国内外抗震加固新技术的比较与应用

摘    要：总结了国内外已用于工程实践的抗震加固新技术，比较的各种加固方法的优缺点和应用条件，提出了抗震加固方案的选取要以满足建筑物的设防目标与性能要求为原则。各种新的抗震加固技术可用于指导国内建筑物的抗震加固工程实践。

关键词：抗震加固;新技术;比较与应用;方案选取

1  引言

近期，地震发生较频繁，造成了巨大破坏并引起广泛的影响。在加强对地震监测的同时，如何保证既有建筑的抗震性能，尤其是做到“大震不倒”，尽量减少人员的伤亡成为工程师们最为重视的问题。新抗震规范的颁布保证了新建建筑物抗震性能的提升，但是对于既有建筑，大部分都不会满足新抗震规范要求，那么如何对既有建筑更好的进行抗震加固，成为关键。传统的加固技术不仅仅受施工周期、经济条件和建筑场地的限制，而且不能够很好地满足现有建筑对抗震设防的要求 。

2  地震作用对建筑的影响

传统的加固方法大都通过增加结构刚度的截面法、包钢法等进行，但是这也会增大结构的质量和刚度。地震作用的特点是“遇强则强”，这样一来，结构受到的地震作用会变得更大，而新的加固方法采用耗能减震或基础隔震的理念，是一种“刚柔并济”或“以柔克刚”的抗震加固方法。

3  加固新技术

3.1  耗能减震加固新技术

耗能减震技术是利用安装在建筑物中的消能器，利用建筑物的变形，驱动消能部件中的消能器做功消耗能量，减小建筑物的振动反应，从而达到提高建筑物抗震能力的一项新技术。适用范围：框架结构、高层框架剪力墙结构、框架筒体结构、钢结构、排架厂房和体育场馆等，对于这些结构的抗倒塌性能提高尤为显著。优点是安全、经济、施工周期短、耗能明显（实验表明，耗能占到地震作用于上部结构总能量的90%），而且技术也比较成熟。

（1）增设摩擦型阻尼器。摩擦耗能装置由摩擦元件构成，这些元件相互滑动产生摩擦力，从而耗散结构的部分振动能量。在已有房屋的外侧设置含有摩擦减震器的减震斜撑，采用预应力钢材与已有结构结合为一体，通过减震器来吸收地震能量。

（2）增设金属阻尼器。金属阻尼器的耗能机理是通过金属元件的弹塑性变形来耗能。金属阻尼器的造价相对比较低，主要有轴向屈服型尼器、制震板（HADAS）、蜂窝型阻尼器。

（3）增设粘弹性阻尼器。粘弹性阻尼器由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而成，通过粘弹性材料的滞回变形来减小结构的振动反應。粘弹性阻尼器是一种主要与速度相关的减振装置，在任何位移下都发挥耗能作用，不过造价比较高。粘弹性阻尼器中有一种形式是制震壁，制震壁通常装在上下楼层的横梁间，是一种槽化的阻尼器，由一片內部钢板和两片外部钢板所构成的U形结槽，在內外钢板间注入高黏性的特殊物质，当地震发生时，利用黏性物质的阻尼力与热能转换消减地震能量，減缓建筑物结构上的晃动。因为制震壁通常是被建材包起来，在外观上不会影响建筑物的美观。

（4）增设粘滞性阻尼器。粘滞性阻尼器由缸体、活塞和液体构成，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，阻碍结构的振动。它是根据流体运动，特别是流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理制成的，是一种无刚度、速度相关型的阻尼器，造价较高。

（5）力臂式减震工法。力臂式减震工法是日本近年来出现的新工法，该工法利用设有减震器的肘结力臂式机构来放大结构的层间变形从而提高耗能效率，减少地震反应。

（6）制震顶棚系统。制震顶棚系统是在顶棚和墙之期间设置制震设备来减少地震时顶棚的振动，从而提高顶棚的耐震性能的系统。制震设备均匀的布置在顶棚外四周的墙壁上。制震设备可以简单的在原有顶棚上安装，因而该系统对于新建和修复都能适用。

（7）调频质量阻尼器（turned mass damper， TMD）。它是一个弹簧、阻尼器和质量快组成，当结构在外激励的作用下产生振动，带动TMD系统一起振动，系统产生的惯性力反作用于结构，调和结构受到的地震作用，从而达到减少结构振动的目的，是一种被动控制系统。美国世贸中心、波士顿Lohn Hanlock大楼和悉尼电视塔就是采用的这种减震方法。目前主要用于高层和超高层建筑，造价往往较高。

3.2   隔震加固新技术

基础隔震就是在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震装置（或系统）形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，利用隔震装置的高阻尼特性来隔离或耗散地震能量，以减少建筑物的地震反应。 此法的使用对象为中低层建筑，城市生命线工程及重要建筑（核工业建筑、医院、通讯等），对高层建筑和软弱地基上的建筑不宜使用，优点是加固效果好，抗震安全度高;不需要对非结构构件、设备、家具等再进行抗震处理，建筑物的功能和用途均不受影响，施工中也可照常使用;保证仪器和设备的正常使用。但是该方法也有很多缺点，设置隔震层后，穿过隔震层的设备管线需进行妥善的柔性连接，以及对下部停车场等功能地下室也会产生影响;造价较高，施工周期比较长，施工技术要求也较高;若其他构件的承载力不能满足，则需另外加固，增加了工程量。基础隔震主要采取增加橡胶垫支座，滑移支座和滚轴支座等形式。

3.3   加大刚度加固法

（1）增设斜撑加固。此法是利用斜撑来承担一部分地震力从而改善建筑物抗震性能的加固方法。按照形状来分主要有单斜撑、交叉斜撑、膝型斜撑、K型撑、V型斜撑和倒V型斜撑。其本质上是通过提高结构的抗侧力刚度来增大结构抵抗地震的能力。此法优点是重量较轻，工期较短，可确保结构的强度和延性，而且造价较低。缺点是由于钢支撑通常都是受拉杆设计，在往复地震作用下，容易屈服，耗能能力有限，震后需要替换，该方法在国内外应用普遍。

（2）增设框架加固。增设框架加固是利用新增框架来承担一部分地震力从而改善建筑物抗震性能的加固方法。外部增设框架的形式主要有钢框架、RC框架、预制拼装预应力框架和斜拉预应力框架。预制拼装预应力框架是采用预应力钢材将钢筋混凝土预制梁柱在现场组成框架，并与已有结构结合为一体。这种方法的使用条件是适用于中低层建筑，并且建筑物周围必须有足够的空地来保证设置外部框架。优点是加固工程在建筑物外部进行，内部仍可正常使用。缺点是造价高、工期长，并且建筑物的原立面造型全部变样，建筑内部的采光和通风也受到影响。

3.4  高性能材料

近年来，日本开发了SRF工法（Super Reinforcement with Flexibility，超高延性加固技术），是一种将中等强度的黏结材料黏贴高性能的聚酯增强材料的加固技术。优点是施工简单、工序少、重量轻和施工后材料没有毒性和刺激性，缺点是价格较高。

4  方案选取

好的加固方案不仅仅可以达到理想的加固效果，而且在经济、施工周期和后续养护方面都是方便的。针对我国经济发展不平衡，地区差异较大的国情，不同地区的经济体对地震灾害的承受能力不同，基于性能的抗震加固思想就是说选择一定的设计标准（远远具体于现行的抗震“三设防水准”），恰当的加固方案，保证建筑物的结构和非结构构件在地震作用下的性能水平，使建筑物在遭受一定水平的地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的结构状态或者说损失在业主的承受范围内。目前来说，基于性能抗震加固参数主要是限定建筑物的顶点位移或是层间位移角。通过与业主方的协商，在保证满足业主要求的情况下，最大的发挥设计师的主动性。

5  结论

新抗震加固技术无论在安全性、合理性，还是在经济性方面都优于传统抗震加固方法，加固方案的选取应该以被加固建筑的设防目标与性能要求为原则，在此基础上，综合考虑其他各方面的可行性。

参考文献：

[1] 周云. 耗能减震加固技术与设计方法[M].北京：科学出版社，2006

[2] 仇保兴. 地震灾后建筑修复加固与重建技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

作者简介：

张涛，男，上海同济大学结构工程专业。

吴建奇，男，山东建筑大学工程管理专业。

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