既有结构外套式抗震加固的研究进展

刘翔宇，郭晓云，赵志漪

（防灾科技学院，河北 三河 065201）

0 引言

我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是地震灾害最为严重的国家之一［1］。在北京、上海等地区有大批建于20世纪七八十年代的建筑，这批建筑多数为砌体结构、剪力墙结构和框架结构，由于早期经济条件不足和规范要求较低，房屋的抗震能力较弱，而地震对这些房屋的破坏会更加严重，“十四五”规划中提出：城市更新严禁大量拆除建筑。因此，对现存抗震能力较低的建筑进行抗震加固既可满足抗震设防要求，也能提高我国城乡的整体抗震水平。

传统的既有结构加固方法包括直接加固法（增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、隔震加固法、CFRP加固法等）和构造加固法（增设圈梁构造柱、托梁换柱等），这些方法主要以加固原有建筑中的梁、柱、墙、板等单一结构构件为主。新兴的外套式加固方法是基于原有建筑在其外侧新增钢筋混凝土结构，新的结构与原建筑通过多种方式进行连接固定。传统加固方法能在一定程度上提高原结构的抗震性能，有成熟的施工设计经验，也有大量的工程应用实例，但其存在工程量大、改变了原结构的尺寸、工期长、影响施工现场的使用等缺点。而外套式加固方法可避免传统加固方法的缺点，通过外部新增的结构为既有建筑分担地震作用力，且新增的结构构件可事先在工厂预制，其具有不中断建筑的使用功能、不破坏室内装修、施工周期短、能显著提高原结构的抗震能力等优点。对安全性低的建筑进行加固能提高建筑的安全性和耐久性，也符合可持续发展的理念。

近年来国内外对外套式加固方法开展了广泛的试验研究和数值模拟研究，并应用于一些实际的工程案例，本文综合了外套式加固方法的试验和数值研究，在此基础上提出了外套式加固方法中的加固流程和有待解决的相关问题。

1 研究现状

我国现行标准规范［2］中针对既有结构的抗震加固方法以对结构构件加固为主，主要有以下几种：外加圈梁-钢筋混凝土柱加固法［3］、水泥砂浆和钢筋网砂浆面层加固法［4］、高延性混凝土面层加固法［5］、钢绞线网-聚合物砂浆面层加固法［6］、板墙加固法［7］、基础隔震加固法［8］、钢板条带加固法［9］、增大截面法、外包钢加固法、外贴FRP加固法、置换加固法和预应力加固法等（图1～6）。

图1 钢筋网砂浆加固Fig.1 The reinforcement method with steel mesh and mortar

图2 钢绞线网-聚合物加固Fig.2 The reinforcement method with steel strand-polymer

图3 基础隔震加固Fig.3 The base isolation reinforcement method

图4 钢板条带加固Fig.4 The steel strip reinforcement method

图5 增大截面法Fig.5 The increasing section method

图6 外包钢加固Fig.6 The clad steel reinforcement method

传统的抗震加固方法主要通过提高结构的承载力，增加其变形能力，虽然施工技术成熟，能提高原结构的抗震能力，但是在实施过程中仍有缺点，如：中断建筑的使用功能，在建筑内加固会减小使用面积，居民需暂时搬迁等问题。并且对大量的单个构件逐个加固工程量繁重，现场工期长，导致施工措施费、人工费等各种费用的增加。

目前国内没有统一的加固规范，北京市建筑设计研究院针对北京地区编写的《北京地区既有建筑外套结构抗震加固技术导则》［10］可以作为我国加固工程的指导性文件，根据国内外的研究及加固应用实例，既有房屋外套式加固方案可按新旧结构的受力关系分为整体式和分离式［11］，见表1。

表1 外套式加固方案的分类Tab.1 Classification of cladding reinforcement schemes

2 外套式加固既有结构抗震性能的研究

2.1 试验研究

砌体结构广泛用于住宅、宿舍等建筑，剪力墙结构广泛应用于高层建筑，框架结构由于能形成较大的空间，广泛应用于医院、学校等公共建筑中。众多震害表明［12-16］，未经抗震设防的砌体结构遭受的震害最为严重，我国存在很多早期建成的砌体结构、框架结构和剪力墙结构的建筑，这批建筑不满足现行的抗震要求，因此国内学者对这3种常见的建筑结构进行了一系列的缩尺加固抗震试验研究。

鱼骨式剪力墙的结构不满足我国目前的抗震要求［17-18］，苏宇坤等［19］提出外套式加固方法，对高层低配筋鱼骨式剪力墙老旧住宅进行外套式加固，在原建筑两侧延长横墙长度、增设纵墙，并在原结构顶部增加跨越屋面的大梁将两侧的加固部分连成整体（图7），采用力-位移加载的方式对1∶2的外套式加固缩尺模型进行低周期往复加载试验［20］，研究表明加固后的整体结构承载力得到大幅提高，层间位移角在1／200时，承载力到达峰值；层间位移角在1／100时结构连梁和剪力墙墙角被破坏，此时承载力为峰值承载力的85%，试验验证了加固后结构抗震性能得到了提高。

许国山、林琦等［21，22］以某14层剪力墙结构住宅楼为原型（图8），邓开来等［23］验证了该原型中的墙体承载力低、延性差，不满足抗震的要求。许国山等［24］取该原结构的3个标准开间为典型单元，对1／6缩尺模型进行外套式加固增层隔震研究，通过在原建筑纵墙外侧增设预制混凝土墙与原结构连接，在剪力墙结构顶新增两层钢框架结构，与原结构顶之间设置隔震支座，根据量 纲 分 析 法［25，26］确 定 相 似 条 件，根 据Buckinghamπ定理［27，28］确定相似比，模型完成后输入地震记录进行振动台试验，加固后模型结构在8度罕遇地震下没有发生倒塌破坏，加层隔震体系能够抑制地震响应，研究表明外套式加固结构能满足抗震的要求，且外套增层隔震加固后比非隔震体系整体抗震性能好。

图8 外侧增设预制混凝土墙体Fig.8 The building with adding precast reinforced concrete walls in the outside

陈曦等［29，30］通过对比传统砌体结构加固方式的优缺点，设计5层足尺砌体试验模型，提出采用预制钢筋混凝土墙板对纵向墙体加固，采用预制钢骨混凝土剪力墙对横向墙体加固，通过刚拉杆连接，构成钢筋混凝土外套。对加固后的结构横墙和纵墙分别进行拟静力和拟动力试验，试验结果表明外套式加固方法能大幅提高原有砖墙的耗能能力、抗侧刚度、承载能力和延性，加固后的模型满足抗震的要求，新增混凝外套能分担地震作用力，整体结构的抗震能力有显著的提高。

王曙光等［31］采用预制钢筋混凝土墙对砌体结构进行加固，设计了3个1∶4的缩尺模型，分别是加固、加固后加层非隔振和加固后加层隔震的模型（图9、10），并对模型进行振动台试验，试验结果表明经历7度和8度地震作用后，加固加层的模型基本处于弹性，加固模型损坏程度大于加固加层的模型，且加层隔震结构延长了结构的自振周期，提高了结构的阻尼比，降低了下部砌体结构的地震响应和上部钢框架的位移反应，比加固模型及加层非隔震模型的抗震性能更好。

图9 未加固砌体模型Fig.9 Unr einfor ced masonr y model

图10 加固砌体模型Fig.10 Reinforced masonry model

苏宇坤等［32］以北京地区鱼骨式剪力墙结构的住宅加固改造为背景，为验证外套式加固方法的有效性，采用OS算法［33］的拟动力加载程序TOHTP应用到加固项目中，采用拟动力子结构试验方法对1∶2缩尺结构模型进行研究，试验顶层最大层间位移角为1／190，αg，max＝400gal时结构达到极限荷载，结果表明外套式加固的老旧住宅能够满足抗震要求。

以上对既有建筑进行外套式加固的试验研究都表明外套式加固后新增结构能为原有结构分担作用力，能提高加固后建筑的整体抗震性能，但由于试验条件限制，试验和实际工程还有所差距，如：结构外部墙体底部受倾覆力矩大，地震过程中易与底座脱离，实际工程中可用桩基础增加连接能力，但试验中不能模拟；试验坐落在钢筋混凝土基座梁上，不能模拟工程结构所在的土体环境，不能考虑地基沉降对建筑的影响；且实际工程施工质量的高低影响着结构在地震作用下的表现。

2.2 数值研究

数值模拟研究采用不同的有限元分析软件建立加固和未加固的模型，输入不同的力加载程序和地震动波对模型进行抗震性能的分析，不断地改进模型的抗震性能，对试验结果进行补充，弥补试验条件的不足。

閤东东等［34］根据陈曦设计的外套式混凝土墙加固试验模型利用ABAQUS进行数值分析，并将计算方法运用于甘家口三号楼外套加固试点工程，经历罕遇地震的动力时程分析，试验结构各楼层的层间位移角均小于1／400，且加固后混凝土墙和砌体各承担50%的基底剪力，试验表明外套预制钢筋混凝土墙加固砌体结构后具有良好的抗震性能。

潘鹏等［35］根据閤东东建立的砌体-混凝土结构加固试验模型，使用ABAQUS进行数值建模，按照加固墙体数量、配筋率、加固墙体长度的不同建立6个足尺试验模型，并进行拟静力和拟动力试验，结果表明加固结构的承载力随着加固墙体长度的延长而增大，配筋率对加固结构的抗震性能影响较小，仅对未开洞横向墙体加固即可提升结构的承载力和延性。

王晓辰等［36］对北京市朝阳区某5层砖混结构居民楼采用PKPM建模计算，加固方案为外纵墙外贴预制剪力墙、横墙位置新加钢筋混凝土预制剪力墙，外侧新增墙体设置桩基础，利用ABAQUS对拉节点处进行静力分析，计算分析通过加固前后各楼层刚度对比，新增的外套剪力墙能承担大部分的地震作用，验证了外套式加固方法能提升砌体结构的抗震能力。

陈曦［29］利用ABAQUS采用均质单向材料模型建立五层足尺砌体结构（图11），外加的钢筋混凝土墙板与原结构通过刚拉杆连接，通过拟静力数值模拟，分析结构推覆应力云图，加固后的结构初始刚度明显增强，承载能力提高了3至5倍，通过拟动力数值模拟，加固后的结构在遇到峰值为0.40g的地震动时实际结构的位移响应比试验结果小，试验表明加固后的模型有很好的抗震性能。

图11 加固后的数值模型Fig.11 The numer ical model after reinforcement

任晓崧、刘创［37］对上海市区某6层砌体结构工程实例进行加层加固改造进行抗震，通过在原结构的南北外侧增加钢筋混凝土墙并与原墙体锚固，把结构型式变为混凝土-砌体混合结构。利用PKPM和SATWE建立3个8层的模型进行加固前后对比，在小震作用下和大震作用下进行计算，通过对比加固前后结构的楼层刚度、层间位移角和骨架曲线，计算结果表明新加外套钢筋混凝土墙能承担更多的楼层剪力，分担了大部分地震作用。

林琦［22］利用ABAQUS建立一栋14层剪力墙结构的1／6缩尺模型，采用预制混凝土进行外套式加固，在顶部增加两层钢框架与下部结构相连（图12），对未加层、层间隔震和层间非隔震3种加固模型施加试验地震工况，通过对比模型的振型和应力云图，结果显示外套墙体能承担一部分基底剪力和较多的倾覆力矩，且加层隔震能延长结构的周期，能有效控制结构的加速度响应和基底剪力水平。

图12 加固后的数值模型Fig.12 The numerical model after r einfor cement

王伟等［38］通过外加剪力墙的方法加固某中学4层框架校舍楼，利用SAP2000及PKPM 建立3个不同的结构加固模型，控制参数为剪力墙纵横向布置宽度，用Pushover［39］分析方法对初始模型和加固后的模型进行分析，结果表明增设的剪力墙有较大的刚度，在地震作用力下能分到较大的地震剪力和弯矩，原结构分配的地震剪力大幅下降，增设剪力墙后使结构各层变形趋于均匀化，减小楼层变形集中，达到了良好的抗震效果。

Wada等［40］提出在框架结构上附加摇摆墙（图13），形成摇摆墙框架结构体系，摇摆墙是一种底部具有一定的转动能力、抗侧刚度较大的结构墙体，能有效控制结构在地震作用中的侧向变形模式。在东京工业大学G3楼的加固改造中应用了摇摆墙体系（图14），G3楼是11层钢骨混凝土框架结构，加固方案为在建筑外立面附建预应力混凝土摇摆墙，在墙与既有框架柱之间安装钢阻尼器。曲哲等［41］利用ABAQUS对加固前后的结构进行弹塑性动力时程分析，结果表明：摇摆墙体系中加入阻尼器能有效减小结构在地震动输入下的地震响应，使结构的损伤模式和抗震性能更加易于控制，有效提高了结构的耗能能力和抗震承载力。

图13 摇摆墙框架结构体系Fig.13 Rocking wall frame structure

图14 摇摆墙加固G3楼模型Fig.14 G3 model with r ocking wall reinforcement

国内外学者对既有建筑进行外套式加固方法进行了一系列的理论研究，大量的有限元数值模拟的研究都为未来的真实试验和工程应用提供了依据和参考。但以上的研究都不是精细化建模，缺乏对砂浆与砖块、各个构件之间相互作用及连接处细节部分的考虑，且建模的水平和边界条件、拟静力和动力时程分析的模拟是否真实都会影响模拟的结果，以上这些因素都会产生数值结果与试验结果的差距，针对能减小误差的建模方法有待进一步研究。

2.3 工程应用

有众多的试验研究和数值研究作为基础，近年来国内外开始逐步将外套式加固方法应用到了实际的工程中。自2011年以来，既有建筑外套加固技术在北京市老旧小区抗震节能综合改造工程中得到广泛应用，为保障北京地区既有住宅的抗震性能做出了重要贡献［42］。

北京市建筑设计研究院提出预制钢筋混凝土结构外套式加固方法［43］，以北京市朝阳区农光里5层的砌体结构作为试点工程，在原建筑外加横墙和纵墙与原建筑连接，且在外加钢筋混凝土墙体下设桩基础防止沉降差，把结构形式变为混凝土-砌体混合结构（图15），利用外套预制钢筋混凝土墙体承担大部分的地震作用。

图15 农光里试点工程加固Fig.15 Cladding reinforcement of Nongguangli Pilot project

图16 框架结构采用外加剪力墙Fig.16 The frame structure with external shear walls

M.Yasar Kaltakci［44］针对土耳其中小学抗震能力不足的框架结构，采用外加剪力墙的外套式加固方法进行试验研究，结果表明这种加固方法能显著提高结构的侧向承载力、刚度以及抗震性能，并被应用于土耳其的中小学教学楼中，其他的加固方法特别是在建筑物内部进行施工将限制建筑的使用功能，导致教育计划中断，外剪力墙是一个实用和经济的加固方法。

韩兮［45］对北京市西城区展览路4号楼进行工程加固，在原砌体结构的外侧沿横墙方向增设钢筋混凝土剪力墙，在剪力墙与原砌体交接处的外纵墙方向设置外贴混凝土板墙，屋顶设置钢拉杆保证整体性，采用桩基础防止新旧结构的沉降差，抗震计算采用横向水平地震力全部由新加的横向剪力墙承担，纵向水平地震力全部由纵向外贴板墙承担的计算方法，结果表明加固的外套能吸收地震荷载达到抗震的效果。

申海洋、洪刚［46］以北京市某4层砌体住宅楼为工程实例，对原建筑结构进行抗震鉴定后建模计算，实际加固方案为在原结构两侧外纵墙外设两道纵向剪力墙、沿原结构横墙方向设置横向剪力墙通过刚拉杆与原建筑连接（图17），加固部分设置单独的钢桩基础，通过计算分析，这种外套式加固方法可以将地震剪力转移到钢筋混凝土外套部分。

郭剑飞等［47］对北京海淀区甘家口1、3、4号楼试点工程进行加固，在原有房屋纵向两侧增设预制钢筋混凝土墙板，使外套预制钢筋混凝土墙上下与屋顶卧梁、基础钢桩相连形成一体约束原有砌体（图18），加固后的建筑达到国家抗震标准，提高了砌体住宅的抗震性能。该技术通过了北京市住房和城乡建设委员会鉴定，并应用于农光里17号楼、新源里11号楼工程。

图18 甘家口试点工程加固方法Fig.18 Reinforcement methods Ganjiakou pilot project

目前国内外没有完全统一完整的外套式抗震加固的规范，以上的外套式加固案例仅仅是对一些试点工程的加固改造，我国各个地区之间建筑的结构形式有差异，实际工程加固改造中需要考虑的因素众多，如：涉及到建筑突出构件的拆除，原建筑的暖通和下水管线改路，新旧结构的连接是否结实可靠，新旧墙体的不均匀沉降，局部锚固节点的细节处理，后续的维护和保养方式，连接构件（刚拉杆、锚固螺栓等）没有统一的制作方法等，且实际工程改造的质量很大程度上依赖施工队的质量。

3 外套式加固方法的技术流程分析

目前外套式加固方案已应用于某些工程中，对既有建筑进行安全性、抗震性能进行评估，根据既有建筑结构类型的不同，利用全生命周期和价值工程理论对既有建筑加固方案进行技术经济分析，以有效地选择适用于既有建筑的加固方案［48］，再进行施工加固，对既有结构进行加固时可根据加固技术流程进行（图19）。

图19 加固工程流程图Fig.19 Flow chart of cladding reinforcement technology

既有建筑结构要求建筑结构应有足够的承载能力，结构构件因时间久、材料老化导致结构的强度不足，或因震后的塑性变形大而不适于继续承载，此时对既有建筑结构的安全性进行安全评估，可根据极限状态方程，即

式中，S为荷载效应，通过力学分析计算求得；R为结构抗力，如屈服极限、承载力等。当Z＜0，代表结构失效；Z＞0，代表结构可靠；Z＝0，代表结构处在极限状态。常用的结构可靠度分析方法主要有三种：一次二阶矩法、JC法、蒙特卡罗法［49］。

经济性可根据价值公式判断，即

式中，V表示价值；F表示性能或用途；C表示成本；C1为建造成本；C2为维护使用成本，成本越小，价值越大。对既有建筑进行加固的方案进行经济性分析是工程造价的重要环节，包括既有建筑结构的加固建造费用和加固后的使用和维护等费用［50］。

由于我国建筑类型众多，根据建筑的种类和结构的不同，选择合适的加固方案，设计详细的加固技术。如先判断新增结构为预制还是现场施工，新旧结构连接处的细节，再选取施工加固方案，建立全生命周期的性能和成本评估（图20），提高性能减少成本，提高建筑加固后的价值，延长建筑的使用寿命。完成既有建筑结构加固项目后进入维护阶段，对加固后的建筑进行施工质量验收和安全性评估，制定合理的维护方案，降低维护成本，提高加固建筑的经济价值和实用价值［51］。

图20 全生命周期评估Fig.20 Full life cycle assessment

4 研究展望

外套式加固方法中新增的部分能分担原有结构的外部作用力，提高结构的承载力和抗震能力，但把外套式加固技术应用于实际工程的方案和流程还不够成熟，新加外套结构与原结构的传力作用非常复杂，加固结构与原结构协同工作的情况不稳定，新旧结构之间连接得是否牢固和构件的质量决定了协同工作的传力情况。部分试验仅对模拟的有限元模型进行分析计算，缺乏大量可靠的实验数据支撑，是否能准确反映结构的实际受力情况还有待进一步研究。

综上所述，外套式加固既有结构还有以下方面需要进行研究：

（1）原结构与加固结构的分期建设对内力是否有影响，目前还缺少这方面的研究，对协同工作时的传力情况是否有影响还有待研究。

（2）加固方案中连接新旧结构的构件为薄弱部分，破坏后加固结构和既有结构分离，加固结构就无法减轻既有结构受到的地震作用，还需要研发新的协同工作关键技术来保证加固的可靠性。

（3）外套式加固方法涉及面广、考虑因素多、加固手段及连接种类多，且我国各地区之间各种结构建筑形式有差异，加固施工时涉及到原有暖通、对结构外立面处理、下水管道等线路改造等问题，在实际施工及设计方面的一些问题还待研究解决。

（4）国内外还没有一部完整、通用的规范或标准作为外套结构抗震加固的依据，实际工程中受各种因素的影响，加固质量参差不齐，加固后的结构抗震水平也不同，国内需要统一的加固标准和规范才能更好地提高加固的质量。

我国需要加固的既有建筑工程量大，因此应不断颁布、完善建筑加固方面的法规，推动我国对既有建筑加固的研究和发展，未来使加固改造工程成为我国建筑工程的重要部分，为我国的建筑加固行业带来发展契机和广阔的应用前景，对实现建筑资源节省、节能减排可持续发展的目标具有重要意义。