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隔震加固与传统加固的应用及对比分析

更新时间:2009-03-28

中国是地震频发的国家,强震危害极大,会造成严重的人员伤亡和财产损失,对以往震害进行统计,发现绝大多数建筑物的倒塌原因是建筑物的抗震能力不足。中国存在部分既有框架结构,设计时抗震设防标准较低,由于新的《建筑设计抗震规范》和《中国地震动区划图》颁布,部分地区的抗震等级有所提高,低抗震设防标准的既有框架结构为满足现行规范的要求,需要进行加固。

我国传统抗震加固技术有增大截面、粘贴型钢、粘贴碳纤维复合材料等方法,传统加固的计算方法和施工工艺比较成熟,但是存在一些弊端,进行传统加固时,存在烟尘和噪声污染,加固期间上部结构不能正常使用,需要进行高空作业,施工具有一定危险性。隔震加固技术的出现可以解决以上问题,隔震技术以软隔代替硬抗,在隔震层位置设置隔震支座,阻碍地震波向上传递,提高上部结构的抗震性能。

1 工程概况

本工程为7层办公楼,为现浇混凝土框架结构,除结构的1层层高为4 500 mm,其余各层均为3 300 mm,楼层平面布置规则且相同,见图1。该框架结构柱的截面尺寸为600 mm×600 mm,梁的截面尺寸为250 mm×500 mm,楼板厚度为120 mm。填充墙体厚度为120 mm。混凝土等级C30,钢筋等级HRB400。楼面荷载与梁间荷载值见表1。

(2)农业发展水平的提升对产城融合发展进步具有正向的促进作用。从表4可见,农业发展水平变量的影响系数为2.421,在所有解释变量中影响系数最大,这表明在其他变量保持不变时,新疆财政支农资金每增长1%,能够显著促进产城融合发展指数上升2.421%。其原因可能是政府部门持续加大对农业的财政支持力度,有力地促进了农业机械化的耕作经营,提高了农业生产效率,加速了农村剩余劳动力向城市的转移,这种劳动力的转移一方面推动了城镇化的发展,刺激城镇消费的兴起[13]74,进而在消费水平提升的刺激下促进城镇基础设施、公共服务的完善;另一方面,这种劳动力转移也为城镇周边产业发展提供劳动力支撑。

该框架结构加固前按照设防烈度7度,设计基本地震加速度值按0.15 g进行设计,为标准设防类建筑。场地类别为Ⅱ类,通过查阅规范,确定结构构件的抗震等级为2级。进行设计时地震分组为第2组,结构的特征周期取0.4 s。

自2016年起,该结构所处地区抗震设防烈度有所提高,较原设防烈度提高半度,原有结构在抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度为0.2 g情况下进行抗震鉴定加固,结果表明,结构的层间位移角超过限值的要求,原有的框架结构需进行加固。

  

图1 框架结构平面图

 

1 结构荷载值

  

楼板位置楼板面荷载/(kN·m-2)荷载活载梁间线荷载/(kN·m-1)边梁内部梁楼面5.228.47屋面7.7220

2 传统加固

2.1 增大截面法

使用增加截面法对结构进行加固,实际上是对主要受力构件包裹混凝土层进行加固。使原有构件的受力面积增大,同时增大构件的纵向、横向受力钢筋及箍筋面积在提高建筑的承载能力的前提下,满足建筑物的适用性。此加固方法主要适用于梁、柱等受弯及受压构件,施工经验比较成熟,受力明确[1]

2.2 传统加固设计流程

首先在YJK中将原结构进行还原,正确输入原结构的构件尺寸、荷载及受力构件中的配筋结果。修改抗震设防等级及抗震等级,勾选鉴定加固选项,对结构进行抗震鉴定。鉴定结构表明,结构层间位于与层高的比值X方向为1/386,Y方向为1/413,均大于规范规定的框架结构限值1/550[2]

框架结构的加固方法为增大截面法,1~5层梁的截面积将原250 mm×500 mm增大到300 mm×600 mm,将加固前1~5层柱的截面积由600 mm×600 mm变为800 mm×800 mm,增大截面法混凝土强度采用C30。

2.3 传统加固的施工流程

增大截面法的施工流程如图2所示。

隔震加固技术为切断原有的基础与上部结构间框架柱,布置隔震支座,形成隔震层,减小上部结构的地震反应,达到加固的目的。隔震层可以通过设置阻尼的装置,使上部结构在地震发生后,具有复位的功能。结构设置隔震层后,自振周期大大增加,从而避免与场地特征周期接近,上部结构不宜发生共振。隔震加固后,隔震层对水平向地震波向上传递有很好的阻止作用。隔震加固主要对隔震层进行施工,施工过程对上部结构影响较小,具有很好的经济性[3]

3 隔震加固

3.1 隔震加固概述

核磁共振碳谱不仅可提供有机物碳核类型、核间关系、碳分布信息外,还能区分立体异构体的微细结构。并且13C-NMR能够测定含碳较多的有机物及不含氢的官能团,可反映出氢谱无法反映的结构,如季碳原子结构,羰基等功能基[30]。通过对核磁共振碳谱中有机物主要碳基团化学位移的分析,有机物的碳化学位移主要分为4个部分:烷基碳区(0~50 ppm)、烷氧基碳区(50~110 ppm)、芳香碳区(110~160 ppm)、羰基碳区(160~220 ppm)[31-32]。

  

图2 增大截面法的施工流程

3.2 隔震设计简要流程

(7)罕遇地震下隔震模型计算分析;

标志认知语言学开端的重要研究之一是Lakoff和Johnson(1980)合著的《我们赖以生存的隐喻》。这本著作具有开创性和引领性意义,因为两位学者为之后至今的隐喻和转喻研究定下了基调:隐喻和转喻都是人类日常思维和行动的认知方式。随着研究不断深入,学者们逐渐发现转喻与隐喻有时很难截然分开,甚至转喻可以是隐喻形成的必要基础(Barcelona 2000;Brdar&Brdarszabó 2007;Kövecses 2002,2013;Radden 2002;Radden&Kövecses 1999;Taylor 1989)。

(3)隔震层位置的选择,确定支座选用的型号、尺寸;

(4)输入选择的地震波,结构在中震下进行时程计算;

(5)多遇地震作用下对隔震支座的竖向承载能力、受压承载力、抵抗风荷载能力进行验算;

(6)确定水平向减震系数;水平向减震系数满足设计目标时,继续进行计算分析,减震系数较大时,重复(3)~(6)步骤;

(1)地震波的选择及输入,地震动三要素是地震波选用的关键,分别为加速度的最大值,有效持续时间与地震波在结构自振周期点上统计意义的相似性[4]

(8)隔震结构在罕遇地震作用下对隔震支座的最大压应力、最大位移、最大拉应力进行验算;

(9)以上均满足要求时,计算出隔震后水平向减震系数最大值,对原上部结构进行验算是否满足提高半度的要求。

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3.3 隔震加固的应用

(4)因下支墩在计算过程中应满足罕遇地震下相关要求,故配筋量较大,钢筋网布置密集,为对浇筑时混凝土的质量进行保证,将浇筑混凝土的过程分为2次。模板搭建结束,开始第1次混凝土浇筑,浇筑到支座下连接板以下位置,在下连接板安装完成,进行平面位置,标高校核完成后,再开始进行2次浇筑,2次浇筑时混凝土等级最好采用混凝土图等级较高,收缩性小,流动性好的混凝土。

  

图3 隔震模型剖面图

隔震层布置的关键为隔震支座的选型与布置,通过隔震支座的相关规范汇总出框架结构适用的隔震布置的相关要求:

满足以上要求,选出的地震波及具体参数见表4。

(2)隔震橡胶支座位置的确定应该考虑与上、下的竖向受力构件相重合,框架结构进行隔震加固确定支座位置时,最好与框架柱的位置相同;

(3)为保证结构在风荷载与小震的作用下,上部结构的适用性,隔震层应具有阻尼器与抗风装置,尽量布置在隔震层的周边。在此,对于多层框架结构,采用铅芯橡胶支座充当抗风装置,在边柱与角柱处进行布置,内部使用普通橡胶支座;

(4)隔震支座不应超过压应力的限值要求,本框架结构为丙类建筑,规定隔震支座压应力的限值为15 MPa;

(5)在经济条件允许的前提下,隔震支座尽量选用较大直径,选用较大直径的隔震支座,支座处的稳定性有所提高,且隔震支座直径类型不宜过多。

经计算确定隔震层中柱下采用LNR600,边柱和角柱下采用LRB500。所选用支座的相关参数见表2。确定输入的3条地震波后,模型进行计算,得到水平向减震系数为0.494,满足加固要求。

 

2 隔震支座参数表

  

型号橡胶垫总厚度/mm支座高度/mm100%时水平性能值屈服前水平刚度/(kN/m)100%时水平性能值等效刚度/(kN/m)250%时水平等效刚度/(kN/m)竖向刚度/(kN/mm)屈服力/kN方形连接板尺寸长×宽×厚/mmLRB50090159.580101470990170052.1600×600×20LNR60095201981——2109—700×700×22

综合考虑选取地震波的三要素与结构的自身特性,对要选取的地震波做以下具体约束:(1)规范规定的规范谱与选用的地震波反应谱在结构自振周期点应该具有相似性;(2)中震与大震计算时所采用的水平向影响系数最大值和地震加速度最大值见表3;(3)地震波的有效持续时间应为抗震模型自振周期的5~10倍。

(2)输入选择的地震波对非隔震结构进行中震下的非线性时程计算;

 

3 水平地震影响系数最大值与地震加速度最大值

  

多遇地震设防地震罕遇地震水平地震影响系数最大值0.160.450.90地震加速度最大值/(cm·s-2)70200400

(1)结构计算时隔震层以上部分的重心与隔震层处的刚心宜重合,若刚心与重心位置有差距不满足要求时,宜考虑扭转效应对结构的影响;

 

4 选用的地震波参数

  

分类编号地震波名称开始结束时刻/s有效起止时间段/时长/s峰值/(cm·s-2)间隔/s天然波1Manjil,Iran17.560.1~17.0/17.012.850.012Chi-Chi,Tanwan68.993.4~43.4/39.984.6170.005人工波3人工波300.7~21.2/20.51000.02

3.4 隔震加固的施工流程

进行施工时,当结构无地下室,隔震层位于基础顶时,加固可以按照以下流程进行:(1)拆除首层的底面;(2)对基础处及隔震沟部分的土方进行开挖;(3)对隔震沟处的挡土墙进行砌筑;(4)拆除框架柱周边的维护构件;(5)柱顶撑构件的布置;(6)切断框架柱;(7)隔震层框架柱加固;(8)隔震支座预埋件与支墩有效连接;(9)支墩混凝土的浇筑;(10)隔震支座预埋板进行安装;(11)混凝土的2次浇筑;(12)混凝土强度达到规定要求安装隔震支座;(13)顶撑进行拆除;(14)隔震层装修及隔震支座维护结构布置。

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3.5 隔震加固的施工要点

(1)上下支墩进行加固前,将原来构件的表面凿毛,用水刷洗干净,通过表面涂抹截面剂来增加新老混凝土的粘结力。

(2)在切断隔震层的混凝土柱子时,除切除隔震支座高度的混凝土柱外,上下还应多凿除200 mm,形成混凝土套的加固方式。按照计算结果对加大区的混凝土柱截面加大区的刚筋进行绑扎,加大区的主要受力钢筋与原构件的受力钢筋应有效连接,保证力的有效传递。

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(3)框架柱应该分批、分区切断,做好切割过程的支撑、安全保护工作。顶撑进行拆除前,应该确保混凝土强度已达到要求。

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进行隔震加固时,隔震层选择常见的有3种:第1种为隔震层隔震层设置在基础与上部结构之间,第2种为隔震层设置结构首层的顶部,第3种为隔震层设置在结构首层顶部。该框架结构无地下室,使用隔震层的第1种布置方式,位于基础的顶部。隔震层具体位置参见图3,隔震支座所处楼层高度为1 500 mm,隔震层顶部增设160 mm混凝土板。

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4 传统加固与隔震加固对比

4.1 模型结果对比

周期对比见表5,框架结构设置隔震层后,是采用增大截面加固法加固后结构自振周期的2.8倍,由规范谱可知,周期增大后,水平地震影响系数最大值会减小,同时也可以远离场地的特征周期,上部结构的抗震效果可以明显的提高。

 

5 2种加固方式的自振周期的对比

  

振型隔震加固结构周期/s传统加固结构周期/s13.31931.185323.26841.148232.91411.0446

2种加固方式层间位移进行对比参见图4、图5,框架结构采用设置隔震层的方式进行加固后,隔震层出现位移的突变,上部结构位移变化较小,故上部结构的竖向构件承担弯矩较小,为弹性变形。

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图4 X向层间位移对比 图5 Y向层间位移对比

4.2 施工技术对比

(1)隔震加固后,橡胶支座阻碍水平地震波的传递,隔震层以上部位地震影响有效降低,本案例中隔震加固后只需对1~2层进行适当加固即可满足要求,但进行抗震加固时,需要对1~5层进行加固,才可以满足加固要求;

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(2)加固施工的过程中,隔震加固不存在高空作业,施工人员的安全有更大的保障,不易发生安全事故;

(3)隔震加固与传统加固相比较,混凝土、钢筋的用量较少,并且施工工序简单,对施工的质量要求较高,可以提高施工效率与施工质量。

5 结论

(1)既有的结构通过设置隔震层进行加固时,虽然设计较传统加固复杂,但隔震加固后,原框架结构的抗震性能有大幅度的提高,隔震层以上楼层地震影响降低,只需要进行适当的加固或不进行加固,就可以达到加固后的标准;

(2)该加固方法的施工技术简便、快捷,加固过程中基本不影响隔震层以上楼层的正常使用。隔震加固时大大减小混凝土和钢筋的用量,可满足绿色建筑的要求,并可节约资源,有助于推进可持续发展的进程。

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参考文献

[1] GB50367-2016,混凝土加固设计规范[S].

[2] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB/T50378-2014,绿色建筑评价标准[S].

[4] GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

 
李亚飞,刘英利,刘德志
《华北理工大学学报(自然科学版)》2018年第02期文献

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