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傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)和新型抗震加固技術(shù)的總結(jié)與對(duì)比 在工業(yè)與民用建筑當(dāng)中,很多的建筑在經(jīng)過(guò)一定的使用年限之后,特別是早期沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)的部分建筑,都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題,例如建筑的使用功能降低,甚至是建筑的安全達(dá)不到要求。在這些情況下,要想繼續(xù)使用這些建筑,就需要對(duì)他們進(jìn)行改造和加固。建筑加固在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)中已經(jīng)成為土木行業(yè)的主流項(xiàng)目。而在我國(guó),抗震加固的研究工作始于20世紀(jì)60年代,也就是唐山大地震之后。不過(guò),當(dāng)時(shí)做抗震加固主要是探索抗震鑒定及加固的基本技術(shù)和管理方法,在實(shí)踐中證明抗震鑒定及加固的必要性和有效性。到了1989年,國(guó)家正式發(fā)布了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ11—89),抗震鑒定和加固才走上了規(guī)范化的道路。但是限于建造時(shí)的設(shè)計(jì)和建造水平,加之施工質(zhì)量的問(wèn)題,近幾年來(lái)大量的建筑需要進(jìn)行抗震加固,特別是汶川地震之后,人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到進(jìn)行抗震設(shè)防和加固的重要性。針對(duì)不同的問(wèn)題,工程師需要提出不同的改造加固方案。本文查閱的資料主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的抗震加固技術(shù)上。 1、傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)的發(fā)展與分類(lèi) 在混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)中目前應(yīng)用比較廣也相對(duì)成熟的還是傳統(tǒng)的抗震加固技術(shù)。鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)的建筑在我國(guó)非常常見(jiàn),其基礎(chǔ)期一般為50年,目前有一大批建筑物已進(jìn)入了中年期或者老年期,多數(shù)已有不同程度的損壞或者老化,出現(xiàn)裂縫、滲漏、剝落、缺損、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象,急需修復(fù)。 1.1混凝土結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)抗震加固技術(shù) 針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu),目前應(yīng)用比較廣泛的加固方法有增大截面法、外包鋼加固法、置換混凝土加固法、粘鋼加固法和粘碳纖維加固法等。 增大截面法,顧名思義,即采用增大混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物的截面面積,以提高其承載力來(lái)滿足正常使用的一種加固方法。可廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等構(gòu)件和一般構(gòu)筑物的加固。 外包鋼加固法,是指在需要加固構(gòu)件的四周包上角鋼,從而提高構(gòu)件的承載力,增大延性和剛度。該方法適用于混凝土柱、梁等,其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)工作量、施工方便和濕作業(yè)工作較少,受力安全;可用于不能增大原構(gòu)件截面尺寸,但是又要求提高截面承載力的砌體柱的加固;其缺點(diǎn)為加固代價(jià)較高,其采用的防護(hù)措施類(lèi)似與鋼結(jié)構(gòu)。用于承受靜力作用的一般受彎及受拉構(gòu)件;環(huán)境溫度不應(yīng)超過(guò)60℃,相對(duì)濕度不應(yīng)大于70%,并且無(wú)化學(xué)腐蝕,否則應(yīng)采取有效防護(hù)措施;應(yīng)使用試驗(yàn)依據(jù)充分且性能滿足使用要求的,并經(jīng)過(guò)國(guó)家有關(guān)部門(mén)認(rèn)證的結(jié)構(gòu)膠;當(dāng)原構(gòu)件混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度小于C15時(shí),不宜采用本方法進(jìn)行加固。 置換混凝土加固法,是指用性能好、強(qiáng)度高的混凝土材料置換原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、韌性差的材料,而不影響建筑物的凈空高度,不顯著增大原構(gòu)件的截面積。該方法適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土構(gòu)件。當(dāng)采用該方法加固梁式結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)對(duì)原構(gòu)件加以有效的支頂。當(dāng)加固柱、墻等構(gòu)件時(shí),應(yīng)對(duì)原構(gòu)件在施工全過(guò)程中的承載狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算、觀測(cè)和控制,置換界面處的混凝土不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力,若控制有困難,應(yīng)采取支頂?shù)却胧┻M(jìn)行卸荷。 粘鋼加固法,亦稱(chēng)粘貼鋼板加固,是將鋼板采用高性能的環(huán)氧類(lèi)粘接劑粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面,使鋼板與混凝土形成統(tǒng)一的整體,利用鋼板良好的抗拉強(qiáng)度達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。其特點(diǎn)包括:施工簡(jiǎn)便、快捷、基本不增加被加固構(gòu)件斷面尺寸和重量;建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板(型鋼)與混凝土緊密粘接,將加固件與被加固體合為一體,結(jié)構(gòu)膠固化時(shí)間短,完全固化后即可以正常受力工作。 粘碳纖維加固法,是指用粘結(jié)劑把碳纖維片黏貼在混凝土構(gòu)件表面,發(fā)揮碳纖維高強(qiáng)抗拉作用。該方法可以幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重,目前在工程上被廣泛應(yīng)用,適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 1.2磚混結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)抗震加固技術(shù) 磚混結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加固方法,相對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言,更加簡(jiǎn)便,主要針對(duì)的是20世紀(jì)70年代以前的未按抗震設(shè)防要求設(shè)計(jì)的建筑。對(duì)于圈梁和構(gòu)造柱,主要的加固方法有鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法和混凝土板墻加固法;對(duì)于磚柱,通常采用外包混凝土和外包鋼加固法。 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿法,又稱(chēng)為“夾板墻”,是在磚墻的兩面敷設(shè)鋼筋網(wǎng)片后抹上高強(qiáng)砂漿面層,形成組合墻體,可以提高磚墻的承載力,通常在加固圈梁、構(gòu)造柱時(shí)一同使用。 混凝土板墻加固法,是在磚墻上敷設(shè)一層60~80mm厚度的配筋混凝土薄墻板,與磚墻共同工作,一方面可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力,另一方面還可以起到圈梁和構(gòu)造柱的作用,增加磚砌體的延性。 外包混凝土加固法,能很大程度上提高軸心受壓磚柱及小偏心受壓磚柱的承載力。外包鋼加固法,能提高磚柱的變形能力。 2、新型抗震加固技術(shù)的發(fā)展與分類(lèi) 隨著土建技術(shù)的不斷發(fā)展和科技的進(jìn)步,特別是21世紀(jì)之后,建筑加固技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。加固技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,尤其是在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)但是地震頻發(fā)的國(guó)家,例如日本,新的加強(qiáng)建筑物抵御地震能力的方法主要分為三種途徑:抗震加固、減震加固、隔震加固。其中,抗震加固是指利用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力來(lái)抵御地震作用,吸收地震能量。減震加固是指在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件,通過(guò)其局部變形提供附加阻尼以吸收或耗散由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。隔震加固具有很大的發(fā)展?jié)摿,是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置隔震層,隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞,從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用。 2.1抗震加固在抗震加固新技術(shù)中,最具代表性的是日本開(kāi)發(fā)的高彈性材料加固工法(SuperReinforcementwithFlexibility,以下簡(jiǎn)稱(chēng)SRF工法)。這種抗震加固技術(shù),是用樹(shù)脂纖維編織成形狀如安全帶一樣的抗震帶,在建筑物加固施工時(shí),將抗震帶涂上粘合劑,包裹固定在建筑物的支柱上。它的優(yōu)點(diǎn)是施工方法簡(jiǎn)單、有效,而且費(fèi)用低廉。另外,SRF工法還可以采用預(yù)應(yīng)力的加固方法,即先對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力再外貼到結(jié)構(gòu)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,能克服FRP材性上的缺點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行有效的強(qiáng)度和剛度加固。除了上面介紹的SRF工法外,增設(shè)斜撐加固、框架加固、剪力墻加固也是幾種有效改善建筑物抗震性能的抗震加固方法。這幾種加固方法的共同點(diǎn)都是通過(guò)增加的部分來(lái)承擔(dān)一部分地震力,從而可以提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度,以達(dá)到改善建筑抗震性能的目的。 2.2減震加固減震加固通常的原理是在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件,一般是阻尼器,通過(guò)其局部變形提供附加阻尼,以耗散或吸收由地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),達(dá)到預(yù)期的加固目的。加固當(dāng)中用到的阻尼器種類(lèi)繁多,目前比較常見(jiàn)的有摩擦型阻尼器、粘彈性阻尼器和粘滯性阻尼器等。據(jù)此也可以將減震加固技術(shù)按上述三類(lèi)阻尼器劃分為三種類(lèi)型。 摩擦型阻尼器是用摩擦耗能裝置,通過(guò)元件的相互滑動(dòng)摩擦,以耗去結(jié)構(gòu)的部分震動(dòng)能量,目前研究開(kāi)發(fā)的摩擦型阻尼器主要有普通摩擦型阻尼器、pall摩擦型阻尼器、摩擦剪切角阻尼器、多級(jí)摩擦型阻尼器以及摩擦復(fù)合耗能器等多種類(lèi)型;摩擦型阻尼器一般只有在強(qiáng)震作用下才能啟動(dòng),對(duì)于經(jīng)常發(fā)生的中小地震或風(fēng)載作用下沒(méi)有任何功效,效率較低,但其造價(jià)往往較低,簡(jiǎn)便易行。 粘彈性阻尼器是通過(guò)粘彈性材料的滯回變形來(lái)減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng),具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、造價(jià)低廉和耐久性好等優(yōu)點(diǎn);溫度、頻率等因素易對(duì)粘彈性阻尼器的耗能性能產(chǎn)生影響。 粘滯性阻尼器是通過(guò)活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),粘滯液體從一端流向另一端產(chǎn)生阻尼力,阻礙結(jié)構(gòu)振動(dòng);粘滯性阻尼器對(duì)速度反應(yīng)比較靈敏,能夠吸收、衰減振動(dòng)和沖擊的能量從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng),減弱節(jié)點(diǎn)的局部受力,達(dá)到保護(hù)受力設(shè)備的目的。 除了上述三類(lèi)通過(guò)阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)減震加固的方法外,近年來(lái)日本還開(kāi)始采用其他的一些耗能減震方法,如采用制震頂棚或者力臂減震器來(lái)實(shí)現(xiàn)減震加固。 2.隔震加固技術(shù) 相對(duì)于前兩種加固方法,產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較晚,也是目前各個(gè)國(guó)家正在努力研究的方向。它是通過(guò)在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置隔震層,隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞,從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用。雖然隔震加固技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較晚,但是目前已經(jīng)研究出了不少的隔震方法,并且在美國(guó)和日本等國(guó)家已經(jīng)有了成功的工程實(shí)例。這些方法的共同點(diǎn)是將隔震層放在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,即基礎(chǔ)隔震。隔振支座主要分為橡膠支座(圖9)和滑動(dòng)支座(圖10)兩類(lèi),具體分類(lèi)可參見(jiàn)表1。隔震加固應(yīng)用之后,在強(qiáng)震作用下,隔震裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài),大量吸收或隔離地震能量,使上部結(jié)構(gòu)保持彈性或不進(jìn)入明顯塑性狀態(tài);同時(shí)隔震加固技術(shù)可以節(jié)省工程造價(jià),并且可以應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)形式的建筑改造加固當(dāng)中。 |