消能減震加固技術在既有建筑改造工程中的應用

摘 要：從表面看，消能減震加固技術的應用能夠顯著提升建筑物的整體抗震性能。作為建筑領域中的一種新型抗震技術，該技術通過在建筑主體結構中安裝阻尼器，實現了地震能量的轉移與消耗。它能夠有效控制地震作用導致的振動響應，從而為建筑結構的安全提供堅實屏障。將消能減震加固技術應用到既有建筑改造工程中可以降低施工難度并控制加固費用，同時提升建筑結構的抗震能力。

關鍵詞：消能減震加固技術；既有建筑改造工程；應用文章編號：2095-4085（2024）04-0046-03

0 引言

近年來隨著消能減震技術不斷成熟與完善，更多的既有建筑改造工程項目抗震性能得到了提升，同時在應用此項技術后也可以提升建筑的經濟性與實用性。

1 消能減震加固技術在既有建筑加固改造中的應用

1.1 混凝土噴射加固工藝

1.1.1 加固工藝

（1）在進行原材料準備時應將設計圖紙作為依據，以保證原材料質量符合工程建設要求［1］。

（2）將建筑原有結構表面裝飾進行清除并對有侵蝕的部位進行修補，修補厚度在5～10mm之間。

（3）在進行打孔與植筋施工時應根據設計圖紙完成。

（4）根據施工圖紙完成鋼筋綁扎與鋼筋網安裝，每平方米安裝3到4個灰餅。

（5）混凝土噴射前應先將模板安裝到邊框位置，確保模板結構的穩定性。

（6）根據施工要求按照順序安裝混凝土噴射設備并在噴射前對噴射設備性能進行檢測，以保證其可以正常運行；施工人員應做好通水與送風試驗，避免混凝土噴射時出現漏風或是滲水問題。

（7）進行混凝土噴射施工前施工人員應先清理墻面，清理墻面時須采用高壓噴射設備，在保證墻面清潔度后方可進行混凝土噴射施工。在進行混凝土噴射過程中可以使用高壓機進行送風，要確保每分鐘送風量在9m2，氣壓控制在0.2～0.5MPa之間，噴頭水壓不得小于0.15MPa；將噴射設備與墻體間的間距控制在0.6～1m之間，采用垂直角度進行噴射；噴射厚度可以比設計厚度小20mm；對墻面平整度進行控制，將偏差控制在±20mm。

1.1.2 做好混凝土養護

（1）混凝土噴射厚度與設計標準相符時應完成刮平作業，刮平作業須在混凝土未初凝前完成。

（2）最后一層混凝土終凝強度在2h后就可以進行灑水養護，養護時間應控制在14d。

1.2 板底碳纖維加固工藝

1.2.1 做好底部處理

（1）若混凝土表面存在脫落、蜂窩或是空鼓等問題應將其進行鑿除與修補，修補時多采用環氧砂漿。

（2）當混凝土表面出現裂縫問題時應先做封閉處理，完成后再修補。

（3）清理混凝土表面浮漿時，可以使用砂紙或是角磨機將表面打磨平整，要確保表面平整度，轉角位置通常設置為直徑10mm的圓弧狀。

（4）進行混凝土表面處理時操作人員可以使用吹風機，以確保混凝土表面無雜物或積水。

1.2.2 底膠涂抹

涂底膠也就是FP膠涂抹，在涂抹時應注意以下兩點：

（1）主劑與固化劑按照2∶1的比例導入到攪拌裝置中，并使用彈簧秤進行集料稱重。然后將集料進行充分攪拌，攪拌時間應與現場溫度結合，通常攪拌好的膠液應在1h內使用完。

（2）膠液涂抹到混凝土表面時可以使用滾筒，當膠液干固后才能進行下一項施工內容，通常2～3d的時間就會干固。

1.3 鋼筋網抹灰工藝

1.3.1 鋼筋網操作要點

（1）處理好基層位置。進行鋼筋網墻抹灰施工前應先清理鋼筋網，可以使用高壓水進行沖洗，以保證表面的清潔度。墻面與鋼筋網間的厚度控制在15mm。

（2）可以將適量的水噴灑到墻面并對墻面灰塵進行清理。若墻面相對干燥施工人員可以根據情況增加灑水次數，為抹灰施工創造條件。在進行砂漿施工時還應對水分進行控制，防止出現吸水現象。當天氣比較干燥時可以在抹灰前對基層進行濕潤，在保證濕潤的基礎上還要避免出現浮水問題。

（3）完成灰餅粘貼施工后檢查其平整度時可以使用托線板，在了解檢查結果后確定粘貼灰餅的數量，將灰餅水平方向與高度間距控制在1.2m。水泥砂漿制作灰餅時比例控制在1∶3，灰餅尺寸控制在500mm，灰餅厚度通常控制在40mm左右［2］。

1.3.2 底層砂漿涂抹

在進行墻面基層抹灰時，第一遍抹灰可以起到對鋼筋的保護作用。要保證涂抹的均勻度，將抹灰厚度控制在10mm。

1.3.3 中層抹灰

完成底層抹灰后，在砂漿強度滿足初凝強度要求后進行中層抹灰，要確保中層抹灰厚度與鋼筋齊平，厚度是鋼筋直徑的兩倍。

1.3.4 面層抹灰

面層抹灰時應將砂漿涂抹到骨架位置，在保證砂漿強度滿足終凝強度后再進行施工。將面層抹灰厚度控制在10mm，要保證砂漿表面的平整度，當達到初凝強度后再使用鐵抹子進行抹平處理。

1.4 植筋加固施工工藝

1.4.1 清孔處理

（1）成孔后施工人員應做好清孔作業，要確保孔內無雜物。可以使用毛刷或氣泵進行反復多次的吹刷，孔壁涂刷時可以使用棉絲粘丙酮的方式，以確保孔壁的干燥性與整潔度。可以使用加熱棒進行干燥處理。

（2）用清水進行清理，在清理孔內泥漿后，再使用棉絲將孔壁擦干，當孔壁徹底干透后才可進行下一道工序。假如對工期有要求可以使用加熱棒將孔內進行烘干。

1.4.2 鋼筋埋設施工

（1）科學配制錨固膠。在配制錨固膠時可以將產品說明書作為依據，也可以憑借施工人員的已有經驗，在確保配比滿足標準后再進行均勻的攪拌。

（2）埋設盲孔鋼筋。在孔洞2/3位置加入錨固膠，將無銹蝕情況的鋼筋插入到孔內并保證鋼筋可以插入到設定位置為止。鋼筋插入的過程中若膠體未溢出，說明錨固膠注入量不夠，應將鋼筋拔出，進行二次注膠后再將鋼筋插入到孔內，使錨固膠可以溢出到孔外。

（3）埋設通孔鋼筋。鋼筋通過除銹處理后再插入到孔中，封堵孔洞兩端時可以使用環氧砂漿。在進行封堵時可以在一端孔口位置預留注膠孔，另外一端預留出氣孔。在確認環氧砂漿凝固后再進行注膠施工。錨固膠先打入到膠筒中并按照要求安裝打膠嘴，然后向孔內打膠。

（4）垂直通孔植筋時與第三條操作基本相同，但是在進行打膠時應由孔底向上進行打膠，出氣孔有膠體溢出時說明打膠完成。

2 既有建筑加固方案對比

2.1 以往所使用的加固施工方案

以往在進行建筑加固施工時多采用剪力墻結構，并將框架結構轉變為框架抗震墻結構，而且在實施加固時可以對層間結構進行控制，利用剪力墻對抗地震的作用，并對框架加固梁進行控制。因為建筑物基礎結構多為大直徑擴底墩，剪力墻結構自重會增加，基礎結構加固時可以采用補樁方式［3］。

2.2 消能減震加固施工方案

在使用阻尼器時，可以以附加阻尼器為主，但是無法保證剛度，可以應用到結構構件承載能力不足的情況下。但是在結構剛度與設計要求相差不多的結構中，在設計屈曲約束支撐時，小震時不屈服耗能只單獨提供剛度，中震或是大震時屈服耗能可以應用到剛度不足的建筑物中。因為屈曲約束支撐可以提升建筑結構的剛度，提升結構地震作用，特別是子結構受力較大時。在進行加固時結構整體剛度與設計目標基本相同，應與建筑物功能、阻尼器特點進行結合，最終確定阻尼器加固方案。在既有建筑改造時使用消能減震加固技術可以減少建筑結構構件加固作業量，將消能減震構件與原有構件連接就可以完成加固，其他構件只需要少量加固措施就可以與設計要求相符。

3 既有建筑加固中消能減震加固方案設計內容

3.1 合理設置阻尼器位置并保證參數滿足要求

結合附加阻尼比、相關經驗及建筑平面布置情況，假定阻尼器設置位置，利用連接單元對阻尼器帶入ETABS模型進行準確的模擬與試算，對阻尼器安裝位置、連接單元參數、阻尼器使用量進行調節，進而滿足附加阻尼比要求。將滿足要求的連接單元參數作為阻尼器產品的選擇依據，然后得出建筑物結構所需要的阻尼器系數與阻尼指數并對阻尼器具體使用量進行確定。安裝阻尼器時應保證安裝位置的準確性，通常會在樓層平面位置安裝阻尼器，要對阻尼器的安裝間距及對稱性進行控制，利用此來降低地震時的集中應力并平衡建筑物結構剛度。布置豎向阻尼器時可以參照非減震設計模型計算結構及最大層間位移結構模型，在位移角偏大的位置安裝阻尼器，然后計算一個阻尼器模型有限元并得到最大層間位移角度，然后再安裝阻尼器，如此循環操作可以完成豎向阻尼器布置。但是在進行阻尼器安裝時不得在某一層過于密集，要確保豎向安裝的均勻性。在選擇阻尼器時可以將懸臂墻式黏滯阻尼器作為首選，以避免給建筑物使用功能帶來影響［4］。

3.2 軸向型金屬阻尼器的應用

軸向型金屬阻尼器是一種可以移動的金屬阻尼器，屬于軸向受力的金屬阻尼器，受力形式主要以支撐方式為主。軸向型金屬阻尼器是將軟鋼芯材料根據構件長度進行設置，并利用變形過程完成軸向變形及屈服耗能。在對耗能芯材進行屈曲約束、加筋設計及耗能芯材形式設計時主要是利用了外套筒，進而減少屈服耗能構件局部所產生的缺陷或是屈曲延性影響，進而保證芯材的延性可以滿足軸向耗能阻尼器對性能的要求。軸向型金屬抗震阻尼器主要構造包括外約束套筒、加筋結構和耗能芯材，其可以靈活調節參數與長度，在連接時多會采用軸向連接方式。

3.3 小震限值計算

完成加固施工后，小震情況下最大層間位移角限值為1/550，大震最大間層位移角限值為1/50。只有少部分梁柱界面需要加固施工，并不需要使用增加截面面積進行加固。因為黏滯阻尼器無法提供剛度，所以只需要將阻尼比輸入到PKPM中就可以完成試算，進行附加阻尼比計算時通常會采用以下兩種方法。

（2） 模態耗能比法。使用模態耗能比法計算ζd： ζd=ζ0Ed/Ec。在算式中Ed為消能減震構件過程中的耗能情況； Ec是完成加固后的結構初始阻尼所積累的耗能情況；ζ0為加固后結構初始阻尼比。要想確保SAP2000分析模型應用的準確性可以與PKPM模型參數、SAP2000模型參數進行對比。兩個模型質量間相差0.5%，前三個周期最大相差3.8%，可見兩個模型相差并不大，并可以進行數值模擬計算。

根據相關建筑抗震規定可以選擇兩條人工地震波、五條天然地震波作為地震波加速度時程曲線。對比不同地震波對結構基地剪力所產生的作用與振型分解反應譜計算結果，各條時程曲線計算結果為：結構底部剪力均比振型分解反應譜法計算結果高出65%；7條時程曲線計算后所得到的結構底部剪力比振型分解反應譜法計算結果高出80%，與規范要求相符。

一周能力比法計算結果比模態耗能法要大，主要是因為一周能力比計算阻尼器耗能是計算每個阻尼器最大出力與最大位移乘積耗能，但是在實際使用時各黏滯阻尼器并不可能同時實現最大位移與最大出力。模態耗能比法是利用不同時間段積分所得到的能量，可以更加準確的對各黏滯阻尼器實際耗能進行考慮，準確性高于一周能量比法。在進行具體設計工作時應對計算公式與實際情況進行結合，并對使用過程中的問題進行綜合考慮，控制計算誤差。《建筑消能減震及隔震技術標準》（DG/TJ08-2326-2020）中的第6.3.2條指出應對附加阻尼比公式中的問題與實際結構所帶來的影響進行考慮，分別對一周能量比法所得到的結果乘以70%的折減系數與模態耗能比法計算結果乘以90%折減系數，最終完成修改。

3.4 大震限制計算分析

建筑結構大震彈塑性時程分析時可以使用SAUSAGE軟件，直接模擬結構地震作用非線性反應分析，可以使用顯示積分動力彈塑性分析法。建筑框架梁柱在大地震作用下均會被破壞，損傷因子最大平均值不得超過0.5，此時破壞度為中度。

3.5 合理設計既有建筑子結構

子結構可以直接與消能減震構件進行連接，形成主體結構單元。根據相關消能減震規定要求可以根據構件的重要性進行復核，驗算大震作用下極限承載能力。大震作用驗算可以采用SAUSAGE軟件，但應對子結構構件材料彈性進行合理設置，避免因大震作用影響子結構塑性內力。大震作用下子結構驗算可以使用PMM屈服面，通過復核確定子結構中的內力包絡與極限承載力要求相符。

4 結語

在進行既有建筑改造工程采用消能減震加固技術時，應合理進行方案設計并保證計算的精準度，通過消能減震加固技術提升既有建筑的抗震性能，同時可以控制工期、成本并降低地震給建筑物所帶來的影響。在進行設計時應對整體結構、子結構進行綜合考慮并合理設置阻尼器，充分發揮其作用，提升既有建筑整體加固效果與抗震能力。

參考文獻：

［1］雷才波.消能減震技術在工程結構設計中的應用［J］.工程建設與設計，2022（17）：32-34.

［2］周高照，王洪欣，李曉麗，等.工業化建筑隔震及消能減震關鍵技術應用簡述［J］.住宅與房地產，2022（17）：18-25.

［3］高樂，劉玲華，王璐，等.消能減震技術在高層框支剪力墻結構中的應用研究［J］.四川建材，2022，48（1）：72-74.

［4］崔立杰，王兵，馬立榮.基于消能減震技術的工程應用與研究［J］.居舍，2020（28）：46，70.