既有建筑外加子結構加固技術與工程應用

尹保江

既有建筑的現狀及傳統抗震加固方法存在的問題

歷次震害表明，建筑的損傷破壞是造成人員傷亡和財產損失的主要原因，而既有建筑的抗震加固是減輕災害損失的有效手段。新中國成立后建成的建筑陸續達到或接近設計使用年限50年，且原有建筑未抗震設防或抗震設防水平較低，需要進行抗震加固；2008年“5·12”汶川地震后，醫院和中小學校等建筑的抗震設防類別提高；新一代《中國地震動參數區劃圖》頒布后，不少地區的抗震設防參數進行了調整。這些因素都造成了我國數量巨大的既有建筑需要進行抗震加固。

中小學因其特殊性，可以利用寒暑假時間完成抗震加固工作；而醫院等公共建筑作為公共服務的載體，其使用功能不允許中斷，決策者無法面對停業造成的社會影響和經濟損失，使得加固進程受阻。

另一方面傳統的抗震加固方法雖然能有效地減輕地震災害，但是存在著周轉安置、建筑功能中斷、內部裝修和貴重設備保護及再安裝、環境污染、投資大、濕作業多、工期長等問題，即使采取隔震加固方案，也存在著建筑構造措施和設備連接改造（包括基礎隔震層土方開挖和樓電梯、上下水等設備管線改造）、影響使用的問題，因此既有建筑的抗震加固與施工期間的使用功能延續存在較大的矛盾。

公共建筑外加子結構抗震加固方法的提出

鑒于傳統抗震加固方法拆改工作量大、造價高、周期長、建筑使用功能中斷等局限性，基于建筑承受的水平地震作用按不同抗側力構件剛度分配的原則，分析國內外抗震加固的現狀，提出在公共建筑外部附加剛度較大的子結構，通過可靠的措施，使子結構與主體結構連成整體，與主體結構共同抵抗地震作用。

這種加固方法的工作原理是地震來臨時，剛度較大的子結構作為第一道抗震防線，分擔大部分的地震作用，同時由于外加子結構不承擔結構豎向荷載，因而地震時允許發生較大的損傷，地震后可進行快速更換； 而主體結構承擔豎向荷載和部分地震作用，在保證受力和變形符合規范要求的情況下，抗震加固的工作量大幅度減少，甚至可以不加固。這樣就避免了建筑內外裝修和設備設施的拆改與恢復，大大縮短工期，降低工程造價，減少建筑垃圾的產生和環境的污染，是一種低成本、低影響、綠色、環保的抗震加固技術。同時，結合既有建筑的現狀分析，合理地設置外加子結構，可以減少既有建筑的上下層剛度突變、平面扭轉等不利影響，是一種綜合效益顯著的改變結構體系的抗震加固新技術。外加子結構種類較多，包括搖擺墻、外加鋼支撐、格構墻等。本文選取施工快捷高效并易于震后更換的外加帶框鋼支撐（圖1）進行介紹。

公共建筑外加子結構抗震加固方法的試驗研究與理論分析

（一）模型設計

基于上述原理分析，按照74版《建筑抗震設計規范》設計了一棟五層鋼筋混凝土框架結構（平面如圖2所示），選取框架柱截面變化的上下相鄰兩層中的框架為研究對象，按照1:2比例制作3榀框架模型，混凝土強度等級為C20，箍筋間距為200mm，梁柱節點內未設置箍筋，以模擬老舊框架柱箍筋間距較大的情況；加固使用的鋼框梁柱和支撐為HW150×150×7×10型鋼，鋼梁、鋼柱與支撐之間均采用剖口焊接連接，焊縫等級為二級，型鋼設計強度等級為Q345，并在斜撐中部腹板和翼緣處以切割的方式進行局部削弱。

圖1 外加子結構加固示例

圖2 原型標準層結構平面布置圖

試驗模型分為三種，用于模擬地震加載試驗和數值計算，其中，模型一為未進行任何加固的鋼筋混凝土框架對比模型；模型二和模型三是對模型一的鋼筋混凝土框架附加了帶框鋼支撐子結構的加固模型，二者的區別在于附加鋼框架與混凝土框架的連接方式不同。模型二外加子結構的梁、柱與鋼筋混凝土框架梁、柱之間均采用一定間距的栓釘錨固并澆筑混凝土的強連接模式，而模型三采用弱連接模式，即外加鋼框梁與原有鋼筋混凝土梁之間僅采用高強螺栓連接，且外框柱僅在底部與鋼筋混凝土基礎有連接（模型如圖3、圖4所示）。

（二）模型的試驗研究與理論分析

試驗在中國建筑科學研究院大型結構試驗室完成。

理論分析采用ANSYS10對試驗模型進行模擬分析。

1.模型一試驗結果與有限元分析

通過模擬地震作用的低周反復荷載試驗模型一最終破壞形態如圖5（a）所示，破壞形式為框架一層梁柱節點剪切破壞，從損傷分布上來看，裂縫主要集中在一層，二層裂縫較少；梁柱節點區域與框架柱裂縫較多，框架梁裂縫較少，這是由于框架結構梁柱節點區域未設置箍筋，導致該部位發生塑性損傷集中。

有限元模擬分析的應力圖如圖5（b）所示，與模型試驗現象基本吻合。

2.模型二試驗結果與有限元分析

模型二最終破壞形態如圖6（a）所示，與模型一相比，模型二的破壞不再集中于一層梁柱節點，而是集中在框架柱底部，這是由于外加帶框鋼支撐剛度較大，限制了框架的層間變形，弱化了原有構造缺陷的不利影響；而框架柱根部集中損傷，主要是因為鋼支撐吸收的地震作用較大，大震時鋼支撐底部錨栓發生黏結滑移，導致鋼支撐逐步退出工作，相連的框架柱內力增大，并發生彎曲扭轉破壞。

有限元模擬分析的應力圖如圖6（b）所示，與模型試驗現象基本吻合。

3.模型三試驗結果與有限元分析

圖3 模型一

圖4 模型二

圖5 模型一試驗損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

圖6 模型二試驗損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

模型三最終破壞形態如圖7（a）所示，與上述模型相比，模型三的破壞分布相對均勻，一方面是由于外加帶框鋼支撐剛度較大，弱化了原有構造缺陷的不利影響；另一方面是針對模型二的損傷情況，對構造措施進行了改進，將兩根斜撐之間留有適當間距，其中的梁段作為耗能梁段，從而減輕了支撐底部錨栓的粘結失效，保證鋼支撐能持續發揮作用。

有限元模擬分析的應力圖如圖7（b）所示，與模型試驗現象基本吻合。

4.模型加固前后的對比分析

三個模型的力-變形曲線如圖8所示。通過對比試驗和有限元分析結果可得出如下結論：

1）強連接加固模型二和弱連接加固模型三抗震承載力提高系數分別為3.62倍和2.66倍，耗能能力提高一倍，損傷分布更加均勻，證明了這兩種外加子結構加固方式的可靠性和有效性。

2）強弱兩種連接構造方法均能很好地保證原結構與子結構之間可靠連接，實現二者在地震作用下的協同工作。盡管弱連接模式承載力提高幅度略低于強連接模式，但其加固模型承載力衰減緩慢，延性非常好，主體結構損傷較小，且施工快捷，更適于醫院等公共建筑的抗震加固。

3）對于既有老舊框架結構中梁端柱端和節點箍筋間距較大的情況，外部附加帶框鋼支撐提高了結構的剛度，限制了層間位移，減少了節點集中損傷情況，因此可以不必按照構造措施要求逐個加固梁柱節點，大大減少了加固工作量，提高了結構的整體抗震性能，從而保證了外部加固方法的可行性。

4）有限元模擬分析時，假定鋼支撐底部為固定端，但由于鋼支撐剛度較大，鋼支撐基礎錨固部位出現應力集中現象，導致試驗中發現水平加載較大階段基礎梁出現反拱、開裂情況和支撐底部錨固鋼筋發生滑移、基礎混凝土壓碎，因此后續工作應加強相關節點連接和基礎錨固的研究。

工程應用

該技術已經應用于北京中醫醫院師承樓、北京市西城區殘疾人職業康復中心和中國駐新西蘭大使館等工程的抗震加固中，本文以北京中醫醫院師承樓抗震加固工程為例，介紹外加子結構在抗震加固工程中的應用。

圖7 模型三試驗損傷情況及滯回曲線、有限元模擬分析

圖8 三個模型骨架曲線對比

（一）工程概況

該工程最初為地上二層、地下一層的磚混結構。曾經過改造，作為餐廳使用，原有地上磚混結構拆除后改為二層鋼筋混凝土框架結構，框架柱延伸至基礎；在屋頂增加一層鋼框架結構，并向西擴建二層鋼筋混凝土單跨框架結構，擴建部分基礎為柱下獨立基礎，平面擴建部分與原有結構之間設有變形縫。各層平面如圖9所示。

圖9 一、二層結構平面圖

圖10 示范應用—北京中醫醫院師承樓

根據使用功能需要，該建筑擬改造為醫院專家門診樓使用。根據《建筑抗震設防分類標準》（GB 50223—2008）規定，醫院建筑的抗震類別為重點設防類，因此出現了因使用功能改變導致的抗震設防類別提高的問題。同時，《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016年版）將工程所在地的地震分組調整為第二組，場地特征周期延長。按照有關規定，該建筑在改造設計前需要進行抗震鑒定。

（二）存在的問題

通過對該建筑的檢測、鑒定，發現該建筑主要存在如下問題：

1.由于本工程一、二層為鋼筋混凝土框架結構，三層為鋼框架，上下層之間存在剛度突變，且阻尼比有差異，屬于超規范建筑。

2.變形縫西側部分（圖9中4-5軸）為單跨框架，抗震規范嚴禁用于重點設防類建筑。

3.為了減少鑒定工作量，并使鑒定工作與加固改造設計銜接，因此結構抗震承載力驗算按照三層鋼筋混凝土框架結構進行，同時西段的單跨框架結構按照東西段連成整體考慮。通過計算，樓層側向剛度較小，層間位移角最大為1/468，超過規范限值1/550。

4.結構扭轉效應明顯，且部分框架梁柱承載力不滿足要求。

（三）加固方案

1.首先解決結構體系混亂的問題。將三層鋼框架柱改為型鋼混凝土柱，并將單跨框架部分與相鄰結構連接成整體，以解決單跨框架問題及其與相鄰結構碰撞的問題。

2.在此基礎上，根據整體結構的計算結果，在建筑周邊設置三道帶框鋼支撐，結合樓電梯間的加固（設置剪力墻），解決層間變形過大、結構平面扭轉、框架承載力不足和樓梯對主體結構不利影響等問題，主體結構的抗震性能滿足鑒定標準要求。加固后結構平面和立面見圖10。

外加子結構抗震加固方法具有不影響建筑功能使用、無須內部周轉安置以及無須破壞內部裝飾等優勢，縮短了周期，節約了成本，并且施工工藝簡單，受到業主與施工單位好評。

結論

理論研究和實踐結果表明，采用外加帶框鋼支撐加固既有鋼筋混凝土框架結構，可以大幅度提高框架結構的抗震承載力和剛度，改善結構的變形能力，而且外部附加鋼支撐不承擔豎向荷載，自重較輕，基礎加固工作量較小；施工連接方便，相對于傳統抗震加固方式，綜合效益明顯，該技術應用于既有公共建筑抗震加固的前景非常廣闊。