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1、既有建筑抗震加固方法的研究与应用现状唐曹明研究员,现任中国建筑科学研究院建研科技股份公司建筑设计院结构总工程师,从事建筑结构抗震防灾研究及工程设计工作,负责和参加过全国政协礼堂加固改造工程（1.7万平方米）、北京东方银座地下部分结构加固方案技术可行性、山西省政府高层住宅楼佳泰花园抗震技术和国家博物馆加固改造工程（19万平方米）等重大工程的设计和咨询。系建筑抗震设计规范修编、非结构构件抗震设计标准、配筋和约束砌体结构抗震技术规程及建筑震后评估、修复和加固技术规程参编人员。地震具有巨大破坏力，能在瞬间使大量建筑物破坏或倒塌，并引发各种次生灾害，造成人员伤亡，带来破坏与恐慌，是迄今人类尚难以抗御的自
2、然灾害。我国地处全球两个最活跃的地震带，是地震多发国家之一。由于地震发生的具体时间、地域和震级大小均很难预测，正如陈肇元院士所说，为了尽量减轻地震造成的损失，目前能够采取的最现实和有效的措施，只能是通过设计和施工，使建筑物与各种重要基础设施具有足够的抗震能力。当前我国既有建筑面积超过400亿平方米，其中很大部分建成于上世纪五六十年代，已分别进入了“老年”和“中年”期。限于当时的经济、技术条件，设计标准偏低，绝大多数既有建筑存在着抗灾能力弱、运行能耗高、使用功能差等问题。如何避免风灾、地震等自然灾害对这些建筑造成的破坏甚至威胁人民的生命财产安全？如果将存在问题的既有建筑全部拆除会产生大量建筑垃圾
3、，一拆一建既不经济，又对环境造成污染，也不符合我国政府的可持续发展战略。解决问题的最佳途径是对其进行合理改造和加固，在仅增加少量投资的前提下，提高既有建筑物的综合抗灾能力，防止强震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空间，或不至于很快倒塌以提供足够的逃生时间。如遭遇不可预见的特大地震，将倒塌的房屋数量和生命财产损失降到最低，将被动救灾的费用降到最少。我国抗震加固工作发展历程不论是新建工程的抗震设防，还是既有工程的抗震加固，震害调查与研究一直是工程抗震理论的基础，也是工程抗震措施成功与否的检验标准。1966年在河北省邢台地震的震害调查中，一些民房采取了简单加固方法却大大减轻了震害，从而打
4、开了专业人员通过抗震加固提高既有房屋抗震能力的思路。之后，北京、天津地区首先开展了部分房屋的抗震普查与鉴定，1968年编制了京津地区一般民用建筑、单层工业厂房、旧建筑、农村房屋及烟囱、水塔等的抗震鉴定标准（草案）和抗震措施要点，并在京津地区开展了抗震加固的试点工作。1975年海城地震以后，在当时国家建委京津地区抗震办公室领导和组织下，我国工程抗震的技术人员很快编写制定了京津地区工业与民用建筑抗震鉴定标准（试行），于1975年9月正式实施。京津两市的部分房屋立即据此进行抗震鉴定与加固，开创了我国抗震加固工作的先河。尽管这种加固措施相对简单粗糙，但使用经济，符合当时国情，经加固的房屋在1976年唐
5、山大地震中经受了考验。1976年唐山大地震以后，在总结大量震害经验的基础上，迅速开展应急性质的结构抗震加固技术研究，1977年12月颁布了工业与民用建筑抗震鉴定标准TJ23-77以及为配合该标准的实施而编制的工业建筑抗震加固参考图集GC-01和民用建筑抗震加固参考图集GC-02，成为指导全国建筑抗震鉴定与加固工作的规范文件，标志着我国抗震加固工作已从局部地区试点推进到全国，也标志着抗震鉴定与加固工作已成为防震减灾的重要组成部分，逐步进入规范化、制度化的轨道，具有里程碑的意义。19771978年间，不少单位先后进行了夹板墙、组合柱、外加构造柱、外加圈梁和钢拉杆、砖墙裂缝修复和墙体压力灌浆等项目的
6、试验研究，并于1978年12月在成都召开了首次全国抗震加固科研成果交流会，会后编制了民用砖房抗震加固技术措施，这对提高砖房抗震加固设计质量起到了一定的指导作用。1980年后，抗震加固技术研究不断深入，并列入国家抗震重点科研项目。全国22个设计、科研单位和大专院校，相继开展了556项足尺模型试验研究，提出了46篇试验研究报告。在此基础上，于1985年编制了工业与民用建筑抗震加固技术措施，同期冶金部编制了冶金建筑抗震加固技术措施，并在本系统内应用。这段时间内的试验规模和研究深度，均标志着我国抗震加固技术的研究已进入世界先进行列。1994年12月1日，建设部正式颁布实施了建筑工程抗御地震灾害管理规定
7、，该规定指出，“对列入城市近期改建、企业改造计划的房屋、工程设施和设备可不进行抗震加固，对临时性建筑不进行抗震鉴定、加固，除此之外，凡未经抗震设防的房屋、工程设施和设备，均应按现行抗震鉴定标准和加固技术规程进行鉴定和加固，以达到应有的抗震能力。”这是我国第一次将抗震加固以行政法规的名义加以规范、规定。1996年6月1日，建筑抗震鉴定标准GB50023-95正式实施。1997年2月，全国人民代表大会常务委员会通过了中华人民共和国防震减灾法，该法第二十条规定：“已经建成的下列建筑物、构筑物，未采取抗震设防措施的，应当按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，并采取必要的抗震加固措施：属于重大建设工程的建筑
8、物、构筑物。可能发生严重次生灾害的建筑物、构筑物。有重大文物价值和纪念意义的建筑物、构筑物。地震重点监视防御区的建筑物、构筑物。”这是第一次将抗震鉴定与加固工作写进法律，明确了既有建筑进行抗震鉴定与加固的范围，充分体现出抗震鉴定与加固工作的重要性，表明抗震鉴定与加固工作已进入法制化的轨道。1999年3月1日，建筑抗震加固技术规程JGJ116-98也正式实施。2008年12月27日，中华人民共和国防震减灾法于第十一届全国人民代表大会常务委员会第六次会议修订通过，自2009年5月1日起施行。防震减灾法的修订，是在总结法律实施10年来的经验基础上，为适应经济社会和防震减灾事业发展需要，对法律制度进行
9、全面的修改和完善。2009年6月5日，建筑抗震鉴定标准GB50023-2009由住房和城乡建设部发布，自2009年7月1日起实施；6月18日，建筑抗震加固技术规程JGJ116-2009也相继发布，自2009年8月1日起实施。这两个规范性文件的颁布，总结了近年来建筑结构抗震鉴定和加固的经验，是我国最新的科研成果和工程经验总结，标志着我国在抗震鉴定与加固领域仍处于世界前列。抗震加固常用方法随着科学技术的发展，经过几十年的科学研究和对工程实践经验的总结，我国基本形成了层次配套、概念清楚、要求明确、易于掌握的建筑结构成套鉴定与加固技术。下面分别对钢筋混凝土结构、砌体结构和钢结构等几种常见既有建筑的抗震
10、加固方法逐一总结、分析，并对地基基础常用加固方法做一说明。钢筋混凝土结构。直接加固梁、柱构件的方法。当钢筋混凝土梁受弯承载力不足时，可采用增大截面、外粘型钢、粘贴钢板或纤维复合材、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层、增设支点以及外加预应力等方法加固补强；当钢筋混凝土柱受弯承载力不足时，则可采用增大截面、外粘型钢、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及外加预应力等方法予以加固；当梁、柱构件的受剪承载力不足时，可采用增加箍筋、包钢板箍、粘贴纤维箍、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及缠绕钢丝等方法进行加固；当受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷时，可采用置换混凝土法对构件进行加固。粘贴纤维复合材和钢丝绳网片-聚合物砂
11、浆外加层两种加固方法，是近年来随着对加固工程中的新材料、新工艺、新技术开展广泛的研究后发展起来的新技术，轻质高强，加固不增大结构体积，所增加的结构自重几乎可以忽略不计；施工工序简单，可用小型工具操作，因而可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施；施工污染小、无噪声，且施工进度快、工期短。尤其是钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层法还很好地解决了加固后的耐久性、防火以及耐高温性能等问题。改变结构受力体系的方法。通过在框架原有围护墙及分隔墙位置增设一定数量的剪力墙或在框架柱两侧设置翼墙，使原来的柔性框架结构改变为框架-剪力墙结构或壁式框架结构；当建筑物需要较大敞开洞口（如学校、商场等）时，也可采用在原有
12、框架中新加支撑，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构。该方法通过改变结构抗侧力体系，降低原有框架分担的地震作用，在减少加固原框架梁、柱工作量的前提下提高结构抗震能力，达到抗震设防要求。该方法关键在于解决好新增墙体或支撑与原框架的连接问题，确保新增抗侧力构件与原框架能共同工作。因这种加固方法基本上能保证不影响建筑使用功能，保持原建筑风貌，且结构加固工作量相对较少，缩短工期，理论成熟，施工工艺简单，所以是目前提高既有建筑抗侧力能力的一个重要方法。全国政协礼堂、北京火车站和国家博物馆老馆等加固改造工程均采用过此种加固方法。卸荷方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，其内部分隔墙及外围护墙基本是较重的砖墙
13、，这些分隔墙一般是按建筑功能要求布置，其平面分布往往不对称，造成结构平面质心与刚心不一致，导致地震作用增大，同时结构在地震作用下的扭转效应也随之增大。鉴于此，将原较重的砖墙换成轻质隔墙，卸去荷载，既能减轻地震作用和结构在地震作用下的扭转效应，又丝毫不损伤原结构，对改善既有建筑的抗震性能，实乃一种行之有效的方法。在国家博物馆老馆加固改造工程中，就曾将上、下层位置不对齐，高大厚重的粘土砖分隔墙换为轻质隔墙。取消建筑物间的伸缩缝，将原来相互独立的单体结构连成整体的加固方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，不少是由伸缩缝分成各自独立的单体结构，但这些伸缩缝宽度均较小，不能满足现行抗震规范对防震缝最小宽度
14、的要求，地震时相邻房屋互撞导致破坏甚至倒塌。各个单体结构分别加固，施工空间小，难度大，若对部分单体结构采取在伸缩缝处设置钢筋混凝土抗震墙，将两个甚至多个单体连成整体，从整体上综合考虑结构加固方案，这样不仅能减少加固工程量，而且易于实现。消能减震方法。这种方法是在结构的适当部位附加耗能减震装置，小震时减震装置如消能杆件或阻尼器处于弹性状态，建筑物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强烈地震作用时，随着结构受力和变形的增大，让消能杆件和阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻力，大量耗散输入结构的地震能量并迅速衰减结构地震反应。极强地震能量的主要部分由控制装置来耗散而非借助主体结构的塑性变
15、形来耗散，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态而免遭破坏。另外，控制装置不仅能有效地耗散地震能量，而且可改变结构的动力特性和受力性能，减少由于结构自振频率与输入的地震波的卓越频率相近引起共振的趋势，减少结构的地震反应。如采用消能支撑的结构，其结构频率的变化主要依赖于支撑体系刚度的改变（支撑体系刚度的改变可以通过耗能元件的变形来实现），而不同普通钢筋混凝土结构，其频率的变化是依赖于结构自身损伤引起的刚度变化。作为非承重构件，消能元件的损伤过程也是保护主体结构的过程。这种被动控制技术能兼顾抗侧刚度的提高和抗侧能力增大，特别在大震时能有效减少地震能量的输入，明显降低结构侧移，达到控制结构地震反应的
16、目的。该方法结构简单，无需外部能量输入，无特殊的维护要求，且对原有建筑布局影响甚小，故在公共建筑的抗震加固上应用前景广阔。北京饭店、北京火车站和国家博物馆老馆改造等工程中都有应用（见图1、2）。 砌体结构。面层或板墙加固方法。当房屋抗震承载力不足时，可根据原砌体实际情况及强度相差大小分别采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层、钢绞线网-聚合物砂浆面层和现浇钢筋混凝土板墙加固方法。其中现浇钢筋混凝土板墙加固方法最为常用，如当既有多层砌体房屋的层数超过规定限值需改变结构体系或原有墙体抗震承载力差得较多时均首选该加固方法。尤其是喷射钢筋混凝土，除了增大断面外，还能填补砌体结构中的孔洞、缝隙、麻面等，施工速度快，加固效果易得到保证。增设抗震墙加固方法。当房屋抗震承载力不足且建筑使用功能允许时，对局部强度过低的原有墙体可拆除重砌并增设抗震墙，重砌和增设抗震墙的结构材料宜采用与原结构相同的砖和砌块，也可采用现浇钢
