传统抗震加固技术和新型抗震加固技术的 总结与对比

时间:2014/09/04 | 作者: | 分类:技术储备 | 浏览:304 ℃ | 发表评论

在工业与民用建筑当中,很多的建筑在经过一定的使用年限之后,特别是早期没有进行抗震设防设计的部分建筑,都会出现各种各样的问题,例如建筑的使用功能降低,甚至是建筑的安全达不到要求。在这些情况下,要想继续使用这些建筑,就需要对他们进行改造和加固。建筑加固在欧美一些发达国家当中已经成为土木行业的主流项目。而在我国,抗震加固的研究工作始于20世纪60年代,也就是唐山大地震之后。不过,当时做抗震加固主要是探索抗震鉴定及加固的基本技术和管理方法,在实践中证明抗震鉴定及加固的必要性和有效性。到了1989年,国家正式发布了《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89),抗震鉴定和加固才走上了规范化的道路。但是限于建造时的设计和建造水平,加之施工质量的问题,近几年来大量的建筑需要进行抗震加固,特别是汶川地震之后,人们越来越认识到进行抗震设防和加固的重要性。针对不同的问题,工程师需要提出不同的改造加固方案。本文查阅的资料主要集中在混凝土结构和砖混结构的抗震加固技术上。

1、传统抗震加固技术的发展与分类

在混凝土结构和砖混结构中目前应用比较广也相对成熟的还是传统的抗震加固技术。钢筋混凝土和砖混结构的建筑在我国非常常见,其基础期一般为50年,目前有一大批建筑物已进入了中年期或者老年期,多数已有不同程度的损坏或者老化,出现裂缝、渗漏、剥落、缺损、钢筋锈蚀等现象,急需修复。

1.1混凝土结构的传统抗震加固技术

针对混凝土结构,目前应用比较广泛的加固方法有增大截面法外包钢加固法置换混凝土加固法粘钢加固法粘碳纤维加固法等。

增大截面法,顾名思义,即采用增大混凝土结构或构筑物的截面面积,以提高其承载力来满足正常使用的一种加固方法。可广泛用于混凝土结构的梁、板、柱等构件和一般构筑物的加固。

外包钢加固法,是指在需要加固构件的四周包上角钢,从而提高构件的承载力,增大延性和刚度。该方法适用于混凝土柱、梁等,其优点是现场工作量、施工方便和湿作业工作较少,受力安全;可用于不能增大原构件截面尺寸,但是又要求提高截面承载力的砌体柱的加固;其缺点为加固代价较高,其采用的防护措施类似与钢结构。用于承受静力作用的一般受弯及受拉构件;环境温度不应超过60℃,相对湿度不应大于70%,并且无化学腐蚀,否则应采取有效防护措施;应使用试验依据充分且性能满足使用要求的,并经过国家有关部门认证的结构胶;当原构件混凝土结构构件强度小于C15时,不宜采用本方法进行加固。

置换混凝土加固法,是指用性能好、强度高的混凝土材料置换原有结构强度低、韧性差的材料,而不影响建筑物的净空高度,不显著增大原构件的截面积。该方法适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土构件。当采用该方法加固梁式结构时,应对原构件加以有效的支顶。当加固柱、墙等构件时,应对原构件在施工全过程中的承载状态进行验算、观测和控制,置换界面处的混凝土不应出现拉应力,若控制有困难,应采取支顶等措施进行卸荷。

粘钢加固法,亦称粘贴钢板加固,是将钢板采用高性能的环氧类粘接剂粘结于混凝土构件的表面,使钢板与混凝土形成统一的整体,利用钢板良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。其特点包括:施工简便、快捷、基本不增加被加固构件断面尺寸和重量;建筑结构胶将钢板(型钢)与混凝土紧密粘接,将加固件与被加固体合为一体,结构胶固化时间短,完全固化后即可以正常受力工作。

粘碳纤维加固法,是指用粘结剂把碳纤维片黏贴在混凝土构件表面,发挥碳纤维高强抗拉作用。该方法可以几乎不增加结构自重,目前在工程上被广泛应用,适用于各种受力性质的混凝土结构构件。

1.2砖混结构的传统抗震加固技术

砖混结构的传统加固方法,相对混凝土结构而言,更加简便,主要针对的是20世纪70年代以前的未按抗震设防要求设计的建筑。对于圈梁和构造柱,主要的加固方法有钢筋网水泥砂浆法和混凝土板墙加固法;对于砖柱,通常采用外包混凝土和外包钢加固法。

钢筋网水泥砂浆法,又称为“夹板墙”,是在砖墙的两面敷设钢筋网片后抹上高强砂浆面层,形成组合墙体,可以提高砖墙的承载力,通常在加固圈梁、构造柱时一同使用。

混凝土板墙加固法,是在砖墙上敷设一层60~80mm厚度的配筋混凝土薄墙板,与砖墙共同工作,一方面可以大大提高结构的抗震承载力,另一方面还可以起到圈梁和构造柱的作用,增加砖砌体的延性。

外包混凝土加固法,能很大程度上提高轴心受压砖柱及小偏心受压砖柱的承载力。外包钢加固法,能提高砖柱的变形能力。

2、新型抗震加固技术的发展与分类

随着土建技术的不断发展和科技的进步,特别是21世纪之后,建筑加固技术也得到了长足的发展,进入了一个新的领域。加固技术发展到现在,尤其是在一些经济发达但是地震频发的国家,例如日本,新的加强建筑物抵御地震能力的方法主要分为三种途径:抗震加固、减震加固、隔震加固。其中,抗震加固是指利用增强结构构件的承载力和变形能力来抵御地震作用,吸收地震能量。减震加固是指在结构抗侧力构件中设置消能部件,通过其局部变形提供附加阻尼以吸收或耗散由地震输入结构中的能量,减少主体结构地震反应。隔震加固具有很大的发展潜力,是指在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层,隔离地震能量向上部结构传递,从而降低上部结构的地震作用。

2.1抗震加固在抗震加固新技术中,最具代表性的是日本开发的高弹性材料加固工法(SuperReinforcementwithFlexibility,以下简称SRF工法)。这种抗震加固技术,是用树脂纤维编织成形状如安全带一样的抗震带,在建筑物加固施工时,将抗震带涂上粘合剂,包裹固定在建筑物的支柱上。它的优点是施工方法简单、有效,而且费用低廉。另外,SRF工法还可以采用预应力的加固方法,即先对FRP施加预应力再外贴到结构上对结构进行加固,能克服FRP材性上的缺点,对结构同时进行有效的强度和刚度加固。除了上面介绍的SRF工法外,增设斜撑加固、框架加固、剪力墙加固也是几种有效改善建筑物抗震性能的抗震加固方法。这几种加固方法的共同点都是通过增加的部分来承担一部分地震力,从而可以提高结构的承载力和刚度,以达到改善建筑抗震性能的目的。

2.2减震加固减震加固通常的原理是在结构抗侧力构件中设置消能部件,一般是阻尼器,通过其局部变形提供附加阻尼,以耗散或吸收由地震输入结构中的能量,减少主体结构地震反应,达到预期的加固目的。加固当中用到的阻尼器种类繁多,目前比较常见的有摩擦型阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞性阻尼器等。据此也可以将减震加固技术按上述三类阻尼器划分为三种类型。

摩擦型阻尼器是用摩擦耗能装置,通过元件的相互滑动摩擦,以耗去结构的部分震动能量,目前研究开发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、多级摩擦型阻尼器以及摩擦复合耗能器等多种类型;摩擦型阻尼器一般只有在强震作用下才能启动,对于经常发生的中小地震或风载作用下没有任何功效,效率较低,但其造价往往较低,简便易行。

粘弹性阻尼器是通过粘弹性材料的滞回变形来减少结构的振动反应,具有构造简单、性能优越、造价低廉和耐久性好等优点;温度、频率等因素易对粘弹性阻尼器的耗能性能产生影响。

粘滞性阻尼器是通过活塞在缸体内往复运动,粘滞液体从一端流向另一端产生阻尼力,阻碍结构振动;粘滞性阻尼器对速度反应比较灵敏,能够吸收、衰减振动和冲击的能量从而减小结构的动力反应,减弱节点的局部受力,达到保护受力设备的目的。

除了上述三类通过阻尼器来实现减震加固的方法外,近年来日本还开始采用其他的一些耗能减震方法,如采用制震顶棚或者力臂减震器来实现减震加固。

2.3隔震加固隔震加固技术

相对于前两种加固方法,产生的时间相对较晚,也是目前各个国家正在努力研究的方向。它是通过在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层,隔离地震能量向上部结构传递,从而降低上部结构的地震作用。虽然隔震加固技术产生的时间相对较晚,但是目前已经研究出了不少的隔震方法,并且在美国和日本等国家已经有了成功的工程实例。这些方法的共同点是将隔震层放在原结构基础上,即基础隔震。隔振支座主要分为橡胶支座(图9)和滑动支座(图10)两类,具体分类可参见表1。隔震加固应用之后,在强震作用下,隔震装置率先进入非弹性状态,大量吸收或隔离地震能量,使上部结构保持弹性或不进入明显塑性状态;同时隔震加固技术可以节省工程造价,并且可以应用在各种结构形式的建筑改造加固当中。