试论抗震加固的原理和方法

陈自钢 钱 斌

1 抗震加固基本原则

1.1 抗震加固与一般加固的区别

抗震加固与一般加固有所不同。一般加固往往是根据缺陷性质有针对性地加固。抗震加固不仅需要有针对性对构件进行加固,还需要对建筑物进行整体性加固,使现有建筑达到规定的抗震设防要求。抗震加固设计以提高建筑物的整体抗震强度和变形能力为主,通过对原有的抗震构件进行加固或增加新的抗震构件,提高结构整体抗震能力,改善结构的刚度与强度分布的不均匀性,加强易倒塌构件的连接,提高抗震能力。

1.2 抗震加固的基本原则

1)抗震加固前必须作出抗震鉴定,视其必要性和技术经济的合理性,对没有价值进行抗震加固的应予拆除。2)抗震加固的重点是城市生命线工程和易造成次生灾害的工程等。加固主要是加强结构整体性和提高抗变形能力,及加强薄弱环节和危险部位。3)抗震加固要使结构达到规定的设防要求,可包括构件受损失后抗震能力不足的恢复性加固,构件补强性加固,提高结构抗震能力的局部加固或全面加固及改变使用性质后的适当加固。4)以抗震鉴定结论为加固目标和依据。抗震鉴定和抗震加固是前后延续的工作,前者是衡量抗震加固是否达到规定目标的标志;加固设计仍采用抗震鉴定所用的抗震验算方法,仅计算参数按加固后的状态取值。5)提高综合抗震能力的优化原则。抗震加固时,需针对房屋存在的缺陷,弄清使结构达到规定设防要求的关键,尽可能清除不利于抗震的因素,还要结合各方面要求,将加固方法逐一进行分析和比较。通过优化决策,再按各方面的具体规定进行加固设计与施工。6)加固有效性的控制。加固手段要确保有效地提高结构综合抗震能力,如防止损伤原有结构构件,确保新旧构件的可靠连接,构件承载力验算时计入新旧部分协同工作程度的影响,尤其要避免局部加固导致薄弱部位转移或产生新的抗震薄弱部位。7)地基基础现有承载力的利用。由于地基土在竖向荷载的长期作用下,土体固结压密,土与基础接触处发生化学变化,地基的静承载力有一定的提高,当加固时所增加的重力不多时,可不做地基验算或不进行地基处理。8)加固材料和施工的特殊要求。加固所用的材料强度等级要比加固构件的强度等级提高;加固施工前,需对原构件的实际尺寸进行复核,这些均与新建工程的要求有显著不同。

1.3 常用抗震加固基本方法与类型

1)对于同时提高承载力和结构刚度的,以增设构件,扩大原构件截面为基本方法;对于仅需要提高构件受剪承载力的,是以设置钢构套为基本方法;对需要提高变形能力的情况,是以增设连接构件,外包钢构套等为基本方法;2)对于原结构的结构体系明显不合理的情况,条件许可时可采用增设构件的方法予以改善,否则采取同时提高承载力和变形能力的方法;3)对于结构的整体性连接不符合抗震要求的情况,以提高变形能力为基本方法;4)对于局部构件的构造不符合抗震要求的情况,可选择不使薄弱部位转移的局部处理或选择改变结构体系,使地震作用由增设的构件承担,从而保护局部构件;5)对于非结构构件的构造不符合抗震要求的情况,可仅对可能倒塌伤人的部位加以处理。

2 抗震加固常用方法

2.1 直接加固法

2.1.1 针对构件的加固法

1)加大截面加固法。加大截面加固法是采用与原有构件相同材料,增大构件截面面积的一种传统的加固方法,可提高被加固构件的抗弯、抗压、抗剪、抗拉等能力,还改变自振频率,使正常使用要求的性能得到改善。可广泛用于混凝土结构的梁、板、柱等构件的加固。2)外包钢加固法。外包钢加固法分为干式和湿式两种。对除在构件的端部处,外包钢与被加固构件之间无任何连接或虽然塞有水泥砂浆但不能确保结合面有效传递剪力的外包钢加固构件,称为干式外包加固。此时,外包钢体系和被加固构件独立工作。当在外包钢与被加固构件之间填入胶凝材料,确保结合面有效传递剪力,使外包钢与被加固构件形成整体,共同变形时,称为湿式外包加固。外包钢加固法可以大幅度提高构件的抗压和抗弯性能,比较广泛地应用于不允许增大截面尺寸且需要较大幅度提高承载力的轴心受压和小偏心受压构件。外包钢加固也可以用于受弯构件或大偏心受压构件的加固,但宜采用湿式外包钢加固。3)预应力加固法。预应力加固法是采用高强度钢筋或型钢等材料,在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆。加固时,通过施加预应力,使体外的拉杆或压杆与被加固构件共同受力,克服被加固构件的应力超前现象,改变原有截面的受力特征,提高加固后体系的承载能力和刚度。预应力拉杆加固广泛应用于受弯构件和受拉构件的加固,对提高截面的刚度、减少原有构件裂缝宽度和挠度、提高加固后构件截面的抗裂能力非常有效。预应力撑杆加固可应用于轴心或小偏心受压构件的加固。4)改变结构传力途径加固法。改变结构传力途径加固法主要可分为两种:增设支点法是以减小结构构件的计算跨度或高度,以减小构件的作用效应,而使其承载力和变形性能满足要求的加固方法。增设支点法适用于房屋净空不受限制的大跨度结构的加固。托梁拔柱法是在不拆或少拆上部结构的情况下拆除、更换、接长柱子的一种加固方法,适用于要求房屋使用功能改变、增大空间的结构加固。5)受弯构件外部粘钢加固法。此法是用建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面,具有共同工作性能良好、粘钢所占空间小,加固施工周期短等特点,适用于承受静力作用的一般受弯构件,温度不超过60℃、相对湿度不大及无化学腐蚀的使用环境中。6)碳纤维(CFRP)加固法。碳纤维布(CFRP)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,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两个优点:a.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(如两层),梁的抗弯抗剪能力提高50%以上,柱正截面承载力和延性性能可提高70%;b.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。

2.1.2 针对结构体系的抗震加固方法

框架结构的加固方法很多,但其中增设钢筋混凝土剪力墙仍是一种主流方法。利用新增的剪力墙承担主要的地震力,减小结构的变形,降低框架柱的配筋构造要求,从而使加固工作量大大减少。目前,梁柱加固的常用方法有加大截面法、外包钢法以及碳纤维加固法。这些方法并非抗震加固所特有的方法,普通的工程质量事故处理也常使用。对于抗震加固而言,梁柱节点的加固远比梁柱构件本身的加固更重要。

2.2 间接加固法

1)房屋隔震技术。从抗震规范的地震影响曲线可看出,当结构周期增大时,地震作用减小。最有效地使结构周期增大的方法是隔震技术,使房屋上部结构与基础完全分开,在分开处放置隔震材料。最常用的隔震材料为叠合橡胶隔震垫,其作用是使地面水平地震加速度在隔震层处中断,或使向上传递的地震加速度大大减小。在设计计算中,其表现形式是上部结构周期延长,因而地震作用减小,结构反应亦减小,从而达到抗震加固的目的。2)消能减震技术。减震加固结构通过抗震评估确认既有建筑某层的层承载力不满足抗震性能目标水准要求时,通过设置耗能减震装置,达到增大结构阻尼、减小层间位移的目的。减震装置种类较多,且仍在不断开发,补强方法也随既有建筑物的实况和功能要求而异。对钢筋混凝土房屋,用得较普遍的是增设粘滞阻尼减震墙。3)增设剪力墙加固技术。结构刚度增大有两个可能:a.刚度增大,结构周期缩短,根据反应谱方法,地震作用相应增大;b.刚度增大,结构变形减小,从而使内力减小,两者所起作用相反。因此,只要刚度取得合理,地震作用虽然增加,但结构变形仍然减小。实践证明,大多数结构增设剪力墙后,将使结构变形减小,这时,地震作用主要由剪力墙抵御,框架结构中的内力与变形大大减小,从而达到抗震加固的目的。

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