張鑫岳慶霞

(山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南250101)

0 引言

我國既有建筑面積已超過720億m2，由于接近或超過設計使用年限、原設計標準偏低、施工缺陷以及維修管理不善等原因[1]，約30%～50%的既有建筑出現(xiàn)了安全性降低或功能衰退，而使用年限超過30年的既有建筑占總量的30%以上，因此亟須對既有結構進行性能評估及相應的加固改造，從而延長其使用壽命，提升其使用功能與服役能力。同時，建筑物面臨地震破壞的威脅。既有建筑由于建設年代不同，抗震設防水平不一致，導致在強烈地震作用下，其抗震性能表現(xiàn)也不一致?？拐鸺庸桃殉蔀樘嵘淇拐鹦阅艿挠行緩健?/p>

隨著建筑功能多樣化的要求，既有建筑的改造已由單一功能改造轉變?yōu)樾阅苷w提升的復雜改造，如建筑物平移、整體頂升、既有建筑物糾傾、既有建筑地下空間開發(fā)等，在結構托換、結構復雜改造技術等方面需要開展相應的研究，以提升既有結構的使用性能與后期服役能力。

在結構加固改造研究領域，仍有很多科學問題和關鍵技術亟待解決和完善，建筑結構的性能評估方法、結構的綜合改造技術、基于結構抗震性能提升的抗震加固新方法等均需要進一步深入研究。文章主要從結構鑒定、加固改造技術的基礎理論和關鍵科學問題出發(fā)，綜述了該領域的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。

1 基于可靠度的既有建筑性能評估方法

目前，既有建筑的評估主要以GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》[2]和GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》[3]為基礎，這些標準為我國既有建筑物的檢測鑒定提供了一套較為完整的規(guī)范體系。雖然提到了鑒定等級與可靠度指標的關系，但既有建筑的可靠性鑒定方法總體還屬于實用鑒定法，以現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)為主對既有結構的現(xiàn)狀進行評估，對環(huán)境與荷載作用下，結構性能發(fā)展趨勢的預估較少，同時對基于結構性能退化的評定和結構后續(xù)使用壽命以及為未來的維修改造策略也涉及較少，因此缺乏從結構全壽命周期安全性和經(jīng)濟性平衡的角度出發(fā)考慮制定維修策略。

目前，新建建筑的結構設計建立了基于可靠度的設計方法[4]，設計中并未考慮結構抗力隨時間的衰減，將抗力作為隨機變量處理。但事實上，由于荷載與環(huán)境的共同作用，結構的材料性能會隨時間的增加及環(huán)境的影響逐漸老化，從而導致其力學性能降低。因此，對既有結構必須考慮抗力隨時間的衰減[5]，即考慮結構抗力退化。

考慮抗力退化的時變結構可靠度問題是結構可靠度領域的經(jīng)典難題?；诖耍琈ORI等[6]建立了考慮抗力和作用效應為隨機過程的時變可靠度模型，將既有結構的可靠度表示為多重積分的形式，導致直接求解較困難，而選用蒙特卡洛方法求解得到了可靠度，敏感度分析發(fā)現(xiàn)，時變可靠度對初始抗力及抗力退化模型的參數(shù)較為敏感。HONG等[7]改進了上述模型，考慮退化開始時間和抗力退化函數(shù)的不確定性及構件之間的相關性，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)體系的可靠度對構件相關性十分敏感。貢金鑫等[8]針對時變可靠度計算需要多重積分的難點，提出了一種簡化計算方法，將設計使用年限分為多個相等的時段，在每個時段分別利用傳統(tǒng)方法計算結構的可靠度，在結構抗力和荷載變化不是很大的情況下，其計算量小且計算精度能滿足工程要求。牛荻濤等[9]在抗力基本參數(shù)經(jīng)時變化分析基礎上，進一步考慮服役結構的抗力的衰減模型，建立了抗力相關參數(shù)的平均值和標準差數(shù)學模型。張俊芝等[10]在考慮抗力衰減模型的基礎上，考慮實測數(shù)據(jù)，利用貝葉斯方法更新抗力分布，研究了既有結構的可靠度。趙國藩等[11]提出當結構可靠指標為0.85倍的設計基準期內的目標可靠度時，該結構已處于破損狀態(tài)，必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用。

2002年以來，李杰等[12]和LI等[13]根據(jù)概率守恒原理，發(fā)展了隨機結構動力反應的概率密度演化分析方法，可應用于一般多自由度體系的隨機反應分析及可靠度。郭弘原等[14]以銹蝕鋼筋混凝土梁為研究對象，采用概率密度演化方法，建立了銹蝕鋼筋混凝土梁的時變可靠度計算方法，并與蒙特卡洛方法進行了對比。楊思昭等[15]分析了銹蝕后鋼筋混凝土梁的承載力，但分析結果中出現(xiàn)的一定服役時間后構件可靠度突然變化的情況需要進一步研究。概率密度演化方法的提出為基于概率密度函數(shù)的、精細的隨機結構可靠度計算開辟了新的思路。

重要結構如核電站、大壩、高層建筑等可以采用可靠度的精細化分析[16]，對一般結構來說，實用計算方法將更易于工程技術人員接受，目前結構可靠度的實用計算方法以分項系數(shù)法最為常用。MORI等[17]基于分項系數(shù)的方法，將結構抗力的衰減用抗力折減系數(shù)來表示，雖然只計算了服役年限為100年的情況下抗力的折減系數(shù)，但為既有結構考慮抗力衰減的可靠度計算提供了一個良好的思路。顧祥林等[18]基于目標使用期的既有建筑結構構件承載能力驗算的極限狀態(tài)表達式，對不同目標使用期內的荷載分項系數(shù)進行了優(yōu)化分析，并進一步得出構件的承載力分項系數(shù)，對既有建筑結構構件承載能力進行等級評定，更加符合實際情況，其進一步考慮子結構方法[19]，基于層次分析，提出了既有結構體系可靠度評估的實用方法。

新建結構設計基于可靠度理論，既有結構的鑒定評估也應與之相一致，在結構可靠度基礎上，考慮既有結構的荷載歷史、抗力變化情況，對既有結構進行安全性評估，在此基礎上，建立基于可靠度的既有結構性能評估方法。

2 基于體系的抗震加固新方法與加固后性能評估

既有結構由于設計標準變更以及設防烈度或設防類別的提高，使得結構抗震性能無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，因此既有結構的抗震加固成為解決這一問題的必要途徑。一些新型抗震加固方法與抗震技術的涌現(xiàn)，為結構的抗震加固提供了良好的基礎，加固后結構的性能評估及失效機制是評價結構加固效果的重要方面。

2.1 基于體系的抗震加固新方法

我國從1966年邢臺地震后開始京津地區(qū)的抗震鑒定加固工作[20]，發(fā)展到現(xiàn)在的綜合發(fā)展階段，下一步將向性能綜合提升階段發(fā)展[1]。

結構抗震加固方法目前以提高構件承載能力加固方法為主，如加大截面法、外包加固法等。另外，隨著減震技術的發(fā)展，減震、隔震加固也逐漸普及。但在抗震加固中，由于抗震設防標準的提高，有些抗震構造不滿足要求，若對所有構件進行加固，尤其是節(jié)點區(qū)域，加固困難且造價高。抗震加固的內涵應是結構抗震加固而非構件加固[21]，因此在確定結構抗震加固方案時，應首先考慮整體性加固方法，從結構體系抗震的角度，通過提高結構體系整體的抗震能力來實現(xiàn)，以避免“頭痛醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的構件加固方案。

基于結構體系的加固方法是加固技術發(fā)展的趨勢，如減震隔震、附加子結構和自復位技術等抗震加固新技術，是抗震加固的主要研究方向。

作為一種較為成熟有效的減震技術，隔震技術已經(jīng)列入了抗震設計規(guī)范中，在新建工程中推廣使用。但對既有結構來說，隔震加固的關鍵是上部結構的切斷與托換工作[22-23]。在這方面的研究還明顯不足，關于托換結構的設計方法還需進一步完善[24-25]。

另一種常用的加固方法為附加阻尼的加固。目前，國內有關單位采用增大阻尼的方法(消能減震)加固了北京火車站中央大廳[26]、北京飯店西樓[27]、沈陽市政府大樓[28]等大型公共建筑，均收到了較好的加固效果。

附加整體子結構的加固方法是利用附加整體子結構與原有結構的協(xié)同工作，增強結構的整體抗震能力，或改變原結構的結構體系，進而改善原結構的受力狀態(tài)和變形模式，從而提高結構的整體抗震性能，是一種結構體系的加固方法[29]。其中，搖擺結構是一種外部附加子結構的新型抗震結構體系，該體系分為搖擺及自復位框架結構、搖擺及自復位剪力墻結構、搖擺框架-核心筒結構，其主要研究新加結構與原結構體系的剛度協(xié)調。吳守君等[30]研究了搖擺墻與框架結構的設計相對剛度，提出了剛度協(xié)調的設計方法。張富文等[31]進行了框架搖擺墻結構的抗震性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)框架-搖擺墻結構較框架結構的承載力和耗能能力均有提高，可有效改善框架結構的變形模式，使層間位移趨向均勻，同時指出保證延性的關鍵在于連接節(jié)點的性能。國內首例搖擺墻框架結構的加固工程由山東建筑大學工程鑒定加固研究院在濟南榮軍醫(yī)院病房樓加固工程中實施[32]。

為了降低地震作用下原有結構失效的風險，大連理工大學程耿東等[33]和李剛等[34]提出了基于分災模式的抗震設計方法，通過設計分析，使結構在地震作用下主要失效模式是結構局部新加構件失效，保護原結構繼續(xù)承載豎向荷載。蘇原等[35-36]將該理論引入到抗震加固中，提出基于分災模式的抗震加固設計概念，對一棟7度設防的現(xiàn)有框架結構兩側分別添加一榀框架作為分災元件，當分災框架有合理的結構形式，且與原框架的側向剛度和承載力保持一定的比例，就可以使得塑性鉸率先出現(xiàn)在分災框架上，并能把7度抗震能力提升至8度，這證明了分災模式思想在抗震加固中是可行的。陳劍波等[37]提出了基于分災模式的鋼筋混凝土梁抗彎加固性能評估方法，并通過試驗證明加入分災元件的鋼筋混凝土梁抗彎加固性能有明顯提高。

抗震加固方法隨著新型抗震技術的發(fā)展而發(fā)展。但其應用于既有結構與新建結構的不同在于二者的協(xié)調共同作用或者分災的思想的實現(xiàn)，因此對加固后結構的抗震性能進行評估成為亟需解決的問題。

2.2 既有結構加固后抗震性能評估

結構的抗震性能評估一直是研究的熱點和難點問題。對既有結構和震損結構進行抗震性能評估，了解其在地震作用下的反應特性、薄弱環(huán)節(jié)和破壞機制，可以有效地減輕地震災害，為采取加固措施提供基本依據(jù)。

目前，對結構抗震性能進行評估的方法主要有靜力彈塑性分析法(Push-over)[38]與增量動力分析法(Incremental Dynamic Analysis，IDA)。靜力彈塑性分析法最早是由FREEMAN等[39]于1975年提出的，該方法不僅能考慮結構和構件的彈塑性性能，且計算簡便，是基于性能抗震分析的重要方法之一[40]。IDA方法[41-43]以大量的時程分析為基礎，利用強度不斷增強的大量地震動對結構進行時程分析，通過結構能力曲線分析其抗震性能。由于IDA方法需要對結構進行大量的時程分析，所以工作量較大。

隨著結構非線性性能研究的進行，非線性動力時程分析法或彈塑性時程分析法由于可以考慮結構的動力特性，成為結構分析的一個重要方面。近年來，隨著強震記錄的增多和計算機技術的廣泛應用，此方法越來越受到重視[44]。

基于性能設計的基本思想也已寫入了我國的抗震設計規(guī)范中。1996年，美國應用技術理事會(Applied Technology Council，ATC)發(fā)表了ATC-40報告，首次提出將基于性能的設計理論引入到混凝土結構的抗震加固中，并采用能力譜法進行結構性能評估[45]。徐開等[46]闡述了基于性能的抗震加固的發(fā)展狀況及目前存在的問題，從而在抗震加固中引入了基于性能的設計方法。

既有結構在抗震性能評估中需要考慮結構的抗力隨著使用年限的衰減[47-48]、地震荷載不同后續(xù)年限的調整，因此既有結構的抗震性能評估應該結合結構的抗力衰減與地震荷載的不同進行更為精確的評定。

2.3 既有結構加固后的抗震恢復性研究

可恢復功能防震結構[49-50]成為研究的熱點問題。近幾年，實現(xiàn)可恢復功能結構、可恢復功能系統(tǒng)與實現(xiàn)可恢復功能城市3個層面已經(jīng)成為國際地震工程界的共識和研究熱點。BRUNEAU等[51]和CIMELLARO等[52]將其引入到基礎設施及建筑結構性能評價中，用來描述地震等災害作用下基礎設施和結構維持或恢復預定功能的能力?？苫謴凸δ芙Y構在既有建筑加固中應具有更大應用價值，但目前的設計方法等研究還較少。

TRICA等[53]研究了以恢復性指標為目標的既有支撐框架修復加固方法，對比分析了加拿大溫哥華地區(qū)支撐框架的抗震恢復性以及結構加固對恢復性的提升效果；HUTT等[54]研究了不同地震風險水平下既有高層框架的抗震恢復性，對比了結構與非結構構件加固對恢復性的影響；DONG等[55]研究了隔震與非隔震鋼框架的抗震恢復性，結果表明，采用隔震措施后可以顯著降低震后經(jīng)濟損失，提高了結構的抗震恢復性。HUTT等[56]采用基于地震力設計方法的既有高層建筑結構的抗震性能的時程分析法，討論了加固措施對結構恢復能力的影響。

國內的結構抗震恢復性的研究相對較晚，但在近幾年形成了研究熱點。呂西林等[57]提出的可恢復功能結構體系，主要通過采用搖擺墻、搖擺框架、自復位或更換構件等方式實現(xiàn)其功能的可恢復性。李英民等[58]以恢復性為指標進行了框架梁鉸、柱鉸等結構不同損傷機制的評價；何政等[59]定義了新的考慮結構損傷的結構震后恢復指標計算方法，并評估了框架恢復性的評估。石晟等[60]從抗震韌性的角度研究了減震加固方案的合理性，對抗震韌性在抗震加固中的應用提供了一個新的視角。

雖然結構的抗震恢復性或韌性目前已形成研究熱點，但是如何對抗震加固后的結構進行韌性評估，目前的研究還處于起步階段。

3 基于托換技術的既有建筑綜合改造新技術

建筑結構改造是提升結構性能的重要技術手段，已由單一技術為主的單項改造向多項技術集成的綜合改造方向發(fā)展，如建筑整體移位、頂升、增層、既有建筑地下空間開發(fā)、建筑物糾傾等，亟須在對建筑物整體性能進行評估的基礎上，進行多項改造技術的集成創(chuàng)新。

在綜合改造技術中，結構托換是改造的關鍵共性問題，如建筑物移位技術需要建筑物托換、既有建筑地下空間開發(fā)需要先進行上部結構托換，再進行逆作法施工，建筑物頂升、增層、擴跨更首先需要結構托換的問題等，因此結構托換技術需進行深入系統(tǒng)地研究。

托換結構通常是由托換節(jié)點以及托換連梁組成的結構體系，目前的研究主要集中在托換節(jié)點的研究[23]。托換節(jié)點受力復雜，與普通的受彎或受剪構件不同，為深受彎構件；另外涉及新舊界面的結合問題，受多種因素影響，導致其破壞機理及失效機制不明確[61-62]。托換節(jié)點根據(jù)所托換構件不同，主要可以分為墻體和框架柱托換節(jié)點。

墻體托換一般采用單梁式混凝土托換、雙梁式混凝土托換、型鋼-組合砌體托換等。砌體托換結構因托換梁高度不同，將發(fā)生兩種情況的破壞:砌體墻與托換梁界面沖切滑移破壞及砌體墻的斜壓或局壓破壞[63]。托換梁為偏拉構件，其破壞與墻梁類似，另外對型鋼-組合砌體托換結構也進行了大量的試驗研究，得到了托換節(jié)點破壞模式及承載力計算公式[64]。

框架柱托換節(jié)點形式主要有鋼筋混凝土柱四面包裹式托換、單梁式托換、型鋼對拉螺栓托換等，其中四面包裹式托換節(jié)點，由于安全性能高及施工方便等優(yōu)勢，已成為托換節(jié)點的主要形式。四面包裹式托換節(jié)點處于彎、剪、扭復合受力狀態(tài)，具有空間受力特性，同時托換梁與柱的新舊混凝土界面是其受力的薄弱部位。在實際工程中，由于對其空間受力機理認識不足，為保證界面不發(fā)生破壞，設計的托換節(jié)點高度一般過大。另外，工程中也出現(xiàn)過由于托換節(jié)點破壞導致的工程事故，如河南信陽市某燃氣公司5層框架結構辦公樓平移，在平移過程中，由于托換結構開裂、變形嚴重，導致平移失敗。

因此，大型、復雜改造工程，托換荷載越來越大(如萊蕪高新區(qū)辦公樓重量達35 000 t，單柱托換荷載達11 700 kN)。為了適應托換結構受力的這一特點，岳慶霞等曾提出一種預應力托換節(jié)點[65]，通過施加預應力，增加對梁柱界面的約束作用，從而提高托換節(jié)點的承載能力，同時為了解決托換節(jié)點的界面薄弱面問題，還提出了在新舊混凝土界面植入大量界面錨筋[66]，不僅僅考慮界面錨筋的構造作用，同時考慮界面錨筋對抗剪承載力的貢獻，增加界面抗剪能力，從而提高新舊混凝土界面的承載能力。并對這兩種新型托換節(jié)點進行試驗及理論研究，分析了托換節(jié)點的受力特性及破壞機制，建立了托換節(jié)點承載力計算方法。

除托換節(jié)點的研究外，在一些復雜改造工程中，對托換結構提出了更高的要求，需要考慮托換結構的整體性、剛度以及對上部結構的影響等。將托換結構與上部結構割裂開來分別設計和分析，容易導致二者剛度和變形不協(xié)調，導致建筑物托換后出現(xiàn)開裂或傾斜等情況。

托換結構是結構性能提升的共性關鍵技術。對墻體托換來說，空間作用影響小，機理研究基本清晰。但對四面包裹式柱托換節(jié)點來說，由于對托換結構受力機理認識不足，對托換結構體系與上部結構體系的相互作用體系的研究還比較缺乏，導致設計的托換節(jié)點過大或存在安全隱患，應考慮建立二者相互作用的托換結構的整體設計方法。

4 展望

我國既有建筑加固改造與性能提升任重道遠，而在既有建筑的性能評估與剩余可靠度、既有建筑抗震加固及加固后的抗震性能評估、既有建筑的綜合改造、既有結構加固新材料等方面存在一些關鍵科學問題亟須解決。因此，面向國家經(jīng)濟社會發(fā)展重大需求，瞄準建筑結構加固改造的國際學術前沿，針對既有建筑性能評估體系的建立、抗震性能及使用性能的提升、抗震加固新材料及新方法等重大基礎理論和關鍵共性技術兩大創(chuàng)新目標，進行基礎和應用基礎研究具有十分重要的意義。