反应。在实际工程中可将原结构中较重的粘土砖框架填充墙拆除代之以轻质隔墙,从而降低结构自重和负荷,进而减少地震荷载和变形。如果卸荷明显,基本上可不进行加固就能保证地震作用下结构的安全,且避免了加固对原结构构件的损伤。(2) 加大截面法该方法是对钢筋混凝土梁、柱构件外包一定厚度的混凝土,加大构件截面并配以适量钢筋,从而提高构件的承载能力,达到加固的目地,如王府井百货大楼就采用了这种加固方法。采用加大截面法在提高构件承载力的同时,在一定程度上可使原来的强梁弱柱结构改变为强柱弱梁结构,通过对加密区的处理可以提高构件的延性,此外也能在一定程度上提高结构的抗侧刚度。以往在采用加大截面法加固时,在梁柱节点核芯区梁高范围内的柱横向箍筋无法封闭,实际上在该重要部位并未进行加固。对于框架结构而言,节点是荷载传递的重要部位,一旦节点在地震作用下遭到破坏,会引起建筑物的严重破坏甚至倒塌。近年来随着混凝土钻孔设备及高性能结构胶的出现,使得这一问题得以解决。试验表明,在核芯区增加一至两道封闭箍筋,将有效地减缓节点区混凝土的开裂,提高节点的抗震能力。(3) 外包钢法即以角钢外包于原构件四角,角钢间用扁钢焊接形成整体钢构套的加固方法,以提高构件的承载能力和延性。同加大截面法相比,外包钢法加固可使原构件截面基本不变或改变不大,并且施工便捷,因此经常在结构加固改造中使用。如北京火车站的高架区,1 层是站台和火车通道,2 层是旅客由候车室前往站台的通道,经验算在罕遇大震作用下可能会发生倒塌。由于使用功能的限制不可能增设剪力墙或采用其他办法进行加固,最后采用了外包钢法加固,以增加结构的延性,避免大震下的倒塌。(4) 碳纤维加固法碳纤维加固是一种新型的结构加固技术,碳纤维材料的抗拉强度高于普通钢筋的10 倍、弹性模量是钢筋的数倍,因此可利用高性能结构胶将碳纤维织物(布) 粘贴于构件表面,从而达到对结构构件的加固补强及改善抗震性能的目的。采用碳纤维加固具有以下优点: 由于碳纤维对混凝土的约束作用,构件受力性能明显得到改善。试验表明,采用碳纤维加固,按通常的粘贴层数(如三层) ,梁的抗弯抗剪能力提高在50 %以上,柱正截面承载力和延性性能可提高70 %; 碳纤维布质轻且薄,加固后对原结构构件截面、荷载增加均不大,不影响原有建筑使用功能,因此极适合于钢筋混凝土结构的加固。但采用这种加固方法对粘结胶的性能要求较高,目前无论是碳纤维布或是粘结用胶主要还是依赖于国外进口,相应造价也高,如想大面积推广尚存在一定难度。(5) 增设剪力墙法该法实际上是通过在适当部位增设一定数量的剪力墙,将原框架结构改变为框架- 剪力墙结构。一方面通过提高结构的侧向刚度,从而减小了结构在地震作用下的侧移,原有建筑的变形缝可不作处理;其二由于剪力墙承担了大部分的地震荷载,减小了原框架梁柱的受力,从而避免了大量的梁柱的加固工程;第三,通过加固改变结构体系,原框架梁柱的抗震等级降低,配筋构造要求也随之降低。增设剪力墙法是目前使用得较为普遍的一种抗震加固方法,采用该方法时首先需考虑的一个问题是剪力墙位置与数量的确定,其次是新增剪力墙与原有结构的连接。(6) 消能减震法近年来消能减震技术在我国首先被应用于结构的抗震加固上,在结构中放置一定数量的消能设备,当结构遭遇设防烈度地震作用时,通过增加体系的阻尼系数以减小结构地震反应;当结构遭遇强震作用时,消能装置率先进入弹塑性状态耗散掉大量的地震能量,从而使主体结构免遭破坏。“八五”期间,我国的一些科研院校在引进国外先进技术的基础上进行了大量卓有成效的研究,研制出加劲阻尼(ADAS) 装置、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器和粘性流体阻尼器等,这些耗能装置正被愈来愈多地应用于抗震加固工程中。如沈阳市政府大楼采用了摩擦阻尼进行了加固,粘性阻尼器则已用在北京饭店、北京火车站、中国革命历史博物馆和北京展览馆等工程的抗震加固上。消能装置通常安装在钢支撑上形成消能支撑系统,结合建筑使用功能要求可设置多种类型的消能支撑,如在北京饭店采用的有交叉支撑、对角支撑和人字支撑等,在北京火车站中采用的是K型水平支撑,在中国革命历史博物馆中采用的门架型水平支撑。(7) 隔震加固法该法是隔震技术在抗震加固领域中的应用,通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上,从而起到减小原结构地震反应的目的。目前已研究出的隔震方法有: 橡胶垫隔震; 滑移隔震; 滚珠或滚轴隔震; 摆动隔震; 悬吊隔震; 弹簧隔震等。目前较多的做法是将隔震层放在原结构基础上,即基础隔震。隔震加固法用于现有建筑抗震加固在美国、日本等国已有成功的工程实例,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了加固;日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法进行了加固,效果十分明显。在我国该项技术目前仅用于新建多层砌体结构中,还未用于现有结构的抗震加固。抗震加固的内涵是结构加固而非构件加固,因此在确定结构抗震加固方案时首先应考虑整体性加固方案,以避免“头痛医头、脚痛医脚”的构件加固。参考文献 1 中华人民共和国国家标准, GB 50023 - 95 ,建筑抗震鉴定标准 S . 2 中华人民共和国行业标准,J GJ 116 - 98 ,建筑抗震加固技术规程 S .3 戴国莹,李德虎. 建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题B . 第五届全国地震工程会议论文集( ) C1998. 10.4 李德虎. 建筑抗震鉴定与加固在我国的发展B . 第二届全国建筑物鉴定与加固学术会议论文集C . 1993.对于已经建成或在建的钢筋混凝土结构，多种原因可能造成结构的安全性、适用性、耐久性不能满足规定要求。当结构构件可靠性鉴定评定为!级或级时，应对结构采取加固补强措施。钢筋混凝土结构的加固补强主要有以下几种加固补强方法，设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。一、混凝土结构加固方法综述1、加大截面加固法当混凝土结构因孔洞、蜂窝或强度达不到设计要求时可使用该法。加大截面可用单面、双面、三面或四面围套的方法。新加截面一般应通过计算确定，在保证新老混凝土良好粘结的情况下按统一或叠合构件计算。加大部分常采用豆石混凝土或喷射混凝土。增加的钢筋应与原钢筋组成骨架，应保证与原钢筋连接良好。该法优点是施工工艺简单、技术要求性不高、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验；适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固。缺点是现场施工的湿作业时间长，施工繁杂，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小，影响使用。加大截面加固法的技术关键是：新旧混凝土必须粘结可靠，新老钢筋必须连接牢固，保证新老混凝土能共同工作受力。2、外包钢加固法外包钢加固法主要使用于混凝土构件（主要指混凝土柱）受截面尺寸增大的限制，或需要大幅度提高承载力。习惯上把型钢与原柱间有一定间隔，在其间隙间填充乳胶水泥砂浆、环氧类填充料或无机粘结料，使两者之间粘结成统一体的加固方法称为湿