抗震加固与改造技术探析

张春成， 吴顺庆

河南省第一建筑工程集团有限责任公司（450003）

1 抗震加固的迫切性

我国是多地震国家，自20世纪以来，共发生破坏性地震2600多次，其中6级以上的破坏性地震500余次。宏观震害经验表明,地震造成人员伤亡和经济损失的主要原因是房屋建筑的倒塌和工程设施、设备的破坏。世界上130多次伤亡巨大的地震，其中95%以上的人员伤亡是由于不抗震的建筑物倒塌造成的。

根据国际上和国内的成功经验,在地震发生之前对现有的结构物进行抗震加固可以提高现有结构的使用寿命和抗震能力，保障人民生命安全和国家财产免受损失，从总体上提高城市抗震防灾能力,从而最大限度的减少地震造成的损失。汶川地震后，我国广大工程技术人员“对设防前已建重要建筑物实施可行的加固是抵御地震灾害、延长建筑物使用寿命的有效措施。对建筑结构采取可行的加固措施后，其整体抗震能力增强，安全度提高，一旦遭遇地震可极大限度的减少人员伤亡及财产损失。”的呼吁，充分表明了我国建筑结构抗震加固的严重性和迫切性。

2 抗震加固与改造技术

2.1 加固与改造的范围

建筑物加固与改造是根据建筑物的鉴定结论,针对建筑物的缺陷和损坏进行修复,以恢复或提高建筑物的安全性和耐久性，也可结合加固改善建筑物的使用功能，满足新的适用性要求。根据我国相关的法律和规范要求，需要进行抗震加固的建筑物、构筑物主要包括三类:

1）未采取抗震设防措施的已建成的建筑物、构筑物，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。1997年由全国人大常委会通过的《中华人民共和国防震减灾法》中明确规定，这一类建筑物、构筑物包括:属于重大建设工程的建筑物、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、构筑物等。

2）抗震设防标准提高的地区已建成的建筑物、构筑物。现行《建筑抗震设计规范》对部分城市的设防烈度进行了调整，全国34个省会级城市中，南昌和石家庄提高一度设防；天津、郑州、海口、香港和台北提高“半度”设防。对这些城市或地区的建筑物、构筑物来讲，原有建筑物的抗震能力是否能满足新的抗震设防要求，应该通过抗震鉴定予以确定，如果不能满足抗震设防要求,则必须要进行抗震加固。

3）在地震中遭到破坏的建筑物、构筑物，震后经鉴定后认为有必要进行抗震加固以恢复其使用功能。

2.2 加固与改造技术的内容

目前，对建筑物、构筑物进行抗震加固与改造的技术有很多。这些抗震加固与改造的技术大体可分为两大类:一类是增大结构抗震能力的加固与改造技术;另一类则是减小地震作用的加固与改造技术。

2.2.1 增大结构抗震能力的加固与改造技术

建国几十年来，我国的抗震加固与改造技术得到了飞速发展。1976年唐山地震后,砌体结构抗震加固的问题日益突出，砌体结构抗震性能不好,砌体墙体抗震能力、变形性能的不足、房屋整体性不好。因此，增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网和水泥砂浆面层加固技术;增大结构整体性的压力灌浆加固技术、增设圈梁(构造柱)加固技术、拉结钢筋加固技术;通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体技术等应运而生。其中钢筋网水泥砂浆面层加固技术是由中国建筑科学研究院等单位研发的，该技术至今仍然广泛用于砌筑墙体的加固。

常见的混凝土柱加固技术有加大截面加固技术、外包钢加固技术、预应力加固技术、改变传力途径加固技术、加强整体刚度加固技术、粘钢加固技术以及碳纤维加固技术等。这些绝大部分都是经过长期实践检验可靠性比较高的技术，已收入国家标准《混凝土结构加固技术》(CECS25—90)。此类技术不仅有比较充分的理论依据,还提供了详细的计算公式。如混凝土柱的外包钢法加固技术，开始阶段的计算方法是分别计算混凝土柱和外包钢(外包钢按钢结构计算),当外包装的缀板加密并出现湿式的施工方法时,其计算按整体构件考虑；当缀板施加拉力时,可按约束混凝土进行计算。1960年，在瑞士和德国发展了外粘钢板加固钢筋混凝土结构的方法，粘钢加固法就是用薄钢板(4～6mm)或其它钢衬通过一种双组分环氧粘合剂粘于混凝土结构表面产生三相材料即混凝土—胶—钢板的复合系统。该法增加的构件自重很小，扩大构件断面很小，也不占用空间，是当前最受工程界青睐的一种混凝土结构加固方法。大量工程实践证明粘在混凝土梁受拉表面的钢板能提高抗弯能力,同时也能提高抗弯刚度并相应减少挠度和开裂。20世纪80年代初，辽宁省首先引进了该项加固技术，并用于实际工程。辽宁省建筑科学研究院和中国科学院大连物化所研制成功用于混凝土构件粘钢加固的JGN结构加固胶,使粘钢加固技术得以在国内迅速推广应用。1985年编制的 《工业与民用建筑抗震加固技术措施》标志着我国抗震加固技术已进入了世界先进行列。抗震加固工作达到了一个新高峰，据1987年统计，全国已加固房屋近2亿多米，并有一批桥梁、水库、烟囱、水塔等构筑物，加固量之大是世界罕见的。

20世纪90年代初，中国建材院研制出高流动性修补砂浆，使得混凝土构件的局部修补技术得以提高。该项新材料使得混凝土柱的制约加固技术成为现实。20世纪90年代中后期，纤维类材料用于加固的研究掀起了高潮，冶金建筑研究院引进碳纤维加固技术,河北省建筑科学研究院开发了丙纶纤维混凝土加固技术,中国建筑科学研究院开发了玻璃纤维水泥砂浆面层组合砌体加固技术等。

我国现有公路桥梁有很多是按照20世纪70年代或80年代初期颁布的设计标准建造的，其设计荷载普遍较低，针对各种重型车辆，尤其是工程用重型运输车的不断出现，公路桥梁负荷日趋加重，加之旧桥部分老化、破损，在桥梁加固领域中,由于体外预应力加固技术是对低强度混凝土构件加固的较好的方法，因而愈来愈受到人们的关注。工程实践表明采用预应力法加固桥梁在不增加桥梁自重的前提下受力明确、它可以大幅度提高旧桥的承载能力并有效减小裂缝宽度和增加加固后主梁的抗弯刚度(减小挠度)，提高结构的弹性恢复力，对原桥的结构损伤很小，不增加路面标高，不影响桥下净空。同时该方法具有施工简单，不占用空间等特点。可最大限度地减少对桥上交通的影响，只要合理安排施工流程，可以在有限开放交通的情况下组织施工。体外预应力是指将预应力钢筋布置于截面之外的预应力,是后张预应力体系的重要分支，是目前研究的热点。体外预应力加固通常是在梁侧或梁底下部增设预应力粗钢筋补强或预应力加劲钢丝索并分别锚固在梁的两端,通过联结构件使钢丝索或粗钢筋与梁体构成一个一次超静定桁架体系,通过施加体外预应力，起到以抵消部分恒载应力而卸载的作用，从而大幅度提高桥梁结构承载能力。它克服了其他方法加固材料中普遍存在的应力滞后的缺点,能保证结构和新旧材料的整体性与协同工作，可以做到随时更换预应力筋，维护修补十分方便。体外预应力加固技术现已从单纯应用于混凝土桥梁结构拓展到了钢结构、木结构、砌体结构等，充分证明了其在结构加固技术方面的优势。

2.2.2 减小地震作用的加固与改造技术

减小地震作用的加固技术一般包括隔震加固技术和消能减震加固技术。该方法看似没有加固结构，但实际上如果地震作用的减小，结构反应必然减小,这样就保证了该结构在地震发生时的安全。消能减震是在结构抗侧力构件中设置耗能构件(阻尼器)从而加大结构阻尼。通过附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量,减少结构地震反应为目的的减震加固技术。在消能减震结构体系中，当轻微地震或阵风脉动时，消能(阻尼)装置或元件处于弹性状态，结构具有一定的侧向刚度，以满足正常使用要求。在强烈地震作用下，随结构受力和变形增大,这些消能杆件和阻尼器进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，率先进入耗能工作状态，大量消耗输入结构的地震能量,充分发挥耗能作用避免主体结构进入明显塑性状态,从而保护主体结构在强震中不发生破坏，不产生过大变形。由姚冶平提出的消能减震加固技术目前已被成功地应用于各类工程中，中国革命历史博物馆、北京火车站中央大厅、北京饭店、北京展览馆等重要建筑的抗震加固改造工程中，都用了消能减振加固技术。至今已开始消能减震研究的国家超过25个，工程应用例子已超过300多例。从地震工程原理出发，结构周期增大时，结构刚度则减小，因此地震作用减小。隔震加固技术就是通过设置某种装置(隔震层)将地震与结构隔开，减弱或改变地震对结构的动力作用（将地震变形集中到隔震层上），使建筑物在地震作用下只产生很小的振动，不致造成结构或设施的破坏。此方法能阻隔剪切波向结构的传播，限制输入结构的能量，从而保证建筑结构内人员、设备的安全。

目前有橡胶垫隔震(基础隔震)、悬吊隔震、滚珠或滚轴隔震、滑移隔震、摆动隔震、弹簧隔震等多种隔震方法。较为成熟的做法是将隔震层放在原结构基础上，即基础隔震。即采用在房屋上部结构与基础之间设置阻尼高、水平变形大、能有效吸收地震能量的铅芯橡胶隔震垫,使房屋上部结构与基础完全脱开，从而增大结构周期，减小结构地震作用。

3 结语

随着结构加固技术的发展,结构的改造技术也得到了发展，结构的加固技术在结构的改造中发挥了作用。加固改造技术的标准化是该项技术成熟的标志,目前在用和即将颁布的加固改造技术规程有:《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB5O165—92（鉴定部分）、《混凝土结构加固技术规范》GB50367—2006、《钢结构加固技术规范》CECS77:96、《砖混结构房屋加层技术规范》CECS78:96等。

新的加固材料的研制是推动加固技术发展的动力。以往的经验告诉我们,检测鉴定技术的发展依靠于检验测试仪器的发展,加固技术的发展依靠于新材料的发展。由轻质、高强、抗腐蚀、耐高温的新材料构成的效果好、易施工的加固方法可推动加固材料的发展。

加固改造理论的提高是该项技术发展的另一个方面。目前,存在的问题是加固基本上是针对构造和承载能力不足的构件，缺乏从结构总体上的把握与判别；加固改造技术的提高还体现在施工技术改善和提高施工机具上，而在这方面的研究一直相对较少。据全国粗略统计目前仍有4亿多平方米的各类建筑和一批工程设施、设备和构筑物需要加固，大体相当于应加固面积的50%。5·12四川汶川大地震再次提醒我们，我国仍面临着严峻的地震形势，为达到全面减轻地震灾害的目的,发展抗震加固与改造技术的任务任重道远。