災(zāi)后重建與消能減震加固技術(shù)應(yīng)用
發(fā)布時間：2019-03-19 點(diǎn)擊次數(shù)：2451 新聞來源：【本站】
災(zāi)后重建與消能減震加固技術(shù)應(yīng)用
國內(nèi)首次采用阻尼器對受損建筑加固并提高其設(shè)抗震防烈度
佟建國 韓家軍 任思澤
(四川國方建筑機(jī)械有限公司成都610045 )
摘要:本文分析了5.12大地震中學(xué)校等公用建筑常用的框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象,介紹了消能減震加固技術(shù)的基本原理、基本概念應(yīng)用范圍和典型的阻尼器,對比分析了消能減震加固技術(shù)與傳統(tǒng)加固技術(shù)的各自特點(diǎn),介紹了消能減震技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。從廈害分析和建筑消能減震技術(shù)的特點(diǎn)來看,消能減震加固技術(shù)在震后建筑加固方面的應(yīng)用相對于傳統(tǒng)加固技術(shù)有其特定的優(yōu)越性。從大國內(nèi)外消能減震加固實例和震后本公司加固的都江堰市北街小學(xué)外國語學(xué)校藝術(shù)大樓加固的效果來看,消能減震加固技術(shù)在震后的應(yīng)月需求非常迫切,推廣應(yīng)用之必將帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
關(guān)鍵詞: 5.12大地震 震害分析 災(zāi)后重建 消能減震 加固技術(shù)
2008年5月12日14時28分,四川省汶川縣發(fā)生了里氏8級的大地震，震中位于北緯31度,東經(jīng)103.4度，地震最大烈度高達(dá)十一度,其震級級別、強(qiáng)度和烈度均超過1976年的唐山地震,破壞特別嚴(yán)重的地區(qū)超過10萬平方公里。地震的類型為“主震余震型”,共發(fā)生余震7000多次。余震區(qū)主要在龍門山斷裂帶,這狹長區(qū)域長約300公里,主要是理縣-汶川-茂縣-北川- 平武-青川這一帶。四川全省52%的面積受災(zāi),受災(zāi)人口占全省總?cè)丝诮?/3,城鎮(zhèn)居民住房倒塌、損毀和受到嚴(yán)重破壞的面積達(dá)8800多萬平方米,農(nóng)村居民住房倒塌和嚴(yán)重破壞的面積更是高達(dá)3.3億平方米,涉及到3.3萬多農(nóng)戶，1000多萬人因房屋倒塌或嚴(yán)重?fù)p毀而無家可歸，全省因災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失超過1萬億元。
1、震害分析
本次大地震對建筑的破壞情況十分嚴(yán)重,破壞方式也不完全相同,框架結(jié)構(gòu)的主要震害現(xiàn)象包括:倒塌、局部倒塌、填充墻破壞、柱端破壞,梁端破壞、樓梯間破壞等。
1.1框架結(jié)構(gòu)
在地震區(qū),鋼筋混凝土框架房屋倒塌情況時有發(fā)生,震害原因主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不滿足抗震設(shè)防要求,存在較多受力縱向鋼筋不足、構(gòu)造措施不到位、箍筋不足等現(xiàn)象(如圖1、2)。
框架結(jié)構(gòu)柱端破壞在這次地震中出現(xiàn)的比較多,較輕的在梁底500mm內(nèi)柱腳處出現(xiàn)一條或者幾條寬度在3mm以內(nèi)的裂縫(如圖3) , 較嚴(yán)重的柱端混凝土酥碎，豎向鋼筋外露突出屈服。震害現(xiàn)象大多表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”,而不是在梁端出現(xiàn)裂縫的"強(qiáng)柱弱梁" 的破壞現(xiàn)象(如圖4)，跟《建筑抗震設(shè)計規(guī)范( GB50011-2001 )》的要求背道而馳,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震反復(fù)荷載作用下出現(xiàn)最不利損傷。在地震過程中, 一旦損傷達(dá)到一定程度,出現(xiàn)整層塑性鉸,結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生倒塌。此外,該處多為施工縫,延伸結(jié)構(gòu)的施工工藝無法保證截面的結(jié)合強(qiáng)度,加劇了結(jié)構(gòu)的破壞。
框架角柱的震害比中柱的更為嚴(yán)重,由于結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),角柱的剪切變形更大,加之水平力產(chǎn)生的較大傾覆力矩,較容易出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象。
5.12地震屬于特大地震,最大地震烈度達(dá)到11度，在如此強(qiáng)烈的地震中破損和倒塌是不可避免的,原因不一而足,有投資不足而采用廉價材料和廉價技工的原因,也有學(xué)校建筑結(jié)構(gòu)自身的弱點(diǎn)，教室大開間,橫墻少,相比普通的住宅和辦公樓,抗震性能要差一些。
框架結(jié)構(gòu)的填充墻在承受水平地震作用時，會產(chǎn)生斜裂縫或者"X"型裂縫，屬于剪切型破壞。當(dāng)墻體與主體結(jié)構(gòu)連接不夠緊密的時候,往往容易發(fā)生墻體傾覆。房屋的填充墻布置不均勻、不合理的現(xiàn)象較為普遍，是造成填充墻破進(jìn)引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。上下填充墻布置得比較均勻的建筑中,雖然墻體破壞嚴(yán)重，但是梁柱節(jié)點(diǎn)受損較輕( 如圖5、6),合理布置填充墻起到耗能作用,進(jìn)而保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)的安全。
圖7所示樓梯因地板連接筋強(qiáng)度不夠,在地震作用下發(fā)生塌落,圖8所示樓梯在施工面處崩裂,圖9所示樓梯梁發(fā)生受彎破壞,框架結(jié)構(gòu)樓梯震害在地震中比較常見，樓梯間作為不規(guī)則的構(gòu)件,剛度大,產(chǎn)生剛度突變，在地震中吸收地震力相應(yīng)較多,容易產(chǎn)生破壞。
1.2磚混結(jié)構(gòu)
根據(jù)震后第一批房 屋應(yīng)急專家得出的初步評定結(jié)論,磚混結(jié)構(gòu)房屋是受災(zāi)害嚴(yán)重的房屋結(jié)構(gòu)之一。磚混結(jié)構(gòu)主要震害現(xiàn)象包括:倒塌、墻體開裂、預(yù)制板脫落、縱橫墻連接處破壞、樓梯間破壞等。圖10
學(xué)校、醫(yī)院等重要建筑倒塌嚴(yán)重,與結(jié)構(gòu)設(shè)計施工有很大關(guān)系,很多圈梁、構(gòu)造柱處理不當(dāng),如圖11所示梁的處理,如圖12所示縱橫墻連接處構(gòu)造柱的缺失,這些都造成了結(jié)構(gòu)受力的不合理,最終在大震面前不能保證"大震不倒”。
水平地震作用使墻體產(chǎn)生剪切變形,墻體在豎向力和剪力的共同作用下,當(dāng)其主拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時,產(chǎn)生斜裂縫。這類裂縫常出現(xiàn)在高寬比較大的橫墻和窗間墻(如圖13所示)。結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大,縱橫墻連接處不設(shè)置構(gòu)造柱,加之水平力產(chǎn)生較大的傾覆力矩,常出現(xiàn)如圖14所示的破壞現(xiàn)象。
學(xué)校、醫(yī)院等重要建筑倒塌、破壞現(xiàn)象嚴(yán)重,造成的人員傷亡十分慘重,北川中學(xué)、聚源中學(xué)、漢旺中學(xué)，東汽中學(xué)、北川醫(yī)院等學(xué)校和醫(yī)院的倒塌和一個個鮮活的生命的逝去,我們扼腕嘆息?！躲氪ǖ卣馂?zāi)后恢復(fù)重建條例》要求:對學(xué)校,醫(yī)院體育場館、博物館、文化館、圖書館、影劇院、商場、交通樞紐等人員密集的公共服務(wù)設(shè)施,應(yīng)當(dāng)按照高于當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ目拐鹪O(shè)防要求進(jìn)行設(shè)計,增強(qiáng)抗震能力。如何確保學(xué)校、醫(yī)院等重要建筑震后的安全性是我們必須要解決的課題?？煽康慕ㄖ庸碳夹g(shù)的使用是其中極其重要的一個方面。
2、消能減震加固技術(shù)簡介
2.1國內(nèi)外現(xiàn)狀
20世紀(jì)70年代,國際土木工程界首次提出了結(jié)構(gòu)振動控制的概念。美國是開展消能減震(振)技術(shù)研究較早的國家之一。 早在1972年竣工的紐約世界貿(mào)易中心大廈就安裝了10000個粘彈性阻尼器(減小風(fēng)振)。日本是結(jié)構(gòu)控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最快的國家,特別是1995年神戶地震發(fā)生后,采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。如NHK大廈, 20層,高92.6m,在X型鋼支撐上使用了剪切板耗能器，以減小振動反應(yīng)。許多建筑物、橋梁在采用隔震技術(shù)的同時，也采用了消能減震裝置。其中鉛阻尼器、鋼阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯和油阻尼器均有許多應(yīng)用。在加拿大, Pall型摩擦阻尼器己被應(yīng)用于許多新建建筑和抗震加固工程中,在減小結(jié)構(gòu)的振動作用時,還取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。新西蘭已將鉛阻尼器用于橋梁和建筑物中,惠林頓的一-座10層交叉支撐的鋼筋混凝土警察所,采用28個鉛擠壓阻尼器作為基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，效果良好。在墨西哥, ADAS裝置已用于多幢房屋的加固中,其中一座5層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的醫(yī)院采用了90個ADAS裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固。意大利、法國及其他歐共體國家也已將該技術(shù)用于工程實際中。
20世紀(jì)80年代初我國土木工程界王光遠(yuǎn)院土首先 護(hù)引入了結(jié)構(gòu)振動控制的概念 ,隨后國內(nèi)土木工程界的廣大學(xué)者、 研究人員深入展開了結(jié)構(gòu)隔震、 消能減震、吸振減震、主動控制、半主動控制和混合控制等方向的研究,理論和試驗研究、方案設(shè)計、結(jié)合實際工程分析研究、試點(diǎn)工程和應(yīng)用等工作逐步推進(jìn),并朝著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化的方向邁進(jìn)。
從九十年代以來,我國學(xué)者和工程技術(shù)人員也致力于該技術(shù)的研究與工程實用。東北某政府大樓鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用十字芯板摩擦消能器進(jìn)行加固,成功在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)兩層。云南省振戎中學(xué)飯?zhí)眉敖虒W(xué)樓鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用T型芯板擬粘滯消能器和鋼板-橡膠摩擦消能器進(jìn)行加固,宿豫縣計生委辦公樓鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)使用粘彈性消能器進(jìn)行加固,首都圈系列工程北京展覽館、北京飯店、北京火車站等鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)使用粘滯消能器進(jìn)行加固,成功提升了原結(jié)構(gòu)的抗震性能。
2.2消能減震加固技術(shù)的基本原理
消能減震加固方法就是通過在結(jié)構(gòu)上安裝消能減震裝置來達(dá)到抗震加固目標(biāo)的新方法。消能減震加固結(jié)構(gòu)在風(fēng)載和中、小震作用下,結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗側(cè)移剛度以滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求;在強(qiáng)烈地震作用時,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大,耗能(阻尼)減震器率先進(jìn)入耗能狀態(tài),大量耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,并迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),使主體結(jié)構(gòu)避免或延遲出現(xiàn)明顯的非彈性變形,確保結(jié)構(gòu)的安全性。
結(jié)構(gòu)消能減震加固即是在結(jié)構(gòu)物的某些部位(如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、聯(lián)結(jié)縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間等)設(shè)置耗能(阻尼)裝置(或元件)，通過消能(阻尼)裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲(或剪切、扭轉(zhuǎn))彈塑(或粘彈)性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,以減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震體系是把結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件(梁、柱節(jié)點(diǎn)作為消能構(gòu)件,地震中受損壞的是這些承重構(gòu)件，甚至導(dǎo)致房屋倒塌。而消能減震體系則是以非承重構(gòu)件作為消能構(gòu)件或另設(shè)阻尼器,它們的損壞過程是保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的過程，所以是安全可靠的。
2.3基本類型阻尼器的介紹
目前，研究開發(fā)的消能減震裝置種類很多，可以按消能裝置與位移和速度的相關(guān)性來分，可以按裝置的耗能材料分，可以按裝置的耗能機(jī)制來分，可以按裝置的受力形式分。
滯回曲線是各種消能器消能能力的重要指標(biāo),根據(jù)不同的消能器類型,從其中的最大出力和位移可以大致判斷消能器的消能能力,各種典型的消能器的滯回曲線如圖16
2.4消能減震技術(shù)應(yīng)用范圍
耗能部件屬非承重構(gòu)件,其功能僅在結(jié)構(gòu)變形過程中發(fā)揮耗能作用,而不承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向承載作用,即增設(shè)耗能部件不改變主體結(jié)構(gòu)的豎向受力體系,故消能減震加固技術(shù)不受結(jié)構(gòu)類型、形狀、層數(shù)、高度等條件的限制,應(yīng)用范圍廣闊,凡不需要提高豎向承載力而抗側(cè)剛度不足的結(jié)構(gòu)都可以采用消能減震加固方法。由于耗能器是因兩端產(chǎn)生相對速度或相對位移而產(chǎn)生滯回變形耗能的,相對運(yùn)動速度越大或相對位移越大,耗能則越多。一般來說,結(jié)構(gòu)越高、越柔、跨度越大、變形越大，或抗震設(shè)防烈度越高,消能減震效果越顯著,故消能減震技術(shù)尤其適用于高烈度區(qū)的多(高)層框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)等的加固。
對使用功能有特殊要求的結(jié)構(gòu),如:存放大量危險物品或有毒物品的建筑、首腦機(jī)關(guān)、救災(zāi)中心、放置貴重設(shè)備或特殊文物的房屋、紀(jì)念性建筑、特種醫(yī)院、通訊、消防、動力等重要建筑，抗震安全性要求較高,從經(jīng)濟(jì)性、安全性和技術(shù)合理性角度考慮,應(yīng)優(yōu)先采用消能減震加固方案。
采用傳統(tǒng)的加固方法施工復(fù)雜、有時尚需加強(qiáng)基礎(chǔ)或新增加基礎(chǔ),施工周期長,干擾用戶,而采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固時,耗能器及其支撐構(gòu)件和連接件可預(yù)先制作,現(xiàn)場安裝,因而施工方便簡單、施工周期短、而且不改變原有建筑的風(fēng)貌,例如北京火車站(圖17)和北京博物館,在不損壞原有建筑風(fēng)格的基礎(chǔ)上,均采用了粘滯阻尼器完成了抗震加固,取得了良好的加固效果。因此,對一些歷史性建筑物或公共建筑物應(yīng)優(yōu)先選用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固。
按照《汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例》要求,對學(xué)校，醫(yī)院體育場館、博物館、文化館、圖書館、影劇院、商場、交通樞紐等人員密集的公共服務(wù)設(shè)施,應(yīng)當(dāng)按照高于當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ目拐鹪O(shè)防要求進(jìn)行設(shè)計，增強(qiáng)抗震能力。在這種情況下,原來的設(shè)防要求達(dá)不到《汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例》要求的標(biāo)準(zhǔn),必須要進(jìn)行加固,在的震中沒有明顯的破壞的建筑,可以在不影響正常使用的情況下用消能減震加固技術(shù)進(jìn)行加固;在的震中有明顯的破壞現(xiàn)象而沒有喪失承載力的建筑,需要在有關(guān)專業(yè)鑒定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性、可靠性和適修性鑒定后,進(jìn)行局部修復(fù),然后使用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固。
3、消能減震加固技術(shù)與傳統(tǒng)加固技術(shù)的比較
3.1消能減震加固技術(shù)與傳統(tǒng)加固技術(shù)
阻尼器安裝方便、簡單,施工周期短,同時對施工環(huán)境要求不高,不會對建筑功能造成較大影響。如建筑上處理得當(dāng),還可增加美感,體現(xiàn)獨(dú)特的建筑風(fēng)格。阻尼器好比結(jié)構(gòu)體系中可更換的”保險絲”,既可保護(hù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件,也可在遭遇大震或特大震后,起到防止倒塌的關(guān)鍵作用,即便受損也可方便更換。阻尼器傳力明確,出力計算準(zhǔn)確,結(jié)構(gòu)計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際反應(yīng)差異小,抗震可靠性高。阻尼器率先消能,甚至可做到主體結(jié)構(gòu)彈性,可減小再次地震后的修復(fù)費(fèi)用。用阻尼器加固震損的混凝土框架,不需針對每根柱子或每棍框架實施加固。如果結(jié)構(gòu)震損輕微，只是由于震后當(dāng)?shù)氐幕玖叶群徒ㄖO(shè)防烈度需要調(diào)整,那么一般只需針對布設(shè)阻尼器的框架進(jìn)行局部加固,這樣,可大量減少濕作業(yè)或其他包裹式加固方式，甚至可在建筑物正常使用階段進(jìn)行施工,不影響正常使用。阻尼器可設(shè)置在建筑物外部或內(nèi)部,也可視情況僅在建筑物的局部設(shè)置。
3.2消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊優(yōu)越性
建筑結(jié)構(gòu)本身是一個整體,當(dāng)其抗震設(shè)防烈度需要提高一度的時候,不滿足要求的就是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度?？蛇x用的加固方法有傳統(tǒng)的加固方法和消能減震加固方法等。
選用傳統(tǒng)的加固方法進(jìn)行加固,則要對整個建筑結(jié)構(gòu)的梁柱截面進(jìn)行加固,如果僅加固個別樓層的梁柱,則容易造成剛度的突變,在不加固的樓層形成薄環(huán)節(jié),則結(jié)構(gòu)整體的抗震性能提高的不顯著或者達(dá)不到設(shè)防烈度提高一度的目的,也就是說形成了“木桶效應(yīng)”。對整個樓的梁柱進(jìn)行增加強(qiáng)度和剛度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度,結(jié)構(gòu)更“剛”了，則結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量就更多,也就是說形成了一定范圍內(nèi)的惡性循環(huán),勢必要大幅度的提高加固成本。傳統(tǒng)加固方法主要通過加大截面、增設(shè)墻體、粘貼鋼板等方法提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，以硬抗”為主，通常需要加強(qiáng)基礎(chǔ),構(gòu)件截面的加大壓縮使用空間，施工周期長,干擾性大,材料用量大，人工費(fèi)用高。
選用消能減震加國技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可以在某些控制部位加阻尼器，阻尼器系統(tǒng)僅是整個結(jié)構(gòu)的一個附屬系統(tǒng),可以顯著改善結(jié)構(gòu)的動力特性，是一種局部加固,整體性能提高的種加固方法。是一種“柔中帶剛”的減震加固思路,與原結(jié)構(gòu)相比,加固后的結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量并沒有顯著的增加，阻尼器在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮其吸收地震能量減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的作用而且不增加結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。消能減震加固方法主要通過附加的耗能裝置改變結(jié)構(gòu)的動力特性,在大震作用下消耗地震能量，以“柔”克剛,增設(shè)的耗能裝置為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不能響使用空間,振動反應(yīng)較小,控制裝置構(gòu)造簡單，易于安裝，施工周期短，干擾性小，節(jié)省材料，人工費(fèi)用低。所以消能減震加固技術(shù)在災(zāi)后重建中有其獨(dú)特的優(yōu)越性和不可替代性。
4、消能減震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化
現(xiàn)行國家抗震設(shè)計規(guī)范并沒有現(xiàn)澆板、梁的雙配、超配現(xiàn)象,設(shè)計實踐中的做法往往容易違背強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計。在施工過程中柱端箍筋加密措施也經(jīng)常做不到位。在地震荷載的往復(fù)作用下，容易造成柱頭的破壞。而消能減震加固技術(shù)能很好的解決這種豎向承載求滿足要交,而抗側(cè)能力不足的現(xiàn)象。
1995年，周云等提出了推進(jìn)消能減震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的建議?；诮Y(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)理論和實踐的迅猛發(fā)展勢頭，2001年我國發(fā)布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)將房屋隔震與消能減震設(shè)計納入其中,給出了基本的原則和方法,消能減震技術(shù)工程實踐在我國的不段推進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高,2006年李愛群等編制了《建筑減震粘彈性阻尼器》和《建筑減震粘滯阻尼器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 2005年廣東省建設(shè)廳批準(zhǔn)編制《建筑耗能減震技術(shù)規(guī)程》.2009年由廣州大學(xué)周云教授發(fā)起并擔(dān)綱主編同濟(jì)大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院清華大學(xué)等18家單位參編的《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)編制完成并獲得建設(shè)部的認(rèn)定,將在2009年9月份批準(zhǔn)實施。該規(guī)程給出了建筑使用消能減震技術(shù)的基本要求、計算方法、構(gòu)造措施、構(gòu)件安裝、施工、驗收和維護(hù)等內(nèi)容。消能減震加固技術(shù)的應(yīng)用將更加合理和規(guī)范。
5.消能減震加固技術(shù)的工程應(yīng)用實例
由于消能減震加固技術(shù)具有概念簡單、減震機(jī)理明確、減震效果顯著、安全可靠等特點(diǎn),近年來在國內(nèi)外有大量工程實踐。
5.1 5.12大地震后首個消能減震加固工程(使用粘滯阻尼器)
都江堰市北街小學(xué)試驗外國語學(xué)校藝術(shù)大樓,為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),框架層數(shù)為五層,總高度18米。按照7度抗震設(shè)防,但在5.12特大地震中,原結(jié)構(gòu)還是遭到了破壞,-層柱柱頂受損(如圖18)，一、二層墻體出現(xiàn)裂縫(如圖19 ) ,局部墻體破碎,局部樓梯構(gòu)件受損。
通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震驗算,發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)多數(shù)梁柱不滿足抗震要求,如果逐個構(gòu)件采用傳統(tǒng)加固方法進(jìn)行加大截面,將帶來很大的工程量和較長的施工工期,同時,加大柱子截面將減小建筑的使用面積,最后通過論證,提出采用消能減震加固技術(shù)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固的方案。
首先加固受損柱頂,對節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土鑿面,剔除損壞部位破損的混凝土,并用吹風(fēng)機(jī)吹凈混凝土表面粉塵,然后采用比原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級高一級的C35混凝土修補(bǔ)料對混凝土破壞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)找平,再對節(jié)點(diǎn)采用外包鋼法對節(jié)點(diǎn)做加固處理(如圖20、21)。最后用錨栓將鋼板固定在柱子上(如圖22 )。
該加固工程使用的消能裝置是上海材料研究所研制開發(fā)的粘滯阻尼器(如圖23)，粘滯性阻尼器是消能減震控制技術(shù)中的一種消能裝置,被安裝于結(jié)構(gòu)某部位(如節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件、樓層空間等),在小震作用下,阻尼器處于彈性狀態(tài),給結(jié)構(gòu)提供剛度,結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗側(cè)剛度。在中、強(qiáng)地震作用下,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的增大,阻尼器進(jìn)入彈塑性狀態(tài),產(chǎn)生較大阻尼力,通過把地震中傳入結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為阻尼介質(zhì)的熱能,大量消耗傳入結(jié)構(gòu)中的地震能量,以確保主體結(jié)構(gòu)在中、強(qiáng)震中的安全使用。
該五層樓加固工程共用20個粘滯阻尼器,最大出力為700KN (如表1 ) ,根據(jù)消能器的布置原則和振型分解反應(yīng)譜發(fā)計算的樓層位移角確定:在一層安裝10個型號為KZ-700Sx100X的粘滯阻尼器和4個型號為KZ-700Sx100F的粘滯阻尼器(如圖24) ; 在二層安裝4個KZ- 700Sx100X的粘滯阻尼器和4個型號為KZ-700Sx100F的粘滯阻尼器(如圖25)。根據(jù)計算結(jié)果,支撐采用π字型(如圖26)、斜拉(如圖27)的鋼支撐。
該學(xué)校使用粘滯阻尼器來消能減震,加固因地震受損房屋在我國還是首次。本次加固費(fèi)用約為160萬元;而進(jìn)行傳統(tǒng)加固至少要對基礎(chǔ)和一- ~三層共32根柱子做截面加大處理,每根柱子加固費(fèi)用大約為5萬元,另傳統(tǒng)加固過程中損壞的墻體樓面板以及水電管線等恢復(fù)費(fèi)用約為20萬元,總計費(fèi)用預(yù)計約為180萬元。采用粘滯型阻尼器加固節(jié)省了不低于10%的費(fèi)用。而且使用阻尼器技術(shù)加固,不會壓縮房屋使用面積,拆除工作量小，施工干擾性小且周期短,基本上終身不用維護(hù)。
5.2摩擦消能器在加固工程中的應(yīng)用
聯(lián)邦電子科研大樓位于加拿大首都渥太華,它建于1993年,在2003年增加了一層。這是一幢3層的混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑,帶有一層的地下室?；趯镞呏匾目蒲性O(shè)備裝置的安全考慮,工程人員決定采用摩擦耗能支撐對其進(jìn)行加固。摩擦支撐的布置如圖28所示，在兩條斜支撐的交點(diǎn)處共安裝23個滑移為300kN的摩擦耗能器(圖29, 30) 。摩擦耗能器的使用使整個加固工程變得很經(jīng)濟(jì),而且這些阻尼器可以吸收地震能量,保護(hù)建筑及其里面的設(shè)備。
5.3金屬消能器在加固工程中的應(yīng)用
臺中的國泰世華大樓,樓高為46層,完工后已成為臺中市的標(biāo)志性建筑,該工地新建過程中恰巧遭遇921集集大地震,由于地震過后該地區(qū)的抗震規(guī)范修正,使其設(shè)計地震力提高,致使原結(jié)構(gòu)的短向(如圖31所示的平面圖)不滿足抗震要求(因該方向為地震力控制) , 必須提升其剛度與強(qiáng)度，故安裝BRB構(gòu)件于該方向上,以達(dá)設(shè)計需求。該工程共計安裝80支純鋼造挫屈束制支撐于結(jié)構(gòu)短向上,分布從地面層至地上20層為止(如圖32所示) ,安裝后的構(gòu)架立面如圖33所示。
5.4粘彈性消能器在加固工程中的應(yīng)用
潮汕星河大廈位于汕頭市金環(huán)路東側(cè),總建筑面積27976.8平方米,地下1層，地上總高度98.70m。分塔樓和裙房兩部分，裙樓4層,塔樓25層(設(shè)計22層,后加3層)。結(jié)構(gòu)平面形狀為橢圓形。結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系為核心剪力墻筒外框架體系。
潮汕星河大廈由于原設(shè)計為二十二層,施工至十二層時，業(yè)主提出增加三層,結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鍖?/span>,經(jīng)初步設(shè)計分析, Y方向在小震作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移個別樓層不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求,經(jīng)采用傳統(tǒng)加固方案和采用消能減震加固方案對比分析后,確定采用消能減震加固方案。
本工程的耗能部件采用由廣州大學(xué)周云教授研制的復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器(如圖34)。根據(jù)耗能支撐的布置原則和振型分解反應(yīng)譜法計算的層間變形確定:在第4、6.、7.、11、16.、20、24層安裝阻尼器，每層四個,對稱布置。第6 、7層阻尼器安裝于4軸及7軸，其余安裝于5軸及6軸。圖35為阻尼器結(jié)構(gòu)布置平面圖。阻尼器連接放置做法見圖36 。
6、在災(zāi)后重建中應(yīng)用的意義
5.12特大地震造成四川災(zāi)區(qū)大量房屋倒塌、損毀，其中城鎮(zhèn)住房受損2.26億平方米需要加固的超過100萬戶。由四川國方建筑機(jī)械有限公司和同濟(jì)大學(xué)共同設(shè)計施工的都江堰市北街小學(xué)實驗外國語學(xué)校藝術(shù)大樓工程竣工,震后首個消能減震加固項目投入使用，從科學(xué)的理念、標(biāo)準(zhǔn)的施工、良好的使用的效果多個方面再次真實的說明了消能減震加固技術(shù)在震后建筑加固方面的優(yōu)越性。國內(nèi)外消能減震技術(shù)在不斷發(fā)展,消能減震加固發(fā)迅速普及,使用消能減震技術(shù)對災(zāi)后受損的房屋進(jìn)行加固、避免或減輕建筑物的震害是既經(jīng)濟(jì)又有效的手段之一。
5.12地震后,中國工程院土木、水利與建筑學(xué)部和包括周福霖院士、歐進(jìn)萍院土、王亞勇教授、呂西林教授、翁大根教授、周云教授、李宏男教授、劉偉慶教授、佟建國教授高工等在內(nèi)的很多建筑結(jié)構(gòu)知名教授、專家呼吁在災(zāi)后重建中使用消能減震加固技術(shù)。消能減震加固技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的建筑加固技術(shù)之一，具有減震效果好,盡量減小對原有結(jié)構(gòu)的改動,工期短，工程量小，檢測修復(fù)方便等優(yōu)點(diǎn),而且阻尼器在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對環(huán)境無影響,產(chǎn)生較少的建筑垃圾,阻尼器構(gòu)造簡單、取材容易、制造簡便、容易形成定型產(chǎn)品，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn),對生產(chǎn)要求不高,國內(nèi)已有廠家量產(chǎn)。在災(zāi)后重建若能廣泛應(yīng)用,必將取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對建筑抗震新技術(shù)的推廣也具有深遠(yuǎn)的意義。
“5.12”汶川特大地震是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的地震。災(zāi)后恢復(fù)重建工作關(guān)系到幾千萬群眾的切身利益,關(guān)系災(zāi)區(qū)的長遠(yuǎn)發(fā)展，必須科學(xué)推進(jìn)，恢復(fù)重建不是簡單復(fù)制，采用先進(jìn)可靠的消能減震技術(shù)進(jìn)行災(zāi)后重建，是抗震救災(zāi)精神中“以人為本、科學(xué)重建"的具體體現(xiàn)，符合堅持以人為本，貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀的要求，是尊重自然規(guī)律、科學(xué)規(guī)律,充分依靠科學(xué)的切實表現(xiàn)。以災(zāi)后重建為平臺，推廣消能減震技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)符合建設(shè)創(chuàng)新型國家的大局。當(dāng)更加安全、美好的家園建設(shè)起來的時候，當(dāng)災(zāi)區(qū)人民又過上安居樂業(yè)的生活得時候,我們才可以莊重地告慰地震中遇難的同胞。
7、鳴謝
5.12大地震后首個消能減震加固工程由筆者所在的四川國方建筑機(jī)械有限公司和同濟(jì)大學(xué)合作完成，從設(shè)計到施工,直至竣工投入使用,感謝同濟(jì)大學(xué)呂西林教授、翁大根教授等提供的指導(dǎo)，感謝本公司員工的努力工作和大力配合。
感謝省建設(shè)廳、都江堰建設(shè)局等單位在項目上給予的的幫助和指導(dǎo)。感謝都江堰市北街小學(xué)外國語學(xué)校校方及周列劍先生給予的幫助和支持。
感謝廣州大學(xué)周云教授在報告寫作上給予的幫助。本報告的完成,參閱了國內(nèi)許多學(xué)者的著作、論文和研究報告,特在此表示感謝。
其他對本公司完成大地震后首個消能減愛震加固工程給予幫助和支持的單位和個人，在此一并表示謝忱。
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