结构加固改造理论与技术-结构抗震加固

第五节结构抗震震加固结构加固固改造理理论与技技术目录1.加固原因因2.加固发展展3.加固方法法第5节结构抗震震加固第八章结构加固固改造理理论与技技术结构为什什么抗震震加固？？>>>1抗震加固固的意义义诸多实践践表明，，对原有有建筑结结构进行行抗震加加固改造造，一方方面既可可以节省省投资，，达到新新的使用用要求，，又可以以大大减减轻地震震时房屋屋的破坏坏，更重重要的是是保障人人民生命命财产的的安全，，另一方方面，即即使不发发生地震震，抗震震加固也也能增加加建筑物物安全度度，延长长其使用用寿命，，还能提提高建筑筑物抵抗抗意外突突发事故故（振动动、爆炸炸等）的的能力。。抗震加固固原因规范要求求地震经验验宗旨鉴定？《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009加固？《建筑抗震加固技术规程》JGJ116-2009未采取抗抗震设防防措施的的已建成成的建筑筑物、构构筑物抗震设防防标准提提高的地地区已建建成的建建筑物、、构筑物物在地震中中遭到破破坏的建建筑物、、构筑物物，震后后经鉴定定后认为有有必要进进行抗震震加固以以恢复其其使用功功能抗震加固固原因规范要求求地震经验验宗旨地震经验验天津发电设备厂天津重型机械厂唐山地震丽江大礼堂中间部位舞台和前厅丽江地震达到新的的使用功功能保证生命命财产安安全增加安全全度、抵抵抗意外外美国橄榄榄景医院院2抗震加固固发展>>>1966-1976鉴定加固固基本技技术《工业与民民用建筑筑抗震鉴鉴定标准准》TJ23-771976-19891989--《建筑抗震震设计规规范》GBI11-89抗震加固固时间轴通海地震震后要求求预防7度以上地地区鉴定定加固1966年邢台大大地震1970通海大地地震6度以上地地区设防防3抗震加固固方法>>>抗震加固固总述加固原理理加固方法法减小地震作用增加结构抗力抗震加固增加承载力优化结构体系增大结构周期增大阻尼附加子结构增强整体性抗震加固固总述加固原理理加固方法法加速度反反应谱位移反应应谱增加抗力增加阻尼延长周期加速度反反应谱位移反应应谱增加结构承载力增加结构阻尼延长结构周期抗震加固固总述加固原理理加固方法法位移反应应谱增加结构承载力增加结构阻尼延长结构周期抗震加固固总述加固原理理加固方法法承载力工作系统统内部建设设活动[构件加固固]提高承载载力提高延性性[增加抗侧侧力构件件]增加墙体体增加支撑撑增加结构构抗力增加承载载力增强整体体性优化结构构体系承载力工作系统统内部建设设活动[结构整体体]整体性稳定性[防止局部部倒塌]构件承载载力、稳稳定性与主体结结构连接接增加结构构抗力增加承载载力增强整体体性优化结构构体系优化结构体系扭转不规则单元拆分增加薄弱部位刚度增支撑/抗震墙/翼墙砌体超高拆矮改变受力体系增混凝土墙体增加结构构抗力增加承载载力增强整体体性优化结构构体系3.1抗震加固固的思路路①从结构构的可靠靠度方面面分析，，引入结结构功能能函数Z=g(R*S)=R-S(1)其中，R表示结结构目前前所具有有的性能能，S表表示结构构预定的的最低功功能的要要求。当Z<0时，结结构需要要进行加加固，Z>0时时，结构构处于可可靠状态态。结构由不可可靠状态向向可靠状态态的转变,具体可可通过3种加固固途径来实实现：第1种途途径：保持持结构完成成预定的最最低功能要要求S不变变，增强结结构所具备备的性能R，这称称为直接加加固法；第2种途途径：结构构所具备的的性能R保持不不变，降低低结构完成成预定的最最低功能要要求S，，这称为间间接加固法法；第3种种途径：在在增大结构构所具备的的性能R值的同同时，降低低结构完成成预定的最最低功能要要求S值值，这称称为混合加加固法。②从抗震加加固思路出出发，抗震震加固方法法主要有以以下几类：：1）增大结结构抗震能能力的加固固方法。其其设计理念念为“以刚刚克刚”。。通过提高高主要抗侧侧力构件的的承载力、、延性和结结构的整体体性来增大大结构的抗抗震能力2）减小地地震作用的的加固方法法。其设计计理念为““以柔克刚刚”。可以以通过增大大结构周期期、增大结结构阻尼、、附加子结结构、施加加预应力来来实现。3）设置易易损构件的的加固方法法。这种方方法是有意意识地在结结构中设置置一些薄弱弱部位，利利用薄弱部部位次要构构件的非线线性变形来来消耗地震震能量，保保护主要构构件的安全全。尼加拉瓜共共和国的首首都马那瓜瓜有相距不不远的两幢幢高层建筑筑，一幢为为十五层高高的中央银银行大厦，，另一幢为为18层高的美洲洲银行大厦厦。1972年2月23日南美洲的的马那瓜地地震。当地地震烈度估估计为8度。一幢破破坏严重，，震后拆除除；另一幢幢轻微损坏坏，稍加修修理便恢复复使用。马那瓜中央央银行大厦厦马那瓜美洲洲银行大厦厦试问：那一幢破坏坏严重呢？？1972年2月23日南美洲的的马那瓜地地震。马那那瓜有相距距不远的两两幢高层建建筑，一幢幢为15层高的中央央银行大厦厦，另一幢幢为18层高的美洲洲银行大厦厦。当地地地震烈度估估计为8度。一幢破破坏严重，，震后拆除除；另一幢幢轻微损坏坏，稍加修修理便恢复复使用。现如今1）平面不规规则4个楼梯间偏偏置塔楼西西端，西端端有填充墙墙。4层以上的楼楼板仅为5cm厚，搁置在在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规规则塔楼上部（（4层楼面以上上），北、、东、西三三面布置了了密集的小小柱子，共共64根，支承在在4层楼板水平平处的过渡渡大梁上，，大梁又支支承在其下下面的10根1m×1.55m的柱子上（（间距9.4m）。上下两两部分严重重不均匀，，不连续。。主要破坏：：第4层与第5层之间(竖向刚度和和承载力突突变),周围柱子严严重开裂，，柱钢筋压压屈；横向裂缝贯贯穿3层以上的所所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井井东侧；塔楼西立面面、其他立立面窗下和和电梯井处处的空心砖砖填充墙及及其它非结结构构件均均严重破坏或或倒塌。震后计算分分析结果:1.结构存在十十分严重扭扭转效应;2.塔楼3层以上北面面和南面大大多数柱子子抗剪能力力大大不足足,率先破坏；；3.水平地震作作用下,柔而长的楼楼板产生可可观的竖向向运动等。。马那瓜中央银行大大厦

结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。美洲银行西3.2提高耗能能能力的加固固方法（1）耗能能减震加固固的原理提高耗能能能力的加固固法实际就就是耗能减减震加固方方法，它是是通过在结结构某些部部位增设耗耗能阻尼减减震装置，，以减小地地震反应，，这是一种种“以柔克克刚”的加加固方法，，是抗震加加固的一条条新途径。。在耗能减震震体系中通通过设置消消能器来消消耗地震能能量，控制制预期的结结构变形，，增大结构构阻尼，同同时减少结结构的水平平和竖向地地震作用，，从而使主主体结构在在罕遇地震震下不发生生严重破坏坏。耗能减震加加固的原理理也可以从从能量的角角度来阐述述，地震时时结构能量量转换过程程的平衡方方程可表达达为在耗能减震震加固结构构中，增加加了耗能装装置耗散能能量Ed一一项，耗能能减震器或或耗能组件件在主体结结构进入非非弹性状态态前率先进进入耗能工工作状态，，大量耗散散输入结构构的地震能能量，因而而结构本身身需耗散的的能量Eh"很少，，使其免受受损伤和破破坏，如图图所示。(a)地震输入(b)传统抗震结构(c)耗能减震结构加固结构能量转换途径对比（2）耗能能减震器的的类型耗能减震装装置可以用用不用的材材料、不同同的耗能机机制、不同同的构造来来制造。目目前，研发发的耗能减减震器种类类很多，常常见的几种种耗能减震震器如图所所示。（a）开孔式软钢阻尼器（b）屈曲约束支撑（c）软钢剪切型阻尼器（d）黏弹性阻尼器（e）黏滞阻尼器耗能减震装置（3）耗能能减震加固固法的应用用目前，在国国内，像北北京火车站站、北京饭饭店、都江江堰市北街街小学实验验楼、潮汕汕星河大厦厦、首都体体育馆、西西安长乐园园招商局等等结构也采采用该法进进行抗震加加固，收到到了良好效效果。

(a)人字撑(b)单斜撑

(c)节点连接

都江堰中学耗能减震加固方案（4）耗能减减震加固法法的优点1）应用范范围广，能能同时减少少结构的竖竖向和水平平地震作用用，对短周周期和长周周期范围的的结构均有有效，尤其其适用于高高柔结构，，能显著增增强结构刚刚度，减小小位移。2）阻尼器器由工厂制制造，可进进行干作业业施工，从从而缩短工工期，施工工中不用搬搬迁，并能能实现制品品小型化。。3）结构布布置灵活，，可以布置置在结构薄薄弱部位，，能有效提提高结构整整体和构件件的抗震能能力。国内外耗耗能减震震结构的的振动台台试验研研究表明明，耗能能减震结结构与传传统抗震震结构相相比，地地震反应应减小了了40%~60％。而而国外工工程资料料表明，，耗能减减震结构构体系与与传统抗抗震结构构体系相相比，可可以节约约结构造造价5％％~10％。除耗能减减震加固固方法外外，“以以柔克刚刚”的加加固方法法还有隔隔震加固固法、被被动控制制减震加加固法以以及主动动控制减减震加固固方法等等。（1）隔隔震加固固法隔震加固固法是通通过隔震震层的设设置将地地震变形形集中到到隔震层层上，从从而达到到减小原原有结构构地震反反应的目目的，安安装完成成的隔震震支座如如下一页页图所示示。隔震加固固的思想想在于将将原来的的“硬抗抗”转变变成为““疏导””，将原原来由建建筑结构构构件塑塑性变形形吸收地地震能量量，转变变为由隔隔震层隔隔绝和吸吸收地震震能量。。3.3以柔克刚刚的加固固方法安装完成的隔震支座地震影响响系数的的比较1）隔震震加固的的基本原原理常规抗震震加固方方案中一一般采用上图图中阻尼比为为0.05的水水平地震震反应谱谱曲线（（实线））作为地地震力计计算依据据，而隔隔震加固固时通常常采用阻阻尼比大大于0.05的的水平地地震反应应谱（虚虚线）。。从上图来来看，常常规抗震震加固方方案通常常会增大大结构的的刚度，，这将导导致结构构的周期期变短，，进而使使得地震震影响系系数变大大。而基基础隔震震加固方方法由于于是在建建筑物底底部和基基础增加加一隔震震层，隔隔震结构构的水平平周期大大大延长长，在地地震中所所承受的的地震力力也大大大减小，，对应水水平地震震影响系系数也会会随之降降低。另外，隔隔震层中中阻尼元元件可为为结构提提供额外外的阻尼尼，在限限制隔震震层位移移的同时时，吸收收地震中中的大量量能量，，以保证证结构的的安全。。早在1988年年，美美国就采采用橡胶胶隔震垫垫对盐湖湖城政府府大楼进进行了加加固，目目前采用用该技术术已经对对16幢幢房屋屋进行了了加固。。从国内看看，在2008年汶川川地震中中存在因因薄弱层层破坏而而引起的的局部楼楼层严重重破坏的的结构，，对于这这类上部部结构破破坏较轻轻的结构构可采用用断柱装装垫减震震方法进进行加固固和修复复。断柱装垫垫减震加加固是指指对于已已产生严严重破坏坏的楼层层的柱全全部截断断，在截截断的位位置按照照《建筑筑抗震设设计规范范》和《《叠层橡橡胶支座座隔震技技术规程程》要求求安装隔隔震支座座，使原原有的传传统结构构形成基基础隔震震结构体体系或层层间隔震震结构，，如图所所示。(a)底层柱破破坏结构构示意图图(b)千斤顶与与隔震垫垫布置示示意图断柱装垫垫隔震加固法法（2）被被动控制制减震加加固法被动控制制减震加加固法。。运用被被动控制制的基本本原理，，通过在在房屋顶顶部设置置调谐质质量，主主要降低低低阶振振型的地地震作用用，TMD装置置如图所所示。(a)TMD装置示意图(b)台湾101大厦TMDTMD装置减小地震震作用延长周期期增加阻尼尼附加子结结构增加隔震震支座图2洪俊青等等，隔震震技术在在建筑抗抗震加固固中的应应用研究究《工程程抗震与与加固改改造》2007.10（29）5图3郭健等等隔震技技术在砌砌体结构构抗震加加固中的的应用研研究《工程抗震震与加固固改造》2008.2(30)1图1建成于2007年的工力力所燕郊郊园区办办公楼是是一座地地下1层地上5层的钢筋筋混凝土土框架结结构建筑筑（新建建建筑））阻尼器归归纳油阻尼器器黏滞阻尼尼器黏弹性阻阻尼器软钢、摩摩擦阻尼尼器减小地震震作用延长周期期增加阻尼尼附加子结结构布置阻尼尼器阻尼器平平面布置置图图佟建国等等消能能减震加加固技术术应用四四川建筑筑科学研研究2009.12（35）6人字形支支撑单斜支撑撑减小地震震作用延长周期期增加阻尼尼附加子结结构利用水箱箱作为TMD附加质量量广东