灾后重建与消能减震加固技术应用
灾后重建与消能减震加固技术应用
国内首次采用阻尼器对受损建筑加固并提高其设抗震防烈度
佟建国 韩家军 任思泽
(四川国方建筑机械有限公司成都610045 )
摘要:本文分析了5.12大地震中学校等公用建筑常用的框架结构、砖混结构的震害现象,介绍了消能减震加固技术的基本原理、基本概念应用范围和典型的阻尼器,对比分析了消能减震加固技术与传统加固技术的各自特点,介绍了消能减震技术的标准化进程。从厦害分析和建筑消能减震技术的特点来看,消能减震加固技术在震后建筑加固方面的应用相对于传统加固技术有其特定的优越性。从大国内外消能减震加固实例和震后本公司加固的都江堰市北街小学外国语学校艺术大楼加固的效果来看,消能减震加固技术在震后的应月需求非常迫切,推广应用之必将带来良好的经济和社会效益。
关键词: 5.12大地震 震害分析 灾后重建 消能减震 加固技术
本次大地震对建筑的破坏情况十分严重,破坏方式也不完全相同,框架结构的主要震害现象包括:倒塌、局部倒塌、填充墙破坏、柱端破坏,梁端破坏、楼梯间破坏等。
1.1框架结构 在地震区,钢筋混凝土框架房屋倒塌情况时有发生,震害原因主要是由于结构设计不满足抗震设防要求,存在较多受力纵向钢筋不足、构造措施不到位、箍筋不足等现象(如图1、2)。
框架结构柱端破坏在这次地震中出现的比较多,较轻的在梁底500mm内柱脚处出现一条或者几条宽度在3mm以内的裂缝(如图3) , 较严重的柱端混凝土酥碎，竖向钢筋外露突出屈服。震害现象大多表现为“强梁弱柱”,而不是在梁端出现裂缝的"强柱弱梁" 的破坏现象(如图4)，跟《建筑抗震设计规范( GB50011-2001 )》的要求背道而驰,导致结构在地震反复荷载作用下出现最不利损伤。在地震过程中, 一旦损伤达到一定程度,出现整层塑性铰,结构很容易发生倒塌。此外,该处多为施工缝,延伸结构的施工工艺无法保证截面的结合强度,加剧了结构的破坏。
框架角柱的震害比中柱的更为严重,由于结构的扭转效应,角柱的剪切变形更大,加之水平力产生的较大倾覆力矩,较容易出现承载力不足现象。
5.12地震属于特大地震,最大地震烈度达到11度，在如此强烈的地震中破损和倒塌是不可避免的,原因不一而足,有投资不足而采用廉价材料和廉价技工的原因,也有学校建筑结构自身的弱点，教室大开间,横墙少,相比普通的住宅和办公楼,抗震性能要差一些。
框架结构的填充墙在承受水平地震作用时，会产生斜裂缝或者"X"型裂缝，属于剪切型破坏。当墙体与主体结构连接不够紧密的时候,往往容易发生墙体倾覆。房屋的填充墙布置不均匀、不合理的现象较为普遍，是造成填充墙破进引起结构破坏的主要原因。上下填充墙布置得比较均勻的建筑中,虽然墙体破坏严重，但是梁柱节点受损较轻( 如图5、6),合理布置填充墙起到耗能作用,进而保护了主体结构的安全。
图7所示楼梯因地板连接筋强度不够,在地震作用下发生塌落,图8所示楼梯在施工面处崩裂,图9所示楼梯梁发生受弯破坏,框架结构楼梯震害在地震中比较常见，楼梯间作为不规则的构件,刚度大,产生刚度突变，在地震中吸收地震力相应较多,容易产生破坏。
1.2砖混结构
根据震后第一批房 屋应急专家得出的初步评定结论,砖混结构房屋是受灾害严重的房屋结构之一。砖混结构主要震害现象包括:倒塌、墙体开裂、预制板脱落、纵横墙连接处破坏、楼梯间破坏等。图10
学校、医院等重要建筑倒塌严重,与结构设计施工有很大关系,很多圈梁、构造柱处理不当,如图11所示梁的处理,如图12所示纵横墙连接处构造柱的缺失,这些都造成了结构受力的不合理,最终在大震面前不能保证"大震不倒”。
水平地震作用使墙体产生剪切变形,墙体在竖向力和剪力的共同作用下,当其主拉应力超过抗拉强度时,产生斜裂缝。这类裂缝常出现在高宽比较大的横墙和窗间墙(如图13所示)。结构平面不规则,结构的扭转效应较大,纵横墙连接处不设置构造柱,加之水平力产生较大的倾覆力矩,常出现如图14所示的破坏现象。
学校、医院等重要建筑倒塌、破坏现象严重,造成的人员伤亡十分惨重,北川中学、聚源中学、汉旺中学，东汽中学、北川医院等学校和医院的倒塌和一个个鲜活的生命的逝去,我们扼腕叹息。《汶川地震灾后恢复重建条例》要求:对学校,医院体育场馆、博物馆、文化馆、图书馆、影剧院、商场、交通枢纽等人员密集的公共服务设施,应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计,增强抗震能力。如何确保学校、医院等重要建筑震后的安全性是我们必须要解决的课题。可靠的建筑加固技术的使用是其中极其重要的一个方面。
2、消能减震加固技术简介
2.1国内外现状
20世纪70年代,国际土木工程界首次提出了结构振动控制的概念。美国是开展消能减震(振)技术研究较早的国家之一。 早在1972年竣工的纽约世界贸易中心大厦就安装了10000个粘弹性阻尼器(减小风振)。日本是结构控制技术应用发展最快的国家,特别是1995年神户地震发生后,采用结构控制技术的建筑如雨后春笋般涌现出来。如NHK大厦, 20层,高92.6m,在X型钢支撑上使用了剪切板耗能器，以减小振动反应。许多建筑物、桥梁在采用隔震技术的同时，也采用了消能减震装置。其中铅阻尼器、钢阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞和油阻尼器均有许多应用。在加拿大, Pall型摩擦阻尼器己被应用于许多新建建筑和抗震加固工程中,在减小结构的振动作用时,还取得较好的经济效益。新西兰已将铅阻尼器用于桥梁和建筑物中,惠林顿的一-座10层交叉支撑的钢筋混凝土警察所,采用28个铅挤压阻尼器作为基础隔震系统，效果良好。在墨西哥, ADAS装置已用于多幢房屋的加固中,其中一座5层钢筋混凝土结构的医院采用了90个ADAS装置进行了结构加固。意大利、法国及其他欧共体国家也已将该技术用于工程实际中。
20世纪80年代初我国土木工程界王光远院土首先 护引入了结构振动控制的概念 ,随后国内土木工程界的广大学者、 研究人员深入展开了结构隔震、 消能减震、吸振减震、主动控制、半主动控制和混合控制等方向的研究,理论和试验研究、方案设计、结合实际工程分析研究、试点工程和应用等工作逐步推进,并朝着标准化、规范化、产业化的方向迈进。
从九十年代以来,我国学者和工程技术人员也致力于该技术的研究与工程实用。东北某政府大楼钢筋混凝土框架结构采用十字芯板摩擦消能器进行加固,成功在原结构基础上增设两层。云南省振戎中学饭堂及教学楼钢筋混凝土框架结构采用T型芯板拟粘滞消能器和钢板-橡胶摩擦消能器进行加固,宿豫县计生委办公楼钢筋混凝土框架结构使用粘弹性消能器进行加固,首都圈系列工程北京展览馆、北京饭店、北京火车站等钢筋混凝土框架结构使用粘滞消能器进行加固,成功提升了原结构的抗震性能。
2.2消能减震加固技术的基本原理
消能减震加固方法就是通过在结构上安装消能减震装置来达到抗震加固目标的新方法。消能减震加固结构在风载和中、小震作用下,结构体系具有足够的抗侧移刚度以满足结构正常使用要求;在强烈地震作用时,随着结构侧向变形的增大,耗能(阻尼)减震器率先进入耗能状态,大量耗散输入结构的地震能量,并迅速衰减结构的地震反应,使主体结构避免或延迟出现明显的非弹性变形,确保结构的安全性。
结构消能减震加固即是在结构物的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等)设置耗能(阻尼)装置(或元件)，通过消能(阻尼)装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑(或粘弹)性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量,以减小主体结构的地震反应。
传统的结构抗震体系是把结构的主要承重构件(梁、柱节点作为消能构件,地震中受损坏的是这些承重构件，甚至导致房屋倒塌。而消能减震体系则是以非承重构件作为消能构件或另设阻尼器,它们的损坏过程是保护主体结构的过程，所以是安全可靠的。
2.3基本类型阻尼器的介绍
目前，研究开发的消能减震装置种类很多，可以按消能装置与位移和速度的相关性来分，可以按装置的耗能材料分，可以按装置的耗能机制来分，可以按装置的受力形式分。
滞回曲线是各种消能器消能能力的重要指标,根据不同的消能器类型,从其中的最大出力和位移可以大致判断消能器的消能能力,各种典型的消能器的滞回曲线如图16
2.4消能减震技术应用范围
耗能部件属非承重构件,其功能仅在结构变形过程中发挥耗能作用,而不承担结构的竖向承载作用,即增设耗能部件不改变主体结构的竖向受力体系,故消能减震加固技术不受结构类型、形状、层数、高度等条件的限制,应用范围广阔,凡不需要提高竖向承载力而抗侧刚度不足的结构都可以采用消能减震加固方法。由于耗能器是因两端产生相对速度或相对位移而产生滞回变形耗能的,相对运动速度越大或相对位移越大,耗能则越多。一般来说,结构越高、越柔、跨度越大、变形越大，或抗震设防烈度越高,消能减震效果越显著,故消能减震技术尤其适用于高烈度区的多(高)层框架结构、钢结构和大跨结构等的加固。
对使用功能有特殊要求的结构,如:存放大量危险物品或有毒物品的建筑、首脑机关、救灾中心、放置贵重设备或特殊文物的房屋、纪念性建筑、特种医院、通讯、消防、动力等重要建筑，抗震安全性要求较高,从经济性、安全性和技术合理性角度考虑,应优先采用消能减震加固方案。 采用传统的加固方法施工复杂、有时尚需加强基础或新增加基础,施工周期长,干扰用户,而采用消能减震技术进行抗震加固时,耗能器及其支撑构件和连接件可预先制作,现场安装,因而施工方便简单、施工周期短、而且不改变原有建筑的风貌,例如北京火车站(图17)和北京博物馆,在不损坏原有建筑风格的基础上,均采用了粘滞阻尼器完成了抗震加固,取得了良好的加固效果。因此,对一些历史性建筑物或公共建筑物应优先选用消能减震技术进行抗震加固。 按照《汶川地震灾后恢复重建条例》要求,对学校，医院体育场馆、博物馆、文化馆、图书馆、影剧院、商场、交通枢纽等人员密集的公共服务设施,应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计，增强抗震能力。在这种情况下,原来的设防要求达不到《汶川地震灾后恢复重建条例》要求的标准,必须要进行加固,在的震中没有明显的破坏的建筑,可以在不影响正常使用的情况下用消能减震加固技术进行加固;在的震中有明显的破坏现象而没有丧失承载力的建筑,需要在有关专业鉴定机构的结构安全性、可靠性和适修性鉴定后,进行局部修复,然后使用消能减震技术进行加固。
3、消能减震加固技术与传统加固技术的比较
3.1消能减震加固技术与传统加固技术
阻尼器安装方便、简单,施工周期短,同时对施工环境要求不高,不会对建筑功能造成较大影响。如建筑上处理得当,还可增加美感,体现独特的建筑风格。阻尼器好比结构体系中可更换的”保险丝”,既可保护主体结构构件,也可在遭遇大震或特大震后,起到防止倒塌的关键作用,即便受损也可方便更换。阻尼器传力明确,出力计算准确,结构计算结果与结构实际反应差异小,抗震可靠性高。阻尼器率先消能,甚至可做到主体结构弹性,可减小再次地震后的修复费用。用阻尼器加固震损的混凝土框架,不需针对每根柱子或每棍框架实施加固。如果结构震损轻微，只是由于震后当地的基本烈度和建筑设防烈度需要调整,那么一般只需针对布设阻尼器的框架进行局部加固,这样,可大量减少湿作业或其他包裹式加固方式，甚至可在建筑物正常使用阶段进行施工,不影响正常使用。阻尼器可设置在建筑物外部或内部,也可视情况仅在建筑物的局部设置。 3.2消能减震加固在灾后重建加固中的特殊优越性
建筑结构本身是一个整体,当其抗震设防烈度需要提高一度的时候,不满足要求的就是结构的抗侧刚度。可选用的加固方法有传统的加固方法和消能减震加固方法等。 选用传统的加固方法进行加固,则要对整个建筑结构的梁柱截面进行加固,如果仅加固个别楼层的梁柱,则容易造成刚度的突变,在不加固的楼层形成薄环节,则结构整体的抗震性能提高的不显著或者达不到设防烈度提高一度的目的,也就是说形成了“木桶效应”。对整个楼的梁柱进行增加强度和刚度,增强结构的整体刚度,结构更“刚”了，则结构在地震中吸收的地震能量就更多,也就是说形成了一定范围内的恶性循环,势必要大幅度的提高加固成本。传统加固方法主要通过加大截面、增设墙体、粘贴钢板等方法提高结构的强度和刚度，以硬抗”为主，通常需要加强基础,构件截面的加大压缩使用空间，施工周期长,干扰性大,材料用量大，人工费用高。
选用消能减震加国技术对建筑结构进行加固，根据建筑结构的特点,可以在某些控制部位加阻尼器，阻尼器系统仅是整个结构的一个附属系统,可以显著改善结构的动力特性，是一种局部加固,整体性能提高的种加固方法。是一种“柔中带刚”的减震加固思路,与原结构相比,加固后的结构在地震中吸收的地震能量并没有显著的增加，阻尼器在结构中发挥其吸收地震能量减小结构反应的作用而且不增加结构的负担。消能减震加固方法主要通过附加的耗能装置改变结构的动力特性,在大震作用下消耗地震能量，以“柔”克刚,增设的耗能装置为非结构构件，不能响使用空间,振动反应较小,控制装置构造简单，易于安装，施工周期短，干扰性小，节省材料，人工费用低。所以消能减震加固技术在灾后重建中有其独特的优越性和不可替代性。
4、消能减震技术标准化
现行国家抗震设计规范并没有现浇板、梁的双配、超配现象,设计实践中的做法往往容易违背强柱弱梁的概念设计。在施工过程中柱端箍筋加密措施也经常做不到位。在地震荷载的往复作用下，容易造成柱头的破坏。而消能减震加固技术能很好的解决这种竖向承载求满足要交,而抗侧能力不足的现象。 1995年，周云等提出了推进消能减震技术标准化的建议。基于结构消能减震技术理论和实践的迅猛发展势头，2001年我国发布的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)将房屋隔震与消能减震设计纳入其中,给出了基本的原则和方法,消能减震技术工程实践在我国的不段推进，标准化、规范化、产业化水平不断提高,2006年李爱群等编制了《建筑减震粘弹性阻尼器》和《建筑减震粘滞阻尼器》行业标准, 2005年广东省建设厅批准编制《建筑耗能减震技术规程》.2009年由广州大学周云教授发起并担纲主编同济大学、中国建筑科学研究院清华大学等18家单位参编的《建筑消能减震技术规程》行业标准已经编制完成并获得建设部的认定,将在2009年9月份批准实施。该规程给出了建筑使用消能减震技术的基本要求、计算方法、构造措施、构件安装、施工、验收和维护等内容。消能减震加固技术的应用将更加合理和规范。 5.消能减震加固技术的工程应用实例
由于消能减震加固技术具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著、安全可靠等特点,近年来在国内外有大量工程实践。
5.1 5.12大地震后首个消能减震加固工程(使用粘滞阻尼器)
都江堰市北街小学试验外国语学校艺术大楼,为现浇钢筋混凝土框架结构,框架层数为五层,总高度18米。按照7度抗震设防,但在5.12特大地震中,原结构还是遭到了破坏,-层柱柱顶受损(如图18)，一、二层墙体出现裂缝(如图19 ) ,局部墙体破碎,局部楼梯构件受损。
通过进行结构抗震验算,发现原结构多数梁柱不满足抗震要求,如果逐个构件采用传统加固方法进行加大截面,将带来很大的工程量和较长的施工工期,同时,加大柱子截面将减小建筑的使用面积,最后通过论证,提出采用消能减震加固技术对原结构进行抗震加固的方案。
首先加固受损柱顶,对节点区域混凝土凿面,剔除损坏部位破损的混凝土,并用吹风机吹净混凝土表面粉尘,然后采用比原结构混凝土强度等级高一级的C35混凝土修补料对混凝土破坏的节点进行修补找平,再对节点采用外包钢法对节点做加固处理(如图20、21)。最后用锚栓将钢板固定在柱子上(如图22 )。
该加固工程使用的消能装置是上海材料研究所研制开发的粘滞阻尼器(如图23)，粘滞性阻尼器是消能减震控制技术中的一种消能装置,被安装于结构某部位(如节点、连接缝或连接件、楼层空间等),在小震作用下,阻尼器处于弹性状态,给结构提供刚度,结构体系具有足够的抗侧刚度。在中、强地震作用下,随着结构侧向位移的增大,阻尼器进入弹塑性状态,产生较大阻尼力,通过把地震中传入结构的能量转化为阻尼介质的热能,大量消耗传入结构中的地震能量,以确保主体结构在中、强震中的安全使用。
该五层楼加固工程共用20个粘滞阻尼器,最大出力为700KN (如表1 ) ,根据消能器的布置原则和振型分解反应谱发计算的楼层位移角确定:在一层安装10个型号为KZ-700Sx100X的粘滞阻尼器和4个型号为KZ-700Sx100F的粘滞阻尼器(如图24) ; 在二层安装4个KZ- 700Sx100X的粘滞阻尼器和4个型号为KZ-700Sx100F的粘滞阻尼器(如图25)。根据计算结果,支撑采用π字型(如图26)、斜拉(如图27)的钢支撑。
该学校使用粘滞阻尼器来消能减震,加固因地震受损房屋在我国还是首次。本次加固费用约为160万元;而进行传统加固至少要对基础和一- ~三层共32根柱子做截面加大处理,每根柱子加固费用大约为5万元,另传统加固过程中损坏的墙体楼面板以及水电管线等恢复费用约为20万元,总计费用预计约为180万元。采用粘滞型阻尼器加固节省了不低于10%的费用。而且使用阻尼器技术加固,不会压缩房屋使用面积,拆除工作量小，施工干扰性小且周期短,基本上终身不用维护。
5.2摩擦消能器在加固工程中的应用
联邦电子科研大楼位于加拿大首都渥太华,它建于1993年,在2003年增加了一层。这是一幢3层的混凝土框架结构的建筑,带有一层的地下室。基于对里边重要的科研设备装置的安全考虑,工程人员决定采用摩擦耗能支撑对其进行加固。摩擦支撑的布置如图28所示，在两条斜支撑的交点处共安装23个滑移为300kN的摩擦耗能器(图29, 30) 。摩擦耗能器的使用使整个加固工程变得很经济,而且这些阻尼器可以吸收地震能量,保护建筑及其里面的设备。
5.3金属消能器在加固工程中的应用
台中的国泰世华大楼,楼高为46层,完工后已成为台中市的标志性建筑,该工地新建过程中恰巧遭遇921集集大地震,由于地震过后该地区的抗震规范修正,使其设计地震力提高,致使原结构的短向(如图31所示的平面图)不满足抗震要求(因该方向为地震力控制) , 必须提升其刚度与强度，故安装BRB构件于该方向上,以达设计需求。该工程共计安装80支纯钢造挫屈束制支撑于结构短向上,分布从地面层至地上20层为止(如图32所示) ,安装后的构架立面如图33所示。
5.4粘弹性消能器在加固工程中的应用
潮汕星河大厦位于汕头市金环路东侧,总建筑面积27976.8平方米,地下1层，地上总高度98.70m。分塔楼和裙房两部分，裙楼4层,塔楼25层(设计22层,后加3层)。结构平面形状为椭圆形。结构形式为钢管混凝土组合结构，结构体系为核心剪力墙筒外框架体系。
潮汕星河大厦由于原设计为二十二层,施工至十二层时，业主提出增加三层,结构变为二十五层,经初步设计分析, Y方向在小震作用下,结构的层间位移个别楼层不满足《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求,经采用传统加固方案和采用消能减震加固方案对比分析后,确定采用消能减震加固方案。
本工程的耗能部件采用由广州大学周云教授研制的复合型铅粘弹性阻尼器(如图34)。根据耗能支撑的布置原则和振型分解反应谱法计算的层间变形确定:在第4、6.、7.、11、16.、20、24层安装阻尼器，每层四个,对称布置。第6 、7层阻尼器安装于4轴及7轴，其余安装于5轴及6轴。图35为阻尼器结构布置平面图。阻尼器连接放置做法见图36 。
6、在灾后重建中应用的意义
5.12特大地震造成四川灾区大量房屋倒塌、损毁，其中城镇住房受损2.26亿平方米需要加固的超过100万户。由四川国方建筑机械有限公司和同济大学共同设计施工的都江堰市北街小学实验外国语学校艺术大楼工程竣工,震后首个消能减震加固项目投入使用，从科学的理念、标准的施工、良好的使用的效果多个方面再次真实的说明了消能减震加固技术在震后建筑加固方面的优越性。国内外消能减震技术在不断发展,消能减震加固发迅速普及,使用消能减震技术对灾后受损的房屋进行加固、避免或减轻建筑物的震害是既经济又有效的手段之一。 5.12地震后,中国工程院土木、水利与建筑学部和包括周福霖院士、欧进萍院土、王亚勇教授、吕西林教授、翁大根教授、周云教授、李宏男教授、刘伟庆教授、佟建国教授高工等在内的很多建筑结构知名教授、专家呼吁在灾后重建中使用消能减震加固技术。消能减震加固技术是目前世界上最先进的建筑加固技术之一，具有减震效果好,尽量减小对原有结构的改动,工期短，工程量小，检测修复方便等优点,而且阻尼器在生产和应用过程中对环境无影响,产生较少的建筑垃圾,阻尼器构造简单、取材容易、制造简便、容易形成定型产品，进行标准化、规模化生产,对生产要求不高,国内已有厂家量产。在灾后重建若能广泛应用,必将取得良好的经济效益和社会效益，对建筑抗震新技术的推广也具有深远的意义。 “5.12”汶川特大地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的地震。灾后恢复重建工作关系到几千万群众的切身利益,关系灾区的长远发展，必须科学推进，恢复重建不是简单复制，采用先进可靠的消能减震技术进行灾后重建，是抗震救灾精神中“以人为本、科学重建"的具体体现，符合坚持以人为本，贯彻落实科学发展观的要求，是尊重自然规律、科学规律,充分依靠科学的切实表现。以灾后重建为平台，推广消能减震技术等先进科学技术符合建设创新型国家的大局。当更加安全、美好的家园建设起来的时候，当灾区人民又过上安居乐业的生活得时候,我们才可以庄重地告慰地震中遇难的同胞。 7、鸣谢 5.12大地震后首个消能减震加固工程由笔者所在的四川国方建筑机械有限公司和同济大学合作完成，从设计到施工,直至竣工投入使用,感谢同济大学吕西林教授、翁大根教授等提供的指导，感谢本公司员工的努力工作和大力配合。
感谢省建设厅、都江堰建设局等单位在项目上给予的的帮助和指导。感谢都江堰市北街小学外国语学校校方及周列剑先生给予的帮助和支持。 感谢广州大学周云教授在报告写作上给予的帮助。本报告的完成,参阅了国内许多学者的著作、论文和研究报告,特在此表示感谢。 其他对本公司完成大地震后首个消能减爱震加固工程给予帮助和支持的单位和个人，在此一并表示谢忱。