既有結構外套加固技術的發展及抗震研究綜述

安宇塵 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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既有結構外套加固技術的發展及抗震研究綜述

安宇塵 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡要介紹了既有結構外套加固技術的概念及種類，從砌體結構、框架結構、剪力墻結構三方面，分析了外套加固后結構的抗震性能，并針對外套加固技術中存在的問題，提出了外套加固技術的改進建議及發展趨勢。

外套加固技術，砌體結構，框架結構，剪力墻結構，抗震性能

0 引言

近幾年，地震頻繁襲擊我國各大地區，很多震損建筑需及時采取加固修復措施。同時，有些早期建筑已經接近或超過使用壽命期限，也需要進行抗震性能鑒定和必要的加固。為了提高需要加固的既有建筑承載力，已經有了很多類加固方法，如：使用鋼絞線和砂漿加固梁柱，內部增設抗震墻和利用鋼板或碳纖維增強聚合物加強柱等。這些加固方案大多是對受損構件的加固，需要合適的工作空間和時間，另外，既有結構構件較多時，在內部加固構件還會帶來工程量大、周期長和費用高等問題。所以，既不影響正常工作，又要降低加固的時間和資金成為現階段加固的一個研究目標。而外套加固技術就是一個很好的選擇，它突破了原先只對既有建筑構件進行加固的思維局限，解決了內部加固方法造成的很多實際問題，給加固方案的確定提供了更多的選擇，因此外套加固技術備受推崇，應用范圍廣，相應的抗震研究較熱。

1 外套加固技術的介紹

外套加固技術是指在需要加固的既有建筑外部增加構件，形成外套加固結構。增加構件可以是墻、柱、梁或支撐等，用于分擔結構所受地震作用力進而達到減小既有結構地震反應的加固目標，也可以是不同類別的阻尼器，用以吸收地震能量，減少對既有結構的損害。外套加固技術種類很多，從加固結構是否與既有結構共同受力來劃分，可以分為分離式方案和整體式方案，具體分類見表1。

表1 外套加固技術的分類[1-3]

2 外套加固后結構的抗震性能研究

2.1 砌體結構外套加固的抗震性能

地震對房屋建筑造成的嚴重破壞已經引起社會的極大關注，經過實地調研發現，破壞嚴重的多是砌體結構，如何加固既有砌體結構，提高其抗震能力成為研究熱點。

1)王曙光等人[4]針對老舊砌體房屋抗震加固問題，提出了采用頂層增設預制鋼筋混凝土墻板和隔震支座進行加固的方案，建立了比例為1/4的初始砌體結構和不同加固方法加固后的結構縮尺模型。通過有限元模擬仿真和振動臺實驗，分析結構在多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震作用下的結構動力響應和非線性損傷，并得出結論：經外套加固后結構的自振周期變長，阻尼比得到提高，抗震性能增強。

2)萬金國等人[5]以北京市朝陽區農光17號砌體結構住宅樓的加固為工程背景，采用在建筑外側縱墻和橫墻增設鋼筋混凝土板墻及在建筑外側樓層標高處設置預制鋼筋混凝土板的加固方法。使用FECIS軟件進行整體計算，模擬出加固時外套結構的配筋計算和加固后原結構內墻抗剪和抗壓承載力的驗算，同時使用有限元計算軟件PLAXIS 3D Foundation進行沉降分析，結果顯示滿足新老結構的沉降差異。

2.2 框架結構外套加固的抗震性能

現階段，框架結構在所有已建結構體系中占大多數，在震損地區成為加固的主要對象。使用哪些外套加固技術加固框架結構使其恢復或提高原有抗震能力成為研究者關注的問題。

1)郭子雄等人[6]以4層中小學教學樓框架結構為原型，采用外加剪力墻的方法，通過使用有限元軟件SAP2000建立結構模型，進行小震作用下結構整體性能分析。分析結果顯示，由于剪力墻有較大抗側剛度，可以分配較大的地震力，降低了既有框架結構的地震力，從而起到了加固的作用。同時，對加固前后位移角對比后發現，剪力墻的加設使結構各層的變形趨于均勻化，減小了樓層變形集中，能夠控制結構變形模式，為研究剪力墻對地震時結構彈塑性變化的影響奠定了基礎。

2)張鵬程等人[7]以廈門市一所框架結構中學教學樓為研究對象，分別采用橫向增設X字形支撐，縱向增設人字形支撐和增設翼墻兩種加固方案，使用PKPM系列軟件中的SATWE進行模擬驗算。加固后原結構梁柱配筋滿足要求，增設的支撐使前三階周期大幅縮短，對結構變形有明顯的控制作用，各層層間位移都減小，且頂部位移減少了60%。通過Pushover分析可以發現，支撐加固后的結構剛度增大明顯，塑性鉸出現延遲，抗震能力得到明顯提高。

2.3 剪力墻結構外套加固的抗震性能

地震后做過的許多調查發現，受損最輕的結構體系是剪力墻結構，但在智利8.8級地震后，剪力墻結構也出現了較大的損傷，需要維修加固。使用外套技術加固剪力墻結構成為了研究者一個新的熱點問題。

許國山等人[8]以北京前三門地區一幢20世紀70年代建成的14層剪力墻結構為研究原型，制作縮尺比例為1/6的模型，采取外套加固措施，在原建筑縱向外側增加約束結構，在頂部增設兩層鋼框架結構，并在新舊結構間設置橡膠鉛芯隔震支座。對加固前后結構進行振動臺試驗，選取EL Centro波、Taft波及人工波作為輸入地震波，選取加速度、位移、混凝土應變等參量進行測定。結果表明，增層隔震加固后的結構剛度增大，二階周期變長，結構地震響應變小，原結構和外加結構變形協調，整體結構在8度罕遇地震下未發生破壞。

3 存在問題

1)在砌體結構改造過程中，容易出現由新增結構導致的地基不均勻沉降，繼而引發原砌體墻的開裂，現在多采用有限元分析軟件進行模擬分析，缺乏更可靠的實驗數據支撐分析計算。

2)整體式加固方案中多采用短梁連接新舊結構,這種通過短梁連接的方法存在縱向抗側剛度較弱、易扭轉、剛度突變等問題,在地震時屬于薄弱部分，早先破壞，加固結構和既有結構分離，加固結構就失去了減輕既有結構地震作用的保護功能。

3)實際工程加固質量參差不齊，外套式加固后的結構抗震水平不能得到確保，為指導外套加固工程設計和施工，北京出臺了指導性文件，并通過了專家評審，但全國還缺少權威的規范準則。

4 建議與研究趨勢

1)新舊結構的連接是實現設計預期目標的基礎。加固設計時，不僅要確保整體的抗震性能，也要保證研究新舊結構連接的可靠性，如采用鋼拉桿、長錨桿或圈梁。連接問題可以借鑒節點研究的思路和方法來解決，模型和計算方法可以在節點研究的成果上加以修改套用，并經實驗驗證后推廣應用。

2)目前外套加固技術仍需解決兩方面的問題：一方面是數值分析技術的精確性和計算效率，能夠對新舊結構試驗中的數值分析部分實現準確、快速的模擬分析，另一方面是試驗加載設備的大型化、復雜化，確保大尺寸模型及復雜邊界加載條件的實現。

3)當震損建筑破壞程度較大時，只采取外套加固顯然會造成新舊結構的抗震性能差異過大，會導致既有結構先發生倒塌。此時，需要綜合采用加固構件和外套結構兩種方法，實現加固方案最優化。

[1] 張 鑫，李安起，趙考重.建筑結構鑒定與加固改造技術的發展[J].工程力學，2011,28(1):1-18.

[2] 于敬海，韓寧寧.外套增層結構體系抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造,2010,32(1):25-29.

[3] 曲 哲，張令心.日本鋼筋混凝土結構抗震加固技術現狀與發展趨勢[J].地震工程與工程振動,2013,33(4):61-74.

[4] 王曙光，苗啟松，劉金龍.砌體結構外套預制鋼筋混凝土墻板加固及隔震加層振動臺試驗研究[J].建筑結構學報，2012,33(11):99-106.

[5] 萬金國，陳 晗，李文峰.砌體結構外套加固設計方法及試點工程[J].建筑結構學報，2013,43(18):92-95.

[6] 王 偉，郭子雄，林樹枝.采用剪力墻體外加固中小學校框架結構抗震性能研究[J].土木工程與管理學報,2011,28(3):60-64.

[7] 張鵬程，袁興仁.框架結構增設支撐與翼墻抗震加固方案對比[J].土木工程學報，2010,43(sup)：442-446.

[8] 許國山，林 琦，苗啟松.既有結構外套增層隔震加固振動臺試驗研究[J].土木工程學報，2014,47(3):19-25.

Outer of existing structures to reinforce the development of technology and seismic research review

An Yuchen Jia Jie*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

The paper introduces the concept and types of the outer consolidation technique in existing structures, analyzes the seismic performance of the outer structure after the consolidation from the masonry structure, framework structure, and shearing walls, and points out some improvement suggestions of the outer consolidation technique and its development according to its problems.

outer consolidation technique, masonry structure, framework structure, shearing wall structure, seismic performance

1009-6825(2016)18-0040-02

2016-04-17

安宇塵(1995- )，女，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU318

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