首都圈大型公共建筑抗震加固改造工程實踐與回顧

程紹革

工程背景簡介

1998年開始，國家計委正式啟動“首都圈防震減災示范區”重點國家項目。示范區包括北京、天津、河北部分城市，是我國政治、經濟、文化中心，人口稠密，經濟發達，同時又是我國東部地震活動較為頻繁、地震災害較為嚴重的地區，地震形勢十分嚴峻。據調查，首都圈內中央機關所屬行政、事業單位用房約600萬平方米需要加固。其中，對北京地區的大型公共建筑撥出?？钸M行抗震鑒定、加固和改造。為配合實施該重點項目，國家計委和建設部還撥專款購置檢測儀器設備、建設大型抗震試驗室，開展相關的試驗研究和技術開發工作。與此同時，《建筑抗震加固技術規程》（JGJ 116—98）也于1999年3月1日正式實施，與《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023—95）成為首都圈抗震鑒定與加固改造的技術支撐。

作為首都圈防震減災示范區的地標建筑，如：北京火車站、中國革命歷史博物館、北京飯店、全國農業展覽館、北京展覽館、國家圖書館、中國美術館等20世紀五六十年代或更早期建造的大型公共建筑，具有重要紀念意義而且仍在使用，其所容納的人流密集、財產貴重。但這些建筑均未經抗震設防或達不到北京地區8度抗震設防的要求，而且多數達到設計使用年限，結構老化，一旦發生地震，將產生嚴重后果。此外，這些老建筑的使用功能相對落后，已經不能滿足現代建筑功能要求。某些學校建筑，如：北京大學、北京航空航天大學、北京師范大學、北京化工大學的教學樓和宿舍等人員集中場所；以及醫院建筑，如：中國醫學科學院、協和醫院、北京醫學院附屬醫院, 還有市政道路橋梁等對災后緊急救援起關鍵作用的建筑和設施，也存在同樣的問題。為此，由國家建設部統一安排，將它們列入首都圈防震減災示范區的重點項目，給予一定財政支持。

抗震加固技術應用

（一）建筑抗震加固技術的發展

我國的建筑抗震加固起源于邢臺地震，1966年3月8日邢臺地震后當地農村一些簡易民房對前后墻采用簡單的鋼絲繩進行了拉結處理，這些房屋在后來3月22日發生的地震中未遭到嚴重破壞，由此我國開始了現有房屋的抗震鑒定與加固工作。

唐山地震后，我國開展了大規模的抗震加固技術研究與工程實踐，這也是我國第一次有組織有計劃地開展抗震加固技術的研發和工程實踐，這一時期的成果標志著我國的抗震鑒定與加固技術進入了世界先進行列。從1977年至1981年，國家、地方、部門和企業共投資12億元，加固了6300萬平方米的房屋，至1988年共完成了兩億多平方米建筑物的加固任務。首都圈大型公共建筑的抗震加固主要采用的是這一時期研發的抗震加固技術（傳統加固技術），對一些特殊項目采用了國家“八五”攻關項目研發的技術，同時也引進了國外的先進加固技術。

（二）傳統抗震加固技術

1.砌體類房屋

砌體類房屋的加固常采用外加圈梁、構造柱、鋼拉桿、夾板墻的技術手段，號稱四大法寶。

（1）外加圈梁、構造柱加固技術

這是加強砌體類房屋整體性的一種加固方式，通過在房屋外圍增設鋼筋混凝土圈梁和構造柱（圖1），內圈梁用鋼拉桿代替（圖2），從而起到對房屋的約束作用，阻止地震時墻體裂縫的延伸，防止地震時房屋的倒塌。

（2）夾板墻加固技術

這是提高砌體房屋墻體抗震承載力的一種加固方式。夾板墻按其面層材料可分為純水泥砂漿、鋼筋網水泥砂漿（圖3）、鋼筋混凝土板墻三種方式，按面層數量可分為單面加固和雙面加固兩種方式，按施工工藝可分為手工抹面和機械噴射兩種方式（圖4）。

圖1 外加圈梁、構造柱加固

圖2 代替內圈梁的鋼拉桿

面層內配有鋼筋網片時，對于單面加固鋼筋網片采用結構膠將網片固定在墻體，雙面加固時可采用對穿鋼筋將墻體兩側網片拉結固定。

2.鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土框架結構常采用的加固方法有增設抗震墻或翼墻、加大截面、外包鋼構套等方法加固。

（1）增設抗震墻或翼墻

通過增設抗震墻或翼墻改變了結構體系，新增的抗震墻承擔主要的地震力，同時提高結構的抗側剛度減小了地震作用下的結構變形，使得原框架梁、柱及節點核心區的加固工作量大大減小。增設抗震墻一般用于結構的橫向加固，增設翼墻則主要用于結構的縱向加固。

（2）加大截面法與外包鋼構套法

這是提高構件抗震承載力及構造措施的加固方法。通過對框架梁、柱增大截面，并配以所需的鋼筋，可明顯提高構件的承載力和延性性能，但加大截面法會提高結構的剛度，結構所承受的地震作用也會增大。外包鋼構套就是用角鋼外包于構件四角，角鋼間用扁鋼焊接形成鋼構套的方法，這種方法可使原構件截面基本不變或變化不大，對結構剛度的提高程度有限，但需要進行防火處理。

圖3 面層內鋼筋網片鋪設

圖4 噴射鋼筋混凝土面層

圖5 北京火車站外景

（三）抗震加固新技術

首都圈大型公共建筑抗震加固中采用了多項新技術，如鋼鉸線-聚合物砂漿、粘貼碳纖維布、消能減震加固技術。

（1）鋼鉸線-聚合物砂漿加固

該加固方法類似于砌體結構中的面層加固法，但同樣可用于鋼筋混凝土構件的加固。鋼鉸線具有很高的抗拉強度，聚合物砂漿具有很強的滲透性和粘結力，因此加固后構件的截面變化不大，且防火性能也較好，在工程中得到了廣泛的應用。

（2）粘貼碳纖維布加固

碳纖維材料的抗拉強度是普通鋼材的10倍，彈性模量是鋼材的數倍，利用高性能結構膠將碳纖維布粘貼在構件表面，從而達到加固補強及改善抗震性能。粘貼碳纖維布很薄，因此加固的構件截面不會增大，且加固施工工藝簡便。

（3）消能減震加固

該技術就是在結構內布置一定數量的阻尼器，當遭遇地震時通過增加結構的阻尼以減小地震作用，遭遇強烈地震消能裝置率先進入彈塑性狀態以耗散地震能量，從而使主體結構免遭破壞。

若干加固工程案例介紹

（一）北京火車站大修改造工程

1.工程概況

北京火車站是首都的重要門戶之一，建筑總面積4.8萬平方米，根據使用功能的要求分為19個候車大廳、電影廳、游藝廳等，中央大廳采用大型預應力鋼筋混凝土雙曲扁殼，結構輕巧、造型開朗優美，站后有入站高架天橋，北京火車站外景如圖5所示。

北京火車站大樓為鋼筋混凝土框架結構，原設計按蘇聯抗震規范規定進行了七度抗震設防，大樓于1959年竣工，列為當時的首都十大建筑之一。隨著我國經濟的迅速發展，車站客流量較原設計成倍增加，大樓超負荷運轉，加速了建筑、結構和設備的損壞，76年唐山地震也影響了大樓的安全性與耐久性，因此有必要對其進行抗震鑒定與加固，結合抗震加固進行了建筑內外裝修、設備更新。

2.主要加固技術

（1）改變結構體系

采用增設抗震墻將原框架結構改為框架-抗震墻結構，北京站的大多數區段采用這種加固技術。新增抗震墻設置在各區段的四角，對稱布置，這些部位原有圍護墻或隔墻，因此基本上不會影響建筑內部的原有功能。新增剪力墻根據結構的整體分析計算確定，通過調整剪力墻的長度、厚度以及剪力墻上門窗洞口位置、大小，控制結構的變形和扭轉效應。

（2）消能減震加固

一區中央大廳如采用增設抗震墻加固，經分析結構的變形偏大，地震時易與相鄰區段發生碰撞，且仍有部分框架柱需進行加固，將會影響車站的正常運營，為此采用了消能減震加固技術。消能裝置主要設置在原有框架填充墻部位，可利用建筑裝修及大型廣告牌予以遮擋，北側消能支撐設于窗內，不影響外立面，大廳內采光也不受影響（圖6）。

（3）外包鋼構套加固

北京火車站高架候車廊跨越多條鐵路，是旅客進入各站臺的通道，因地基不均勻沉降已發生拱圈開裂現象，地震變形驗算表明大震將全部倒塌，致使鐵路運營中斷。該區的加固施工絕對不能影響列車正常進出車站，因此不可能增設任何構件進行加固，只能采用外包鋼加固技術。高架候車廊采用外包鋼加固時，不僅解決了承載力不足問題，同時也加強了柱的箍筋構造，尤其是梁柱節點區。

（4）樹根樁加固技術

圖6 北側支撐立面效果

北京站地區的地基狀況普遍軟弱，新增剪力墻自重較大，并且還承受較大的地震力，需進行基礎處理。原框架柱為單獨基礎（埋深達6米），新加基礎若采用墻下擴大基礎則需與原基礎同深，不僅工程量大、工期長，且難以避免基礎間的不均勻沉降，影響車站的正常運營。為克服上述缺點，新加剪力墻基礎采用了樹根樁加固技術，樁直徑為0.15米，樁長為12.7米，樁底深入卵石層0.5米。施工時采用鋼管套筒鉆孔灌注樁工藝，鉆機施工高度僅需3米，不需基礎挖深在室內地面即可成孔，工程量小施工快，保證客運正常進行。此外高架候車廊南端基礎有嚴重的不均勻沉降，導致上部主體結構開裂，雖多次進行過處理未見明顯效果，本次抗震加固中采用樹根樁技術進行加固后未再繼續沉降。

（二）中國革命歷史博物館抗震加固

1.工程概況

中國革命歷史博物館（現國家博物館），位于天安門廣場東側，珍藏著大量的歷史文物和革命文物，其中眾多的孤品、國寶是中國人民和世界人民的珍貴歷史文化遺產。該館建于五十年代，是北京著名的十大建筑之一，現已成為具有歷史意義、紀念意義的標志性建筑（圖7）。整個大樓共由23個區組成，原設計采用了鋼筋混凝土框架結構，各區段之間設置了100mm寬的變形縫，這些縫寬均不能滿足國家現行抗震規范關于最小防震縫寬度規定的要求，1976年唐山地震時，就發生過碰撞，引起了博物館領導及其主管部門各方面的關注。為確保館藏珍貴文物的安全，1998年8月底由建設部、文化部、北京市抗震辦公室召開會議，決定盡快實施該館抗震鑒定加固工作。

2.主要加固技術

（1）改變結構體系

部分區段采用增設抗震墻與翼墻進行加固，新增抗震墻沿結構橫向布置，翼墻沿結構縱向布置，與原框架柱連為一體形成壁式框架。同時采取卸荷方式將原厚重粘土磚分隔墻換成輕質隔墻，通過減輕結構自重減少地震作用。

（2）取消變形縫

部分區段若采用每個區獨立加固，則既要影響使用功能，又大大增加了投資?？紤]到博物館使用了近四十年，基礎沉降已趨于穩定，因此可將原沉降縫取消，增設剪力墻將兩側結構連成一體，以達到整體加固的效果。

（3）消能減震加固

大型展館沿長向外墻開大窗戶，沿短向除兩端有墻外，其余無墻，針對這種情況，設計中沿結構長向增設翼墻，使之成為壁式框架，沿短向在兩端增設抗震墻，并在1/3長度位置處設置門式剛架型消能支撐（圖8），既保證了結構安全，又滿足了展館的使用功能。

圖7 國家博物館外景

圖8 門式剛架型消能裝置

（4）其他加固技術

禮堂中央大廳跨度18m，大梁縱筋及箍筋不足，多處出現彎曲與剪切裂縫，采用碳纖維布進行加固，其他結構梁、板裂縫處理根據現場實際情況分別采取鋼筋除銹灌縫、增做疊合層及粘貼碳纖維等措施進行補強處理。

（三）國家圖書館分館抗震加固

1.工程概況

國家圖書館分館一號樓位于北京市西城區文津街北海公園西側，與中南海北門相望，整個建筑平面呈“王”字形，南部的“工”字形始建于1929年，為仿古建筑的鋼筋混凝土框架結構房屋，總層數為一至三層。是當時國內規模最大、最先進的圖書館——京師圖書館，屬國家級文物保護單位。50年代按照原建筑風格在北側進行了擴建，擴建部分為四層。建筑平面的“王”字形的三“橫”部分從南向北依次分為前樓、中樓和后樓，前樓地面以上為閱覽室，中樓和后樓原為書庫，整個建筑東西向總寬度約為80m，南北向總長約為104m，前樓屋脊處距地面最大高度為19.68m，總建筑面積約為11000m2。

圖9 加固改造的國圖分館

2.加固難點及采用的技術

（1）框架柱加固

因該工程為仿古建筑，結構層外面需按古建筑的工藝要求處理，以達到木結構柱的效果。采用增大截面法加固后的柱截面尺寸不能增加很多，否則古建工藝無法處理，梁柱節點處的古建效果將被破壞。在鑒定檢測階段，發現原結構柱的縱筋混凝土保護層較大，一般在50mm左右，考慮到這一因素，沒有在剔除抹灰后設混凝土圍套，而是在剔除主筋的混凝土保護層后設混凝土圍套，這樣可將對柱外形的影響降至最小。在施工過程中，與施工單位密切合作，采取可靠的支護措施保證施工的安全。

（2）須彌座保護

首層邊部和角部框架柱下外部墻體設有漢白玉的須彌座，這些須彌座做工考究，加固時若將縱向鋼筋伸至基礎，需將須彌座拆除，待框架柱加固完成后再安裝恢復，這樣既容易造成石材的損壞，增加工期和成本，又不易保持原狀，經過周密研究后，采用在首層框架柱之間的窗下墻室內設置現澆鋼筋混凝土剪力墻，須彌座頂部首層窗臺標高設置焊接角鋼剛架，新增的鋼筋錨固于剛架和混凝土剪力墻中，很好地解決了這些問題（圖9）。

結語

首都圈防震減災示范區重點項目的實施經驗、開發應用的抗震鑒定、評估、加固、改造技術，被收入新版《建筑抗震鑒定標準》及《建筑抗震加固技術規程》中，對提高建筑物功能和地震安全性、保障人民生命財產、維護社會穩定具有重要意義，同時對我國地震區城市的防震減災事業具有重要的指導作用。