災(zāi)后重建與消能減震加固技術(shù)應(yīng)用
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災(zāi)后重建與消能減震加固技術(shù)應(yīng)用
國(guó)內(nèi)首次采用阻尼器對(duì)受損建筑加固并提高其設(shè)抗震防烈度
佟建國(guó) 韓家軍 任思澤
(四川國(guó)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(duì)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(lái)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(duì)于傳統(tǒng)加固技術(shù)有其特定的優(yōu)越性。從大國(guó)內(nèi)外消能減震加固實(shí)例和震后本公司加固的都江堰市北街小學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校藝術(shù)大樓加固的效果來(lái)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(lái)良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)28分,四川省汶川縣發(fā)生了里氏8級(jí)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(jí)級(jí)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(wàn)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(zhǎng)區(qū)域長(zhǎng)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(wàn)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(wàn)多農(nóng)戶，1000多萬(wàn)人因房屋倒塌或嚴(yán)重?fù)p毀而無(wú)家可歸，全省因?yàn)?zāi)經(jīng)濟(jì)損失超過1萬(wàn)億元。
1、震害分析
本次大地震對(duì)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(shí)有發(fā)生,震害原因主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)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(jià)材料和廉價(jià)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(shí)，會(huì)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(shí)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(píng)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(jì)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(shí),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(gè)個(gè)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(duì)學(xué)校,醫(yī)院體育場(chǎng)館、博物館、文化館、圖書館、影劇院、商場(chǎng)、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(jì),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(gè)方面。
2、消能減震加固技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
20世紀(jì)70年代,國(guó)際土木工程界首次提出了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念。美國(guó)是開展消能減震(振)技術(shù)研究較早的國(guó)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(gè)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(guó)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(lái)。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(dòng)反應(yīng)。許多建筑物、橋梁在采用隔震技術(shù)的同時(shí)，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(dòng)作用時(shí),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(gè)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(gè)ADAS裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固。意大利、法國(guó)及其他歐共體國(guó)家也已將該技術(shù)用于工程實(shí)際中。
20世紀(jì)80年代初我國(guó)土木工程界王光遠(yuǎn)院土首先 護(hù)引入了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念 ,隨后國(guó)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(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制等方向的研究,理論和試驗(yàn)研究、方案設(shè)計(jì)、結(jié)合實(shí)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(lái),我國(guó)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(shí)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(jì)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(lái)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(shí),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(lái)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(lái)分，可以按裝置的耗能材料分，可以按裝置的耗能機(jī)制來(lái)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(duì)速度或相對(duì)位移而產(chǎn)生滯回變形耗能的,相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大或相對(duì)位移越大,耗能則越多。一般來(lái)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(duì)使用功能有特殊要求的結(jié)構(gòu),如:存放大量危險(xiǎn)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(dòng)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(shí)尚需加強(qiáng)基礎(chǔ)或新增加基礎(chǔ),施工周期長(zhǎng),干擾用戶,而采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固時(shí),耗能器及其支撐構(gòu)件和連接件可預(yù)先制作,現(xiàn)場(chǎng)安裝,因而施工方便簡(jiǎn)單、施工周期短、而且不改變?cè)薪ㄖ娘L(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(duì)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(duì)學(xué)校，醫(yī)院體育場(chǎng)館、博物館、文化館、圖書館、影劇院、商場(chǎng)、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(jì)，增強(qiáng)抗震能力。在這種情況下,原來(lái)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(jiǎn)單,施工周期短,同時(shí)對(duì)施工環(huán)境要求不高,不會(huì)對(duì)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(xiǎn)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(jì)算準(zhǔn)確,結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)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(duì)每根柱子或每棍框架實(shí)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(duì)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(gè)整體,當(dāng)其抗震設(shè)防烈度需要提高一度的時(shí)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(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的梁柱截面進(jìn)行加固,如果僅加固個(gè)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(duì)整個(gè)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(shì)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(zhǎng),干擾性大,材料用量大，人工費(fèi)用高。
選用消能減震加國(guó)技術(shù)對(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)附屬系統(tǒng),可以顯著改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)反應(yīng)較小,控制裝置構(gòu)造簡(jiǎn)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(guó)家抗震設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有現(xiàn)澆板、梁的雙配、超配現(xiàn)象,設(shè)計(jì)實(shí)踐中的做法往往容易違背強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計(jì)。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(shí)踐的迅猛發(fā)展勢(shì)頭，2001年我國(guó)發(fā)布的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)將房屋隔震與消能減震設(shè)計(jì)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(shí)踐在我國(guó)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(guó)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(shí)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(jì)算方法、構(gòu)造措施、構(gòu)件安裝、施工、驗(yàn)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(shí)例
由于消能減震加固技術(shù)具有概念簡(jiǎn)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(lái)在國(guó)內(nèi)外有大量工程實(shí)踐。
5.1 5.12大地震后首個(gè)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(yàn)外國(guó)語(yǔ)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(yàn)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(gè)構(gòu)件采用傳統(tǒng)加固方法進(jìn)行加大截面,將帶來(lái)很大的工程量和較長(zhǎng)的施工工期,同時(shí),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(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固的方案。
首先加固受損柱頂,對(duì)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(jí)高一級(jí)的C35混凝土修補(bǔ)料對(duì)混凝土破壞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)找平,再對(duì)節(jié)點(diǎn)采用外包鋼法對(duì)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(gè)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(jì)算的樓層位移角確定:在一層安裝10個(gè)型號(hào)為KZ-700Sx100X的粘滯阻尼器和4個(gè)型號(hào)為KZ-700Sx100F的粘滯阻尼器(如圖24) ; 在二層安裝4個(gè)KZ- 700Sx100X的粘滯阻尼器和4個(gè)型號(hào)為KZ-700Sx100F的粘滯阻尼器(如圖25)。根據(jù)計(jì)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(lái)消能減震,加固因地震受損房屋在我國(guó)還是首次。本次加固費(fèi)用約為160萬(wàn)元;而進(jìn)行傳統(tǒng)加固至少要對(duì)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(wàn)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(wàn)元,總計(jì)費(fèi)用預(yù)計(jì)約為180萬(wàn)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(huì)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?duì)里邊重要的科研設(shè)備裝置的安全考慮,工程人員決定采用摩擦耗能支撐對(duì)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(gè)滑移為300kN的摩擦耗能器(圖29, 30) 。摩擦耗能器的使用使整個(gè)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(tái)中的國(guó)泰世華大樓,樓高為46層,完工后已成為臺(tái)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(jì)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?yàn)榈卣鹆刂?/span>) , 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(jì)需求。該工程共計(jì)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?jī)刹糠?，裙?/span>4層,塔樓25層(設(shè)計(jì)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(jì)為二十二層,施工至十二層時(shí)，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(jì)分析, Y方向在小震作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移個(gè)別樓層不滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(gè),對(duì)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(wàn)戶。由四川國(guó)方建筑機(jī)械有限公司和同濟(jì)大學(xué)共同設(shè)計(jì)施工的都江堰市北街小學(xué)實(shí)驗(yàn)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校藝術(shù)大樓工程竣工,震后首個(gè)消能減震加固項(xiàng)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(gè)方面再次真實(shí)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(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(duì)原有結(jié)構(gòu)的改動(dòng),工期短，工程量小，檢測(cè)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(duì)環(huán)境無(wú)影響,產(chǎn)生較少的建筑垃圾,阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)單、取材容易、制造簡(jiǎn)便、容易形成定型產(chǎn)品，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn),對(duì)生產(chǎn)要求不高,國(guó)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(huì)效益，對(duì)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(guó)成立以來(lái)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(wàn)群眾的切身利益,關(guān)系災(zāi)區(qū)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，必須科學(xué)推進(jìn)，恢復(fù)重建不是簡(jiǎn)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(jiān)持以人為本，貫徹落實(shí)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(shí)表現(xiàn)。以災(zāi)后重建為平臺(tái)，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(guó)家的大局。當(dāng)更加安全、美好的家園建設(shè)起來(lái)的時(shí)候，當(dāng)災(zāi)區(qū)人民又過上安居樂業(yè)的生活得時(shí)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(gè)消能減震加固工程由筆者所在的四川國(guó)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(jì)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(xiàng)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(guó)語(yǔ)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(bào)告寫作上給予的幫助。本報(bào)告的完成,參閱了國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的著作、論文和研究報(bào)告,特在此表示感謝。
其他對(duì)本公司完成大地震后首個(gè)消能減愛震加固工程給予幫助和支持的單位和個(gè)人，在此一并表示謝忱。
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