吳繁超

(福州外語外貿(mào)學(xué)院，福建 福州 350202)

近幾年，為了保證既有框架結(jié)構(gòu)加固的效果，逐漸將隔震技術(shù)應(yīng)用其中。其原理是在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間增設(shè)隔震裝置，通過隔震支座的彈性變形，消耗水平地震作用，有效提升既有框架的加固效果，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，延長其使用壽命。在既有框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用隔震技術(shù)加固之前，需要明確隔震技術(shù)的相關(guān)要求，通過隔震參數(shù)計算，確保隔震技術(shù)應(yīng)用的效果，保證既有框架結(jié)構(gòu)加固實現(xiàn)其綜合效益。

1 隔震技術(shù)的原理

隔震技術(shù)被廣泛應(yīng)用到既有框架結(jié)構(gòu)加固施工中，可以有效保證既有框架結(jié)構(gòu)加固的效果，提升其穩(wěn)定性和安全性。下面就對隔震技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容展開分析和闡述。

1.1 技術(shù)原理概述

隔震技術(shù)主要是利用建筑工程上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間的隔震裝備來延長框架結(jié)構(gòu)的基本自振周期，避開共振區(qū)，并且根據(jù)實際情況增設(shè)阻尼，利用隔震裝置消耗大部分的地震能量，實現(xiàn)建筑的“以柔克剛”，以此保證建筑工程既有框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。同時，隔震技術(shù)在加固應(yīng)用時，根據(jù)建筑工程的情況，將隔震裝置設(shè)置在既有框架結(jié)構(gòu)的下部(見圖1)，這樣可以將地震能量傳入到隔震裝置，通過隔震支座的變形，消耗地震作用，降低對既有框架結(jié)構(gòu)的影響，有效保證既有框架結(jié)構(gòu)加固的效果，提升其穩(wěn)定性和安全性。

圖1 隔震模型

1.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

隔震技術(shù)是一種經(jīng)濟性和安全性較高的技術(shù)，可以有效的減小地震作用對結(jié)構(gòu)的破壞程度，下面就對隔震技術(shù)原理展開分析與闡述。

(1)地震發(fā)生時，地面主要的運動周期基本在0.1～1 s之間，隔震技術(shù)通過在既有框架結(jié)構(gòu)下部設(shè)置隔震裝置，由于增設(shè)的隔震支座的水平剛度遠低于框架上部結(jié)構(gòu)的層間剛度，這樣可以使結(jié)構(gòu)的基本自振周期延長約2～5 s。通過延長結(jié)構(gòu)自振周期避免結(jié)構(gòu)共振，降低地震作用對原有結(jié)構(gòu)的破壞[2]。

(2)隔震加固技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)加固技術(shù)，可以有效解決傳統(tǒng)加固施工所帶來的弊端。首先，傳統(tǒng)加固技術(shù)采用“硬抗”的方式，通過加粗柱子，多加鋼筋，將房屋做得很剛來抵抗地震作用；隔震加固則通過“以柔克剛”消耗地震能量。周福霖院士表示，采用隔震減震技術(shù)可以將建筑物的抗震能力在“硬抗”的基礎(chǔ)上提高4～8倍[1]。其次，隔震加固基本不影響隔震層上部樓層的使用。再次，隔震加固只需對上部結(jié)構(gòu)局部樓層進行加固，傳統(tǒng)加固則要對上部的所有樓層進行加固，有效提高施工效率[3]。

2 隔震技術(shù)的應(yīng)用

為了保證既有框架結(jié)構(gòu)加固效果，提升既有框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，逐漸將減隔震技術(shù)應(yīng)用到其中，憑借著自身的優(yōu)勢，有效實現(xiàn)其綜合效益。下面就從不同角度和方向進行分析。

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

在隔震技術(shù)應(yīng)用時，在明確既有框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度、場地類別、設(shè)計地震分組等基本情況的基礎(chǔ)上，對隔震技術(shù)基礎(chǔ)參數(shù)進行分析。

需要構(gòu)建隔震結(jié)構(gòu)非線性模型，對既有框架結(jié)構(gòu)加固的靜力彈塑性進行分析，避免產(chǎn)生異常的現(xiàn)象。地震影響系數(shù)曲線是計算水平地震作用的依據(jù)。地震影響系數(shù)α1由地震影響系數(shù)最大值(αmax)、設(shè)計特征周期(Tg)、結(jié)構(gòu)自振周期(T)確定。水平地震作用FEK=α1Geq，公式中Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，

2.2 隔震支座

隔震支座是將建筑基礎(chǔ)(下部結(jié)構(gòu))與上部結(jié)構(gòu)隔開的柔性構(gòu)件，通過隔震支座的變形吸收地震能量，減少地震能量的傳遞，延長框架結(jié)構(gòu)自振周期。隔震支座在既有框架結(jié)構(gòu)加固中具有極為重要的作用。

2.2.1 隔震支座的特點

隔震支座主要有如下特點：(1)隔震支座耐久性好，具有較好的抗低周期疲勞性能以及抗熱空氣老化和抗臭氧老化能力，具有較好的耐酸性和耐水性，其壽命能長于或等于建筑物的使用壽命；(2)隔震支座具有很大的豎向承載力以及抗壓縮變形能力，能夠承受整個結(jié)構(gòu)體系的自重和荷載；(3)隔震支座具有較高的水平變形能力，在地震作用下，可發(fā)生柔性變形并吸收大部分的地震能量，減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞；(4)隔震支座具有彈性復(fù)位的特性，地震作用后可使建筑自動恢復(fù)至原位，可保障建筑物震后的正常使用。

2.2.2 隔震支座的數(shù)量的確定

隔震支座的數(shù)量還是比較好確定的，一般情況下只需要確定結(jié)構(gòu)柱的位置，并且根據(jù)其位置確定隔震支座的數(shù)量，這樣對既有框架結(jié)構(gòu)加固也可以起到一定的優(yōu)化作用。同時，在隔震支座數(shù)量布置的時候，需要對恒、活荷載作用下的靜力分析等方面進行綜合性考慮，并且需要對隔震支座的壓應(yīng)力、剪應(yīng)變、剪應(yīng)力等值進行計算，根據(jù)計算參數(shù)對支座的大小進行調(diào)整，以此滿足結(jié)構(gòu)隔震加固的要求。

2.2.3 隔震支座參數(shù)的確定

在確定隔震支座數(shù)量、大小以后，對隔震支座進行驗算，選取某品牌鉛芯隔震支座LRB500，LRB600為例，需明確隔震支座參數(shù)(見表1)。

表1 選取兩種型號隔震支座參數(shù)

2.2.4 隔震支座的安裝

在驗算完隔震支座后，進行既有框架結(jié)構(gòu)加固：首先，加大結(jié)構(gòu)上、下支墩，加固節(jié)點；其次，安裝支撐體系，對底層的結(jié)構(gòu)柱進行無損切割；再次，用隔震支座置換安裝；最后，現(xiàn)澆隔震層頂板，上部結(jié)構(gòu)進行局部加固。

2.2.5 隔震支座的質(zhì)量控制

隔震支座屬于特殊用途設(shè)備，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2010)》(2016版)的要求，隔震支座產(chǎn)品應(yīng)由建設(shè)部抗震辦認(rèn)定具有隔震支座產(chǎn)品檢測資質(zhì)的檢測單位進行檢測，檢測合格后方可進場使用[5]。隔震支座的質(zhì)量是隔震建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)。為了保證工程質(zhì)量，工程施工單位在隔震支座運送到施工現(xiàn)場時，應(yīng)及時對產(chǎn)品書面文件、數(shù)量及型號、外觀質(zhì)量和形狀尺寸等方面作詳細的驗收檢查，并對產(chǎn)品性能抽樣檢測。

(1)產(chǎn)品書面文件確認(rèn)

產(chǎn)品書面文件確認(rèn)工作主要包括以下內(nèi)容：隔震層部件供貨企業(yè)的合法性證明；隔震層部件出廠合格證；隔震層部件的產(chǎn)品性能出廠檢驗報告。

(2)產(chǎn)品外觀質(zhì)量檢查

橡膠支座運至現(xiàn)場確認(rèn)產(chǎn)品型號與結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書上規(guī)定的一致后，應(yīng)先對橡膠支座外觀質(zhì)量進行初步檢查，外觀檢查標(biāo)準(zhǔn)要求(見表2)。[6]

表2 外觀檢查標(biāo)準(zhǔn)表

(3)產(chǎn)品形狀尺寸檢查

如果橡膠支座外觀檢查合格沒問題，則可以進一步檢查產(chǎn)品的尺寸是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可通過測量支座直角的4點取平均值，檢查隔震支座總高度，尺寸允許的偏差要求(見表3)[6]。

表3 尺寸允許偏差表

2.3 減震阻尼器

減震阻尼器是以提供運動阻力，耗減能量的裝置。減震阻尼器需要從數(shù)量和參數(shù)等方面進行選擇。減震阻尼器的規(guī)格種類繁多，在具體應(yīng)用的時候，需要根據(jù)既有框架結(jié)構(gòu)加固的實際情況，通過計算分析，有針對性地選擇減震阻尼器的規(guī)格種類。

2.3.1 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度分布

采用支撐型耗能器，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度分布，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，確保新增支撐承受的地震力大于結(jié)構(gòu)地震力的增加，指標(biāo)上以樓層在地震作用下位移角曲線為參考，使得增加了阻尼器的結(jié)構(gòu)位移角曲線在各個樓層上均小于改造前的位移角。

2.3.2 增加結(jié)構(gòu)阻尼比

在不改變原有結(jié)構(gòu)剛度的前提下，提高結(jié)構(gòu)的阻尼比，可以選用黏滯阻尼器等，通過合理布置，提高整個結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，降低地震作用。

3 工程案例分析

本文以建于2000年的四層既有框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓隔震加固項目為例，該工程建筑面積大約3 050m2，基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土階梯型獨立基礎(chǔ)，場地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8度。根據(jù)抗震鑒定報告要求，該項目需進行加固改造。為了避免對該項工程既有框架結(jié)構(gòu)大面積的加固改造，影響上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部使用面積及建筑功能，擬采用隔震技術(shù)進行加固處理，具體的內(nèi)容從以下幾個方面展開論述。

(1)該教學(xué)樓項目抗震設(shè)防類別為乙類，屬于重點設(shè)防建筑。該工程抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度值為0.20 g，建筑高度17 m，可得高寬比為0.376 ? 4，基本自振周期0.891 5 s,框架變形特征接近于剪切變形,最大高度滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)(2016版)要求；同時，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值不宜超過既有框架結(jié)構(gòu)總重力的10%[5]，如表4所示，滿足規(guī)范要求, 故本方案可以優(yōu)先使用隔震加固方案, 以減輕地震對結(jié)構(gòu)及上部設(shè)施的破壞,保證地震中人員生命安全[7]。

表4 該項目風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值與結(jié)構(gòu)總重力的比值

(2)隔震技術(shù)在該工程加固時，通過隔震橡膠支座本身發(fā)生相對位移，消耗大量水平地震能量，減少傳入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，使上部結(jié)構(gòu)僅發(fā)生整體平動，降低地震對既有框架結(jié)構(gòu)的影響。在后期使用的過程中，要定期對的隔震橡膠支座進行跟蹤檢測，保證隔震支座不發(fā)生明顯的變形或者產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，確保隔震支座的正常使用。現(xiàn)場施工(見圖2—5)。

圖2 安裝支撐體系

圖3 底層柱的無損切割

圖4 上、下支墩鋼筋的綁扎

圖5 施工后的隔震支座

(3)根據(jù)各項分析可以明確，隔震技術(shù)在既有框架結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用的時候，可以有效減小層間剪力，減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)的破壞，使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍然處于彈性階段，達到“中震不壞”的要求，有效滿足該項建筑工程安全性、適用性、耐久性的要求[8-9]。

4 隔震加固應(yīng)用效果分析

目前，隔震技術(shù)廣泛的應(yīng)用到既有框架結(jié)構(gòu)加固中，通過對后期使用過程的跟蹤檢測，得知隔震技術(shù)的隔震加固效果明顯，主要表現(xiàn)在質(zhì)量提升、效率提高，經(jīng)濟效益較好等方面。

4.1 質(zhì)量提升

隔震技術(shù)在既有框架結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用的時候，可以通過各參數(shù)的計算，選擇合適的加固方式，有效降低異常情況的發(fā)生。

4.2 效率提高

既有框架結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)進行加固，有效提高施工效率。相比傳統(tǒng)加固，隔震加固施工基本不影響上部樓層的使用。施工過程中，混凝土和鋼筋的用量大大減小，減少濕作業(yè)工作量，有效節(jié)約人力、物力。

4.3 經(jīng)濟效益較好

既有建筑隔震加固施工包括基礎(chǔ)開挖與支撐體系、切柱與隔震支座托換、隔震層頂梁板現(xiàn)澆與下支墩加固。傳統(tǒng)加固費用為1 200元/m2，隔震加固費用為800元/ m2，其加固費用為傳統(tǒng)加固費用的2/3，有效提升經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

隔震技術(shù)采用“以柔克剛”的方式，根據(jù)地震影響系數(shù)曲線，通過延長結(jié)構(gòu)自振周期避免結(jié)構(gòu)共振降低地震作用對原有結(jié)構(gòu)的破壞；通過橡膠支座參數(shù)的計算分析，綜合各方面因素，選擇合適的隔震支座與阻尼器，可有效保證既有框架結(jié)構(gòu)隔震加固效果；從質(zhì)量、效率、經(jīng)濟方面對比既有框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用隔震技術(shù)加固與傳統(tǒng)技術(shù)加固，優(yōu)勢顯著，對建筑隔震加固行業(yè)的發(fā)展，也給予了一定的技術(shù)支持。