北京火车站抗震鉴定与加固技术

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1、 2003年 3 月工 程 抗 震第 1 期北京火车站抗震鉴定与加固技术北京火车站抗震加固与改造设计项目组( 中国建筑科学研究院工程抗震研究所 北京 100013)=摘 要 北京火车站是首都重要的标志性建筑之一, 1959 年建成, 当时按 7 度设防考虑, 存在着许多不符合抗震要求的问题, 一些设施也明显不能满足现代使用功能要求。北京火车站抗震加固与改造设计项目组, 运用多种先进的加固手段, 在保持原建筑外貌不变的前提下, 实现了抗震能力和改善使用功能的协调, 取得了大型公共建筑加固改造的新经验。=关键词 抗震鉴定 加固改造Abstract The Beijing Railway Stati

2、on, as one of the important symbolic buildings in the Capital,was built in 1959. During that time, the earthquake fortification intensity of 7 degree was considered. Itis found that many problems that do not fulfillthe current requirements of earthquake resistance exist , andmany facilities also do

3、not satisfy the modern functional requirements. Therefore seismic strengthening andrehabilitation are needed. The project group of the strengthening and rehabilitation design of the BeijingRailway Station applied various advance strengthening methods. Under the prerequisite of keeping the orig -inal

4、 architectural style, coordination of upgrading the earthquake resistant capability and improving the ser -vice function was realized. New experiences on the strengthening and rehabilitation of large public build -ings were obtained.Key words seismic evaluation, strengthening and rehabilitation1 工程概

5、况北京是全国政治、经济、文化的中心,是全国人民向往的地方。北京火车站作为首都的重要门户之一,其重要性和所处的特殊地位是不言而喻的。北京火车站建筑总面积 418 万 m2,根据使用功能的要求设置 19 个候车大厅、电影厅、游艺厅等, 中央大厅采用大型预应力钢筋混凝土双曲扁壳, 结构轻巧、造型开朗优美, 站后有入站高架天桥,各建筑分区如图1 所示。北京火车站大楼为钢筋混凝土框架结构,原设计按前苏联抗震规范规定进行了7 度抗震设防,大楼于 1959 年竣工,列为当时的首都十大建筑之一。近 40 年来,由于我国经济的迅速发展, 车站客流量较原设计成倍增加,大楼超负荷运转,加速了建筑、结构和设备的损坏,

6、1976 年唐山地震也影响了大楼的安全性与耐久性,因此有必要对其进行抗震鉴定与加固。结合抗震加固进行了建筑内外装修、设备更新等, 以满足当前形势发展的需求。2 北京站历次抗震鉴定简述早在 1985 1988 年期间, 受北京铁路分局的委托, 中国建筑科学研究院工程抗震研究所进行了大楼的结构抗震鉴定。除按5工业与民用建筑抗震设计规范6TJ11) 78 进行了必要的验算外, 还采用了弹塑性时程分析方法分别估算了北京地区遭遇设防烈度地震(8 度) 影响和罕遇地震( 9 度) 影响时的可能破坏程度, 并进行了模拟结构实物的抗震性能试验。在此基础上经反复协商提出了加固方案, 并通过了铁路内外有关专家的论

7、证。)25)北京火车站外景图 1 北京站分区示意图1996年因车站大楼 7 10 区进行空调系 统改造,北京火车站委托工程抗震研究所对该4 区重新进行了抗震鉴定与加固设计。主要进行的工作为:在原鉴定结构的基础上, 按现行的 5建筑抗震设计规范6 GBJ11 ) 89及即将发布实施的 5建筑抗震鉴定标准6GB50022O 95重新进行抗震承载力复核, 并对抗震加固方案进行了优化。 1998 年为迎接中华人民共和国 50 周年大庆, 北京火车站委托工程抗震研究所对大楼进行全面的抗震鉴定与加固、建筑内外装修与设施更新改造的综合设计工作。这一阶 段,工程抗震研究所充分吸收了工程抗震及结构加固研究的新近

8、成果 ( 如消能减震技术、树根桩托换技术、无振动钻孔及化学植 筋技术等) ,对原加固方案进行了较大的调整,形成最终实施方案。3 北京火车站大楼抗震鉴定主要结果北京火车站建成于 1959 年,限于当时我国的经济条件和技术水平,结构抗震设防 水准偏低, 存在着多方面的缺陷。北京站各分区主要鉴定结论列于表 1。北京火车站大楼各分区抗震鉴定结果一览表表 1区号名称结构特征鉴 定 结 论1广 厅框 架 结 构, 35m 跨 双曲扁壳底层边柱、角柱纵筋偏 少; 梁柱节点区箍筋不满 足; 层间变形稍大; 9 度 时严重破坏或可能倒塌2广厅后楼4 层单跨 框架结构角柱纵筋稍少, 底层变 形偏大, 梁柱节点箍筋

9、不 足, 有明显的变形集中, 9 度时可能倒塌3、4 左右钟楼 筒体结构 无需加固5、6 广厅边楼4 层框架 结构梁柱节点箍筋不足, 抗 震能力差7、8北 区 候车室3 层带小 楼框架结构顶层柱截面偏小、 配筋 不足; 梁柱节点箍筋不足; 顶层有明显变形集中;8 度 时可能严重破坏, 9度时小 楼可能倒塌9、10南 区 候车室2 层带小 楼和夹层框 架结构小楼抗震能力严重不 足, 角 柱、边 柱纵筋 不 足, 梁柱节点箍筋不足。 8 度时小楼可能倒塌11、12两翼夹层2 层框架 结构可不考虑加固13、14两翼北区3 层带角 楼框架结构角柱、边柱纵筋偏少, 角楼抗震能力不足。8 度 时角楼可能倒

10、塌15、16两翼南区3 层框架 结构3层有部分中柱纵筋不 足, 层间变形大, 梁柱节 点箍筋不足。9 度时可能 严重破坏或倒塌17 19高 架 候车廊框 架 结 构,16m 拱, 屋顶为 双曲扁壳地基不均匀沉降导致多 处开裂, 层间变形大, 梁 柱节点箍筋不足。9 度时 可能倒塌此外各分区间抗震缝最大宽度为 7cm, 不能满足现行规范要求,并且变形验算结果表明, 地震时各分区会相互碰撞。鉴定结果表明, 北京火车站大楼各区整体刚度较小, 在地震作用下的变形较大; 另外 梁、 柱及梁柱节点的配筋构造明显不符合规)26)范要求, 致使结构的变形能力不足。因而在 设防烈度地震作用时就可能发生明显的损坏

11、和局部严重破坏; 在罕遇地震作用时结构将发生严重破坏甚至倒塌, 必须进行抗震加固。 4 抗震加固方案的确定北京火车站的抗震加固设计自 1985 年开始 筹划,不断 调整、逐 步完 善,直至1998年才得以正式实施。本工程抗震加固 设计的主要依据有:5建筑抗震鉴定标准6 GB50023O 95; 5建筑抗震加固技术规程6 JGJ116) 98; 5混凝土结构加固技术规范6 CECS25B90; 国家有关的现行结构 设计规范; 工程抗震研究的新技术、新材料和新工艺。由于北京火车站是首都的标志性建筑, 在考虑加固方案时需兼顾建筑、结构抗震、经济、施工几方面的因素, 为此项目组提出了如下抗震加固设计遵

12、循的原则:( 1) 符合北京地区抗震设防烈度 8 度、 乙类建筑的抗震鉴定设防目标;(2) 加固方案以不影响建筑外观为前提,尽量减少对使用功能的影响; ( 3) 尽可能减少加固工作量, 易于分段独立施工, 减少因施工对车站运营的影响;( 4) 运用先进的加固技术,提升加固设计中的科技含量。 在此原则下针对车站大楼各分区存在的主要问题, 项目组决定以通过改变结构体系作为主要加固方案,即将框架结构改为框架 ) 剪力墙结构;对一区广厅采用国家 / 八五0 科技攻关的最新工程抗震研究成果, 即消能减震技术进行加固;对高架候车廊则以湿式外包钢法为主,利用树根桩加固技术解 决基础不均匀沉降问题。5 主要加

13、固技术介绍( 1) 改变结构体系加固方案: 即在结构的适当部位增设一定数量的剪力墙, 将原框 架结构改变为框架) 剪力墙结构。一方面通过提高结构的侧向刚度,从而减小了在地震作用下的变形; 其二新加剪力墙承担了大部 分的地震荷载,减小了原框架梁柱的受力,其抗震等级也降低, 从而在不加固或少加固原框架梁柱的前提下, 减轻地震破坏,达到 抗震鉴定所规定的设防要求。该方法是框架结构抗震加固常用且非常有效的方法,北京火车站大多数区段采用了这一方法。新增剪力墙的位置一般设在各分区的四 角,对称均匀布置, 这些部位原有围护墙或隔墙, 因此基本上不会影响建筑内部的原有功能。新增剪力墙数量根据结构的整体分析计算

14、确定, 通过调整剪力墙的长度、厚度以 及剪力墙上门窗洞口位置、大小,来控制结构的变形和扭转效应。新增剪力墙两端自设端柱, 承担了剪力 墙的主要弯矩。端柱与原框架柱用交错布置的拉结相连, 为避免剪力墙竖向分布筋穿梁对原框架梁造成过多的损伤, 设计中将其中一排筋从梁边穿楼板伸入上一楼层, 另一排 筋在原框架梁位置按等强度原则等代, 以减少穿筋数量, 但端柱纵筋未进行等代替换, 以保证剪力墙边缘构件的连续性。新增剪力墙 在原框架梁上下各做一道暗梁, 当结构层高较大时, 在层高中间再加设一道暗梁。新增剪力墙的基础处理方法本文另有简要说明。( 2) 消能减震加固新技术应用:一区广 厅最初 ( 1988

15、年) 加固方案也采用改变结构受力体系方案,即在中庭四角设 L 形剪力墙。由于剪力墙长度有限, 抗侧刚度提高有 限, 经验算多遇地震作用下顶点位移仍有214cm, 如遇大震作用则会与相邻区段结构有发生碰撞的可能,此外尚需对东西向的10 根框架柱进行加固。该方案明显地改变 了广厅的建筑布局,大厅采光也将受到影响,并且加固施工时需进行基础开挖,严重影响车站正常运营。1998年项目组利用本所国家/ 八五0科 技攻关项目5中高层建筑减震耗能技术研究6的成果, 提出采用消能减振新技术对广厅进)27)行加固, 消能支撑设置位置如图 2 加黑线所 示。经计算分析对比, 新方案具有较大优点: 设置在原有填充墙位

16、置的消能支撑, 可利用建筑装修及大型广告牌予以遮挡, 北侧消 能支撑设于窗内, 不影响外立面, 大厅内采光也不受影响( 图 3) ; 计算表明消能器能吸收大量的地震能量, 减少结构在地震作用下的变形, 与周边结构的位移较协调, 减少了发 生碰撞的可能; 该方案无需对基础及框架柱进行加固, 施工现场无湿作业, 基本上不影响车站正常运营。图 2 广厅消能支撑设置位置图(3) 外包钢加固技术:北京火车站 17 19区高架候车廊跨越多条铁路,是旅客 进入各站台的通道,因地基不均匀沉降已发生拱圈开裂现象, 地震变形验算表明大震将全部倒塌, 致使铁路运营中断。该区在加固 施工时不能影响列车正常运营, 因此不可能增设任何构件进行加固,宜采用外包钢加固 技术。高架候车廊采用外包钢加固时,不仅增加了框架柱纵筋,解决了承载力不足问题,同时也加强了柱的箍筋构造,尤其是梁 柱节点区, 通过钻孔锚筋技术, 较好地解决了以往节点区无法加固的矛盾。采用外包钢 加固后, 17 19 区高架候车廊的变形能力大大增强, 可避免大震作用下的倒塌。图 3 北侧消能支撑效果( 4) 树根桩加