浅析抗震加固技术在高层建筑结构设计中的应用

宋春

摘要：地震是一种强烈的自然现象，是威胁人类安全的主要自然灾害之一，为避免它给人类带来大的灾害，这就要求工程师要重视抗震加固技术的研究。文章作者从高层建筑结构设计的抗震加固的迫切性、加固与改造设计的内容等方面对抗震加固技术在高层建筑结构设计中的应用进行了探讨。

关键词 高层建筑 结构设计 抗震加固 应用

前言

由于我国是一个地震多发的国家，分布广、频率高、强度大、震源浅，是世界上地震灾害最严重的国家之一，因此人们对地震产生的机理逐步进行了深入的研究，并对地震动特性以及地震结构的动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究也有了重大的突破，世界各国对结构抗震设计课题的研究也取得了重大成果，并出现了一些新的发展趋势。目前最严峻的问题是如何建立安全、经济和可靠的工程结构抗震设计，使得设计的工程结构可以抵御某种程度的不可预知的灾难性大地震。本文分析抗震加固的相关设计在高层建筑中的应用，并对于我国结构抗震设计方法进行相关探索。

一、高层建筑抗震加固的迫切性

我国是个地震多发国家，自20世纪以来，我国共发生破坏性地震2600多次，其中6级以上的破坏性地震500余次。总结地震灾害的经验得出，造成人员伤亡和经济损失的主要原因是房屋建筑的倒塌和工程设施、设备的破坏。世界上发生的多次伤亡巨大的地震，有95％以上的人员伤亡是由于不抗震的建筑物倒塌造成的。

我国汶川地震发生后，我国广大工程技术人员意识到已建重要建筑物实施可行的加固可以抵御地震灾害、延长建筑物使用寿命。由于对建筑结构采取可行的加固措施后，建筑物整体抗震能力显著增强，安全度也得到了提高，一旦遭遇地震可极大限度的减少人员伤亡及财产损失。以上充分表明了我国建筑结构抗震加固的严重性和迫切性。

二、结构抗震设计在加固建筑中的应用

业主在建设中出于经济因素的考虑，在设计时允许在地震作用下结构发生塑性变形，因此作为衡量结构抗震性能的指标的强度就不适用，而仅针对脆性构件和不允许发生非弹性响应的构件才适用。针对基于强度设计的不足，一些学者提出基于位移或者能量作为设计变量的设计方法，和考虑结构和构件损伤性能的结构抗震损伤性能控制设计方法，以及将各种设计变量综合使用的能力设计法、基于抗震性能的设计方法等。

基于位移的结构抗震设计方法将结构的变形或者构件发生的应变作为设计变量。而基于能量的结构抗震设计方法以输入结构的能量为设计依据，使得设计的结构能够吸收从地面输入预期的地震能量而不被破坏。基于位移或者基于能量的设计方法比基于强度的设计方法更为合理，但是它们仍然以单一设计变量作为衡量结构破坏的依据，这对于单个构件而言是合适的，而对于整个结构系统而言则有些勉强。因为结构是由多个构件构成，这些构件中有些我们希望它们发生塑性屈服变形，耗散地震能量，而有些构件我们希望它们不发生塑性屈服变形，确保结构系统整体抗震性能以及结构的稳定性。

各种设计变量综合使用的能力设计法以及基于抗震性能的设计方法，显然比基于位移或者能量作为设计变量的设计方法更为合适。能力设计方法对于结构的非弹性响应设计，首先布置可能出现的塑性铰位置，使结构在屈服后形成一个合理的耗能机制；针对塑性铰区进行专门设计，确保具备足够的延性能力；针对其它构件(被保护构件），根据塑性铰的延性能力，确定被保护构件的设计强度，保证被保护构件在结构塑性铰形成后仍然保持弹性。

三、高层建筑结构加固的意义和程序

大多数建筑物随着时间的流逝，会因为劣化、损伤造成使用性能下降，这时一般应根据现状对其进行修复或者加固改造处理，以满足不同的使用要求。加固改造的程序一般可以概括为现状鉴定、加固改造设计、施工与工程效果检验。

（1）现状鉴定。进行现状鉴定的目的是为制定加固改造方案提供技术依据。包括现场的初步检查，收集有关原始设计、施工、使用资料，现场检测以获得实际材料的强度，根据现场检测的数据进行结构计算分析，确定结构的安全度。

（2）设计。在现状鉴定的基础上，设计的主要任务是制定加固改造方案。建筑物加固改造设计，包括被加固构件的承载力及抗震性能的验算(结构验算)、构件处理和施工图绘制、施工过程的指导三部分工作。在结构验算中，应特别注意新加部分与原结构构件的协同工作。一般来说，新加部分的应力滞后于原结构的应力，处理加固结构的构造时不仅要满足新加构件自身的构造要求，还应该考虑其与原构件的连接。

（3）施工。既有建筑物的加固改造是一项专业性很强的技术，为了保证设计意图的全面实现，施工单位既要有良好的技术素质，又要有专业的工程经验。施工前进行详细的施工组织设计。

四、 高层建筑抗震加固技术的内容

随着结构加固技术的发展，结构的改造技术也得到了发展，结构的加固技术在结构的改造中发挥了作用。加固改造技术的标准化是该项技术成熟的标志，目前在用和即将颁布的加固改造技术规程有：《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB5O165—92(鉴定部分)；《混凝土结构加固技术规范》GB50367— 2006；《钢结构加固技术规范》CECS 77：96；《砖混结构房屋加层技术规范》CECS 78：96等。

目前，对建筑物、构筑物进行抗震加固与改造的技术有很多。这些抗震加固与改造的技术大体可分为两大类；一类是增大结构抗震能力的加固与改造技术，另一类则是减小地震作用的加固与改造技术。

4.1增大结构抗震能力的加固与改造技术。建国几十年来，我国的抗震加固与改造技术得到了飞速发展。

1976年唐山地震后，砌体结构抗震加固的问题日益突出，砌体结构抗震性能不好：砌体墙体抗震能力、变形性能的不足、房屋整体性不好。因此，增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网水泥砂浆面层加固技术及增大结构整体性的压力灌浆加固技术、增设圈梁(构造柱)加固技术、拉结钢筋加固技术；通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体技术等应运而生。目前该技术广泛用于砌筑墙体的加固。

常见的混凝土柱加固技术有加大截面加固技术、外包钢加固技术、预应力加固技术、改变传力途径加固技术、加强整体刚度加固技术、粘钢加固技术以及碳纤维加固技术等。这些绝大部分都是经过长期实践检验可靠性比较高的技术，已收入国家标准《混凝土结构加固技术》(CECS25—90)。此类技术不仅有比较充分的理论依据，规范还提供了详细的计算公式。如混凝土柱的外包钢法加固技术，开始阶段的计算方法是分别计算混凝土柱和外包钢，外包钢按钢结构计算：当外包装的缀板加密并出现湿式的施工方法时，其计算按整体构件考虑；当缀板施加拉力时，可按约束混凝土进行计算。

体外预应力是指将预应力钢筋布置于截面之外的预应力，是后张预应力体系的重要分支，是目前研究的热点。体外预应力加固通常是在粱侧或梁底下部增设预应力粗钢筋补强或预应力加劲钢丝索并分别锚固在梁的两端，通过联结构件使钢丝索或粗钢筋与梁体构成一个一次超静定桁架体系，通过施加体外预应力，起到以抵消部分恒载应力而卸载的作用，从而大幅度提高桥梁结构其承载能力。它克服了其他方法加固材料中普遍存在的应力滞后的缺点，能保证结构和新旧材料的整体性与协同工作，可以做到随时更换预应力筋，维护修补十分方便。体外预应力加固技术现己从单纯应用于混凝土桥梁结构拓展到了钢结构，木结构，砌体结构等，充分证明了其在结构加固技术方面的优势。

4.2 减小地震作用的加固与改造技术。减小地震作用的加固技术一般包括隔震加固技术和消能减震加固技术。该方法看似没有加固结构，但实际上如果地震作用的减小，结构反应必然减小，这样就保证了该结构在地震发生时的安全。

消能减震是在结构抗侧力构件中设置耗能构件(阻尼器)从而加大结构阻尼。通过附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量，减少结构地震反应为目的的减震加固技术。在消能减震结构体系中，当轻微地震或阵风脉动时，消能(阻尼)装置或元件处于弹性状态，结构具有一定的侧向刚度，以满足正常使用要求。在强烈地震作用下，随结构受力和变形增大，这些消能杆件和阻尼器进人非弹性变形状态，产生较大阻尼，率先进入耗能工作状态，大量消耗输入结构的地震能量，充分发挥耗能作用避免主体结构进入明显塑性状态，从而保护主体结构在强震中不发生破坏，不产生过大变形。

目前有橡胶垫隔震(基础隔震)、悬吊隔震、滚珠或滚轴隔震、滑移隔震、摆动隔震、弹簧隔震等多种隔震方法。较为成熟的做法是将隔震层放在原结构基础上，即基础隔震。即采用在房屋上部结构与基础之间设置阻尼高、水平变形大、能有效吸收地震能量的铅芯橡胶隔震垫，使房屋上部结构与基础完全脱开，从而增大结构周期，减小结构地震作用。

五、结语

总之，通过多年对于建筑抗震设计的研究，我国逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计方法而且日益成熟，并且高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在设计过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂，抗震和加固作为高层建筑设计必须考虑的因素。建筑物的抗震加固设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确、合理的运用不同的抗震加固设计方法，是非常重要的，

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准．混凝土结构加固技术规范[s]．GB50367—2006．

[2]薛彦涛， 范苏榕．传统抗震加固技术与抗震加固新技术的介绍[J]．工程建设与设计，2006，08．