校舍加固中隔震技術的應用與案例分析

楊 濤　董 有　李 廣　王 洋

校舍加固中隔震技術的應用與案例分析

楊 濤董 有李 廣王 洋

楊濤，一級注冊結構工程師，一級注冊建筑師，工學碩士。在抗震鑒定、既有建筑加固設計等方面具有豐富經驗。住房和城鄉建設部重點課題《我國既有建筑加層加固技術與政策體系研究》（課題編號2011-k2-28）技術總負責，是《既有砌體結構隔震支座托換技術規程》CECS387：2014主要起草人之一。先后參與多項國家標準、行業標準編制。負責北京市地方圖集《北京市房屋建筑抗震節能綜合改造圖集——柱、圈梁、鋼拉桿加固分冊》編制技術總負責。獲得“既有框架建筑采用并聯隔震支座加固的安裝托換方法”“磚混結構隔震支座加固的安裝托換方法”和“采用角鋼鋼架加固磚混結構的方法”等多項發明專利。主持編制《既有建筑加層技術與政策研究》書籍（中國建筑工業出版社）及《農宅砌體結構抗震加固構造圖集》（中國建筑工業出版社）等技術著作。

國內外許多使用隔震支座技術的房屋，經過多次強烈地震的考驗，隔震效果良好，抗震性能顯著。

實例1：1994年洛杉磯6.7級地震，共有31座醫院嚴重破壞，9座醫院局部破壞而被逼疏散，南加州大學醫院地上7層的隔震結構，地震中絲毫未損，甚至沒有一個花瓶摔下，醫院屋內人員竟然未意識到發生了強烈地震，各種設備未損壞，醫院功能得到維持，成為救災中心，對震后緊急救援起到了十分重要的作用。而醫院周圍建筑物普遍嚴重破壞，而距離該院1千米外的洛杉磯中心醫院，地震造成損失達3.89億美元。

實例2：1995年日本阪神7.2級地震中，有2幢隔震結構建筑取得了地震觀測記錄。西部郵政大樓建筑面積46000平方米，總共6層，是當時日本最大的隔震建筑。地震記錄觀測地面1層水平向的最大加速度只有基礎的1/4～1/3，該建筑震后結構完好，設備無損，在救災中發揮了較大作用，隔震效果得到了充分發揮。Matsumura-Gumi研究所大樓為3層隔震樓，毗鄰的管理大樓為3層非隔震樓，兩棟都得到了地震觀測記錄。隔震樓1層最大加速度值比基礎顯著減小，非隔震樓最大加速度比隔震樓大2～5倍。

實例3：1994年臺灣集集7.3級地震，汕頭市烈度為Ⅵ度，房屋搖晃厲害，居民驚慌失措，水桶里的水濺出了1/3左右，而陵海路隔震樓上的人無震感，不知道地震發生。

實例4：1995年云南武定6.5級地震，地震發生時，大理震感強烈，而隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓內的大多數人沒有感覺，不知道發生了地震。

實例5：1996年云南麗江發生7級強烈地震。四川西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動，而相鄰的一幢常規抗震樓只有四層高，樓上居住的人感覺搖晃十分強烈，驚慌失措往外逃跑。

實例6：經受4?20蘆山地震考驗的蘆山縣人民醫院，已成為“樓堅強”的代言人，它的秘密在于地基部分的“彈簧緩沖”。地震后外觀完整且受損較小的蘆山縣人民醫院主樓引起關注。

2009年到2011年期間，根據《全國中小學校舍安全工程實施細則》我國大力開展校安工程，對各級各類中小學校舍進行排查、檢測、鑒定、加固。

目前針對中小學等抗震要求較高的建筑的抗震加固方法中，大都采用傳統的加固方式，即對砌體結構采用板墻加固、水泥砂漿鋼絲網、增加構造柱圈梁等。對于框架結構常采用梁柱加大截面、增加剪力墻、粘貼碳纖維布等方法。經過大量的工程實踐，我們發現傳統的加固方式存在一定的缺陷：對原建筑物的裝修破壞較大，使建筑的使用面積減少等。隔震技術是在結構底部與基礎面之間設置橡膠隔震墊裝置，使上部結構與固結于地基中的基礎分離，阻隔地震波向上部結構傳播的一種結構抗震技術措施。它具有水平剛度小、豎向剛度大的特點，可以延長結構的水平自振周期，增大地震波與建筑結構的卓越頻率比，減小上部結構的地震反應，使建筑物只在地震作用下產生一定平動，當地震發生時，建筑物在橡膠墊上產生較大位移，整個結構的變形都集中在底部，整個結構處于平動狀態和彈性狀態，以柔克剛，既能隔震，又不影響結構的承載力，減輕地震災害及次生災害。

隔震技術用于既有建筑物的加固可以只在首層和地下進行施工，地上結構可以不做改動，可以避開對原建筑裝修大部分的破壞和減少使用面積等弊端，并同時大幅度提高結構的安全度。下面針對隔震技術在多層磚混結構和多層框架結構抗震加固中的應用實例分別進行分析。

結構平面布置圖

隔震技術在多層框架抗震加固中的應用實例

項目名稱：某中學實驗樓抗震加固工程。

工程概況：本項目為四層框架結構，1999年建造，建筑面積約3040 m2。采用鋼筋混凝土獨立基礎，抗震設防烈度為Ⅷ度，建筑場地類別為Ⅱ類。根據工程抗震鑒定報告，該結構需要進行抗震加固。實驗樓有大量的設備，業主希望在抗震加固中不破壞上部結構，為此我們采用基礎隔震加固技術，下面對原結構和隔震加固結構進行對比分析。

根據抗震鑒定報告，本樓下面三個方面不滿足相關規范要求：

隔震的計算分析

1.抗震設防要求

根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008），此實驗樓屬于重點設防類（乙類）。本工程抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度值為0.20 g。

2.場地條件

本工程設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35s，多遇地震下amax=0.16，罕遇地震下amax=0.90。

3.隔震方案技術可行性分析

（1）結構平面規則，高寬比為0.375，小于4，變形特征接近剪切變形，符合《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010，以下簡稱《抗震規范》）中12.1.3條第1款要求。

（2）建筑場地為Ⅱ類，滿足《抗震規范》12.1.3條第2款要求。

（3）風荷載標準值與結構總重力的比值見下表，無其他非地震作用的水平荷載。風荷載標準值產生的水平力不超過結構總重力的10%，滿足《抗震規范》12.1.3條第3款要求。

風荷載標準值與結構總重力的比值

4.隔震支座平面布置方案

本項目在±0.000標高處增設現澆鋼筋混凝土樓板作為隔震層頂板，隔震支座沿框架柱進行布置，設置在隔震層頂板和基礎之間，隔震支座頂標高均設置在同一標高，具體標高根據隔震層頂板梁高確定。本項目隔震支座平面布置圖見上圖。

隔震支座平面布置圖

5.隔震結構動力分析

采用EtabsV9.7.0作為動力分析軟件，選擇兩條天然波和一條按抗震規范反應譜合成的人工波，取三條波作用下包絡值作為時程分析的代表值。在結構進行多遇和罕遇地震作用下的分析時，地震波的幅值按照Ⅷ度（0.2 g）抗震設防烈度調整到相應的多遇地震和罕遇地震水平，并取三條波作用下包絡值作為時程分析的代表值。多遇地震下的波加速度時程曲線的峰值為70 gal，罕遇地震下的波加速度時程曲線的峰值為400 gal。根據規范要求，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均應超過振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%。

6.計算分析結果

（1）由計算結果可知，采用基礎隔震技術后，層間剪力大大降低，最大層間減震系數小于0.40，可以將上部結構地震影響降低1.0度，設計采用的樓層地震剪力同時要滿足《建筑抗震設計規范》第5.2.5條的最小地震剪力系數的規定。抗震等級降低后構造措施可適當降低。

（2）隔震前后結構周期比較

對非隔震結構和隔震結構進行了動力特性分析，分析取15個振型，振型質量參與系數滿足規范要求。結果見下表。

非隔震結構自振特性 隔震結構自振特性

（3）受壓承載力驗算

本工程隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應力均小于12 MPa。

（4）罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算

隔震支座的最大水平位移，小于0.55倍橡膠支座直徑和3倍橡膠厚度。罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算通過。

（5）隔震支座水平屈服荷載驗算

隔震支座水平屈服荷載驗算目的是保證在風荷載作用下隔震層不屈服，防止產生較大位移影響房屋的適用性。驗算結果表明隔震支座滿足要求。

（6）隔震支座在罕遇地震下的拉應力驗算

在罕遇地震作用下，隔震支座未出

現拉應力。

施工工藝

1.隔震加固施工工藝流程

橡膠隔震支座施工工藝：±0.00頂板框架梁板模板支護→梁板鋼筋綁扎→梁板澆筑混凝土→養護→綁扎并同時澆注上支墩→安裝臨時鋼管液壓支撐→切割隔震墊處框架柱→開始沉降觀測→下支墩鋼筋綁扎，澆注混凝土并同時安裝下預埋板→調整下預埋板的位置并固定→安裝隔震支座、固定→拆除臨時鋼管支撐→橡膠隔震支座的成品保護→隔震溝工程施工→沉降觀測。

2.隔震層橡膠隔震支座施工

隔震層梁、板混凝土完成并達到設計強度后，進行臨時支撐的加固，完成后進行框架柱切割，按照先上后下的施工原則施工。

在進行隔震施工前要先將原框架柱進行編號，并計算出和標出每個編號框架柱的承載力值，依據承載力值進行液壓支撐。

（1）放置支撐預埋板

?在放置隔震支座前，要進行荷載卸荷，每個支撐位置四周放置底板預埋板。

?隔震支座上支墩混凝土鋼筋綁扎前放置隔震支座預埋板，以便預埋板套筒能放入鋼筋籠內，并與鋼筋綁扎牢固。

?放置預埋板前要先測量定位，依據每個框架柱編號以及圖示尺寸重點控制好埋件中心的定位。

第四，結社交游。 結社是清初士僧交往的重要方式，是士僧之間交游唱和的重要載體。 社團是一個群體性組織，可以推進禪學的學習與傳播，激發相似的情感體驗，對于帶有遺民色彩的智樸、宦海漂泊的士大夫來說，確是一個心靈的歸宿。 目前只得兩首相關詩文：

（2）放置鋼管液壓支撐

?鋼管液壓支撐放置前，要核對底埋板與上方混凝土支墩間凈尺寸，依據實際測量尺寸進行下料，鋼管規格為300無縫鋼管，壁厚12 mm。

施工現場照片

?要待柱上支墩混凝土強度達到設計強度后，方可放置臨時支撐鋼管。

依據隔震框架柱平面編號圖進行鋼管支撐，鋼管底埋板放置要保證牢固平穩，鋼管放置前先放置自鎖式液壓千斤頂，依據每個柱子最大承載力值調好數值，并自鎖，設專人進行檢查看護。

同時，依據沉降觀測點進行切割前的觀測，并記錄數值。

（3）切割框架柱

?框架柱切割前要檢查鋼管臨時支撐是否牢固，以及液壓千斤頂數值是否有變化，如有要立即停止切割，報項目技術負責人，由技術負責人及安全員和施工負責人共同檢查具體變化原因，并及時排除隱患，做好記錄。同時做好沉降觀測點布置和測量。

?切割前要依據標高線彈好切割控制水平線，隔震支座高度誤差要在5 mm允許誤差范圍內，不得超出誤差值。

?切割框架柱要嚴格按照平面圖框架柱編號順序進行，采取先單數后雙數的切割順序進行。即先切割編號為①、③、⑤……的框架柱，再進行編號為②、④、⑥……的框架柱的切割，不得同時進行框架柱的切割作業。

?每切割一個要進行觀測測量，如測量值超出允許偏差值，要立即停止作業，通知設計到場進行勘驗。并利用備用自鎖千斤頂進行支撐，穩固后作業人員要撤出施工現場。觀測記錄員要隨時進行沉降觀測，并記錄。

（4）下支墩增大截面

?框架柱切割完成后，對原框架柱下端進行柱增大截面及下支墩的施工，按照鋼筋綁扎和澆筑混凝土要求施工。

?混凝土要及時養護，保證強度達到設計要求。

（5）安裝隔震支座

?支座安裝前放置上下預埋板，預埋板安裝精度；傾斜角1/500以下。

?下預埋板施工：在安裝下預埋板之前，首先在基礎底板上標識出支墩的中心線，在四周墻壁上標識出下預埋板的標高控制線，根據此中心線和標高控制線確定下預埋板的位置，通過在隔震下支墩四角焊鋼筋棍的方式來調整下預埋板的標高、位置及平整度，要求鋼筋棍斷面平齊且焊接后頂面標高相同，以保證下預埋板可以在鋼筋棍上平動，從而確定下預埋板的準確位置。用短鋼筋分別與螺栓套筒和支墩箍筋焊接，將下預埋板固定。其位置通過軸線和中心線確定，水平標高用標高控制線控制。水平度用水準儀和機械水平尺檢測。

（6）鋼管支撐拆除

?隔震支座放置完成后，逐步拆除臨時鋼管液壓支撐，支撐拆除也要采取每隔一組拆除一組的原則進行。

?拆除支撐同時做好隔震支座檢查工作，發現有變化要停止拆除，通知設計及專業廠家到場進行查看，以保證隔震的穩定性。

結論

隔震施工完成后，學校能進行正常的教學活動。經過一段時間的跟蹤觀察（見下圖、下表），各種指標均屬于正常。

某中學實驗樓抗震加固工程沉降監測中間成果表

綜上所述，本工程采用隔震加固技術是可行的。

隔震技術在多層磚混抗震加固中的應用實例

項目名稱：某中學科技樓抗震加固工程。

工程概況：本項目為某中學科技樓，于1995年設計建造，地上五層（局部六層）磚混結構。結構采用鋼筋混凝土條形基礎，抗震設防烈度為Ⅷ度，建筑場地類別為Ⅱ類。根據工程抗震鑒定報告，該結構需要進行抗震加固，為提高結構抗震性能，該項目結構采用基礎隔震加固技術。

結構平面布置圖

根據該工程抗震鑒定報告，此科技樓如下方面不滿足相關規范要求。

隔震的計算分析

1.場地條件

根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008），此實驗樓屬于重點設防類（乙類）。本工程抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度值為0.20 g。

本工程設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，多遇地震下amax=0.16，罕遇地震下amax=0.90。

2.隔震方案技術可行性分析

（1）結構平面規則，高寬比小于4，變形特征接近剪切變形，符合《抗震規范》12.1.3條第1款要求。

（2）建筑場地為Ⅱ類，滿足《抗震規范》12.1.3條第2款要求。

（3）風荷載標準值產生的水平力不超過結構總重力的10%，滿足《抗震規范》12.1.3條第3款要求。

3.隔震分析

根據《抗震規范》第5.1.2條的規定，本報告選擇了兩條天然波和一條按抗震規范反應譜合成的人工波，取三條波作用下包絡值作為時程分析的代表值。

在結構進行多遇和罕遇地震作用下的分析時，地震波的幅值按照Ⅷ度（0.2 g）抗震設防烈度調整到相應的多遇地震和罕遇地震水平，并取三條波作用下包絡值作為時程分析的代表值。

多遇地震下加速度時程曲線的峰值為70 gal，罕遇地震下加速度時程曲線的峰值為400 gal。

根據規范要求，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均應超過振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%。

4.分析結果

（1）采用基礎隔震技術后，層間剪力大大降低，最大層間減震系數小于0.40，可以將上部結構地震響應降低1度，設計采用的樓層地震剪力同時要滿足《建筑抗震設計規范》第5.2.5條的最小地震剪力系數的規定。

（2）受壓承載力驗算

本工程隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應力均小于12MPa。

（3）罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算

隔震支座的最大水平位移，小于0.55倍橡膠支座直徑和3倍橡膠厚度。罕遇地震下隔震支座最大水平位移驗算通過。

（4）隔震支座水平屈服荷載驗算

隔震支座水平屈服荷載驗算目的是保證隔震層在風荷載作用下隔震層不屈服，防止產生較大位移影響房屋的適用性。經驗算隔震支座滿足要求。

（5）隔震支座在罕遇地震下的拉應力驗算

在罕遇地震作用下，隔震支座未出

現拉應力。

施工工藝

施工流程

（1）拆除±0.000混凝土地面，并開挖至-1.700 m標高處（下托換梁范圍挖至基礎頂面）；

（2）開鑿上、下托換梁銷鍵洞口并澆筑混凝土，隨后綁扎上下托換梁及±0.000處樓板鋼筋并澆筑混凝土；

（3）拆除隔震支座支墩處的墻體，隨即澆注隔震支墩，從拆除隔震支墩處墻體至支墩混凝土達到設計強度的時間應盡量縮短；

（4）支墩混凝土達到強度后，安裝調試橡膠隔震支座；

施工現場照片

（5）剔除上、下托梁間的墻體，留出隔震縫，隔震縫的縫高要求大于一皮磚；

（6）參考03SG610-1圖集對穿越±0.000樓板的地下管線及防雷引下線等進行改造；完成首層的裝修。

結論

隔震施工完成后，學校能進行正常的教學活動。經過一段時間的跟蹤觀察，各種指標均屬于正常。

通過以上兩個項目，我們不難看出隔震技術在既有建筑加固中是可行的方案之一。對一些要求不能破壞其上層建筑裝飾部分或者有大型設備不能移動，不能減少其使用面積的特殊建筑物的加固，隔震技術表現得更為突出。