建筑框架结构的抗震设计与加固设计研究

发表时间:2019/5/7   来源:《建筑学研究前沿》2019年1期   作者:陈烁朴
[导读] 为了最大限度地减少地震对建筑物的破坏,有必要对地震前后的建筑结构进行抗震加固处理,这对提高建筑物的整体安全性和稳定性具有重要意义。

中国中元国际工程有限公司  北京市海淀区  100089
        摘要:现代建筑的结构设计必须采取科学合理的抗震加固措施,防止地震后建筑物的倒塌和破坏威胁到居民。虽然目前建筑物采用的结构设计方法和抗震加固方法可以减少地震造成的破坏,但是地震对建筑物造成的破坏也有增长的趋势。为了最大限度地减少地震对建筑物的破坏,有必要对地震前后的建筑结构进行抗震加固处理,这对提高建筑物的整体安全性和稳定性具有重要意义。
        关键词:建筑框架结构;抗震设计;加固设计
       
       
        近年来,我国发生了几次大规模地震灾害,给人民生命财产安全造成了严重损害。过去,中国的建筑工程并不十分重视建筑物的抗震性能。经过几次大规模的自然灾害后,人们非常重视建筑的抗震性能,把抗震性能放在新建建筑的首位。此外,如果建筑框架结构具有良好的抗震技术,则不需要进行隔震处理,但我国许多建筑并不具有良好的抗震性能,因此应采用隔震技术进行加固。
        1建筑框架结构抗震加固的重要性
        (1)建筑加固的重要习惯体现在安全的角度。一般来说,需要加固的建筑物风险相对较高。建筑物的加固和修复是不同的。修复主要是修复和设计建筑物的外观和要点,而建筑物的加固是针对建筑物老化或人为和自然原因造成的损坏,然后对建筑物进行加固。从安全的角度来看,建筑物的加固是非常必要的。建筑物加固是对建筑物本身安全指标的提高,也是对建筑物安全的一种很好的补充;(2)建筑加固对于建筑的资源是一种节约,建筑的加固对于材料以及资源的需求不是很大,所以在很大程度上来说建筑加固其实是对材料以及资源的一种节约,也许建筑的加固不如新建设的建筑好,但是加固跟重建所要利用的资源以及消耗的财力上来说也是完全不成正比的,所以在一定程度上来说建筑的加固是对资源的一种节约对建筑材料节约方面做出了一定的贡献,而同时建筑的加固在很大程度上也是对建筑本身的一种保护以及喜欢或者有着重要的纪念价值;(3)建筑加固的数据采集的简便性,建筑加固在针对于陈旧建筑的加固上,可以先采取现有建筑的尺寸数据,验证是否符合当地的要求以及国家的相关规定,针对于门、窗、柱子以及屋顶等等,按照标准进行节能设计,建筑加固方面的节能设计以及所需要使用的材料,然后通过特定的计算方式计算出不同时设计方式所需要使用的材料,来确定使用哪一种方式。
        2建筑框架结构的特点及受震表现
        2.1建筑框架结构的特点
        当前所使用的多为混凝土结构以及砌体结构,其特点主要表现为以下几个方面:首先其材料存在比较广泛,既可以就地取材也可以与其他材料混合使用,价格较低。其次,当前建筑结构的耐久性与耐火性极佳,基本上不会存在被烧的状况。第三,施工环节也较为容易,混凝土浇灌与养护容易,连续性施工较好。第四,当前建筑结构的节能、环保与隔热效果较好,在保障基本功能的同时还能够保障建筑的美感与艺术感。最后,现代建筑结构具有基本的抗震性能。但是与此同时,当前的建筑结构也具有一定的缺点,尤其是建筑墙体的强度较低,所使用的材料较多,自重大。这样也导致了其虽然具备一定的抗震性能,但是效果不明显。
        2.2建筑框架结构遭受震灾的表现
        当地震发生时,没有合理利用抗震设计的建筑工程会受到很大程度的损害。第一,由于墙体抗剪承载力较低的缘故,地震发生会使得建筑结构出现裂缝,裂缝的出现多呈双向交叉剪切斜向状态,部分承重墙会因此失去承载力。第二,由于梁柱节点核心区配筋不足,导致核心区混凝土被挤碎。第三,在框架结构中,由于没有考虑楼梯斜支撑的作用,楼梯配筋及构造未考虑抗震要求,导致楼梯被拉裂,甚至倒塌。第四,建筑结构体系存在一定的缺陷,导致建筑楼板跟墙体的连接之间存在一定的保障,因而其稳定性较差。地震破坏表现在多个方面,其根源就是人们没有意识到抗震设计的重要性。
        3建筑框架结构抗震加固的方法
        3.1加大截面法
        加大截面法是指将砼喷射与既有建筑钢筋砼外侧受压区域使之形成现浇层,从而提高截面有效高度,增加截面面积,进而提高建筑构件截面刚度、斜截面抗剪能力、正截面抗弯能力。加大截面法具体的施工方法包括双面板加固、单面板加固。具体施工方法的确定应该以建筑板梁鉴定报告及建筑物鉴定报告。作为一种传统建筑结构加固方法,加大截面法对提高建筑结构水平力刚度及承载力效果极佳。加大截面法的优点包括设计成熟、适应性强、施工工艺简单且施工经验丰富,该方法比较适用于加固建筑物墙、柱、板、梁等结构。加大截面法的缺陷在于现场施工湿作业时间长,对正常生活及生产存在较大影响,且建筑结构加固后出现建筑空间减小的现象。
        3.2增补受拉钢筋加固法
        增补受拉钢筋加固法,是指在梁的受力较大区段补加受拉钢筋(或型钢),以提高梁承载能力的加固方法。该方法适用于承载能力增加要求不高且建筑结构截面高度验算结果与达标梁间存在一致性。增补受拉钢筋加固法具体包括全焊接法、半焊接法。
        (1)全焊接法
        全焊接法涉及到的材料仅有钢筋,即在建筑被加固结构之外增设钢筋,并将其与原梁钢筋焊接,从而实现钢筋抗拉作用力的最大化发挥。因建筑梁原梁结构受力特点的制约而致使其受拉作用未充分发挥,若在原梁钢筋处增焊受拉钢筋,原梁钢筋的抗拉能力会大大增加,且原梁钢筋亦会发挥锚固作用,即增补钢筋与原梁钢筋相互作用,从而提高建筑结构抗拉能力。
        (2)半焊接法
        半焊接法涉及到的材料包括砼,钢筋,具体的施工流程为:经权威机构鉴定,确定需加固部位→准备好配置合理的砼及型号达标的钢筋→将建筑梁结构保护层凿除→增设受拉钢筋→焊接建筑物原受力钢筋与增设受拉钢筋,使之共同发挥作用→将砼喷射于建筑物加固部位,注意砼喷射的厚度。



        3.3增设构件加固法
        增设构件加固法是目前使用最为普遍有效的结构抗震加固法的一种,能够有效提高建筑物的结构抗震能力以及变形能力。增设构件加固法的主要方法有增设抗震墙、增设支撑、增设钢架等加固方法。当建筑物原有墙体之间的距离不符合当前的结构抗震规定,或者其抗震承载力达不到相关规定标准时,就需要采取增设抗震墙加固方法。这种方法能够让增设的抗震墙分担主要的地震应力作用,最大限度减小建筑物的结构变形。在进行抗震墙加固过程中,需要对增设墙体和建筑物原有构件的连接进行考虑,在保证其得到可靠连接的同时,还需要避免对原有建筑物结构部件造成损害。另外,在增设抗震墙时还需要注意,抗震墙一般都有比较大的刚度,需要考虑建筑架构的整体刚度均匀性,以免导致薄弱层出现转移。增设抗震墙加固法的优点在于应力传递比较简单,增设后建筑物的刚度和强度都会得到很大提升,且抗震性更好,所需成本低。但也存在着墙体重量较大,基础结构需要有很好的承载能力,且施工产生的噪音、振动很大,施工时间比较长等缺点。
        3.4增强构建加固法
        增强构建加固法是在无法使用增设构件加固时使以及用的方法,即对建筑物原有的构件进行加固处理,提高其承载力,改善其延性,进而达到提高其抗震性能的目的。这种加固方法主要分为外粘型钢加固、粘贴钢板加固、粘贴纤维增强复合材料加固等方法。在需要大幅度提高建筑物截面承载以及抗震性能的刚劲混凝土梁柱等建筑物构件加固时,使用外粘型钢加固法比较合适。这种加固方法主要是利用灌浆或者焊接等方式用型钢将构件的四边或者两个角从外部包裹住,让型钢和建筑物原有构件一起承担荷载以及地震应力作用,以对建筑物原有构件进行约束来提高其承载和变形能力。这种加固方法的主要优点在于施工简单、工作量小,建筑物的截面尺寸变换小,自重变化小,但承载力得到明显提高,且建筑物的整体构件刚度和延性也得到了改善。钢筋混凝土受弯、偏心受压和受拉,使用粘贴钢板加固法比较合适,这种加固法主要是将利用建筑结构胶将钢板粘在混凝土结构表面之上,这种方法会让应力同时作用于钢板和混凝土构件,达到提高建筑物承载性能的目的。这种方法的主要优点在于加固方式简单、迅速,对建筑的外形等方面的影响不大。
        4建筑框架结构的抗震加固技术
        4.1植筋式结构加固施工技术
        所谓的植筋式结构加固技术就是指在建筑中利用钢筋植入法对结构进行加固。因它对混凝土混合结构的要求较为简单,且操作较为灵活,因此常被用于建筑结构的连接及锚固中。在植筋式结构加固施工中,可以植入普通的混凝土钢筋,也可植入螺栓式的锚筋。在施工技术中具体需用哪种钢筋进行结构加固,是根据建筑物的使用特性以及结构的分布来确定的。
        4.2裂痕修补式结构加固施工技术
        所谓的裂痕式结构加固技术主要是指在加固中根据建筑结构裂痕的大小及发生裂痕的原因、性状等对结构进行堵塞式修补加固施工,从而延长建筑结构的使用年限以及提升建筑结构的稳固和安全性。裂痕式结构加固法主要应用于建筑结构出现不同程度的裂痕修补加固中。但是需要注意的是,对于因外界受力不均等问题所产生的建筑结构裂痕,单单只用裂痕式结构加固技术施工是不能达到加固结构稳定性的作用的,必须要在裂痕式结构加固技术施工的同时采用其它加固技术措施进行结构稳固,以保证建筑达到最佳的安全状态。
        4.3碳化混凝土修复式结构加固施工技术
        所谓的碳化混凝土修复式结构加固施工技术主要是指通过对混凝土結构内碱性物质的恢复达到建筑结构加固的目的。该技术主要是以增强混凝土结构阻抗能力为主,从而使建筑结构中混凝土因碳化物质所造成的钢筋等腐蚀情况得到改善或抑制。
        4.4混凝土表面处理式结构加固施工技术
        所谓的混凝土表面处理式结构加固施工技术主要是指通过采用各类方式对混凝土表面的腐蚀性物质进行清理,以确保结构的坚固性。此类方法目前在我国建筑结构加固中得到了广泛的应用。混凝土表面处理式结构加固施工技术主要有:各类化学方式、喷砂方式、机械方式、射水方式以及真空吸力方式等,使其对混凝土结构表面的各种酸碱性腐蚀类附着物进行彻底的清除。从而保证建筑结构的使用安全性。
        4.5新型抗震加固技术
        在抗震加固新技术中,最为典型的是日本研发的高弹性材料加固工法。这种技术主要通过在建筑物加固过程中,在抗震带涂上粘合剂并将其固定在支柱上的方式实现的,与其他加固方法相比,这种方法的操作相对简单,且经费耗用也较少。另外,这种加固方法还能够采用预应力的加固方法,即首先对FRP施加预应力,再将其外贴到结构上,达到对结构进行加固的目的。采取这样的加固方式,能够有效克服FRP材料本身的缺点,对结构进行刚度与强度的同时加固。除此之外,增设斜撑加固、框架加固等也是有效的新型加固方式,这些方式都是通过增设的部分实现地震力的分担,进而提高建筑抗震能力。
        4.6新型减震加固技术
        减震加固的主要原理是在结构抗侧力构建中设置消能构建,大多采用阻尼器,借助局部变形提供附加阻尼,以吸收或分散地震力,进而达到对建筑抗震能力提升的目的。加固时能够选择的阻尼器种类较多,目前大多选择摩擦型阻尼器、粘弹性阻尼器等。摩擦型阻尼器是利用摩擦耗能装置,通过元件的互相滑动摩擦,以消耗掉原本需要结构承担的部分地震力。目前研发的这类阻尼器主要分为普通摩擦型阻尼器、pall摩擦型阻尼器、摩擦剪切角阻尼器、多级摩擦型阻尼器等类型。摩擦型阻尼器通常在结构需要承受的地震力度较大时才会启动,也就是说,针对强度较小的地震力或其他自然力的防御能力与减震能力都比较低。
        4.7高性能钢丝网复合砂浆薄层加固技术
        所谓高性能钢丝符合砂浆薄层加固技术,主要是对混凝土构件进行表层处理,将钢筋网铺设在其表面,再涂抹性能较高的砂浆,促使加固的部分能够与混凝土部分实现对地震力的共同承担,以达到提高结构抗震能力的目的。这种技术主要通过提升建筑结构本身承载力的方式,包括承受能力以及延性等,进而实现抗震能力的提高。另外,与其他方法相比,这种方法的操作原理与抗震工作原理也比较简单,不需要过于专业的操作知识等。这种方法的施工程序比较简单,需要的经济投入较低,具有较大的发展空间。
        5结束语
        目前,我国正处于地震灾害频发阶段,有必要对现有建筑结构进行抗震鉴定,以减少地震对建筑的破坏。然而,在我国建筑行业的施工过程中,仍然存在加固方法单一的问题,影响了整个建筑结构的稳定性。为此,抗震鉴定人员应在实际工作中增强自身的加固意识,完成抗震鉴定后的结构加固。在结构加固过程中,应根据建筑物的实际损坏情况进行针对性和针对性的加固,以提高建筑物结构的加固效果,创造良好的居住环境。
        参考文献
        [1]黄华. 浅谈房屋建筑结构加固设计及施工技术应用[J],江西建材,2015(08).
        [2]杨蕊,潘林,夏锦红. 某高层建筑的结构改造与加固设计[J],四川建筑科学研究,2010(02).

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