既有结构外套加固技术的发展及抗震研究综述

安宇尘 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



既有结构外套加固技术的发展及抗震研究综述

安宇尘 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

简要介绍了既有结构外套加固技术的概念及种类，从砌体结构、框架结构、剪力墙结构三方面，分析了外套加固后结构的抗震性能，并针对外套加固技术中存在的问题，提出了外套加固技术的改进建议及发展趋势。

外套加固技术，砌体结构，框架结构，剪力墙结构，抗震性能

0 引言

近几年，地震频繁袭击我国各大地区，很多震损建筑需及时采取加固修复措施。同时，有些早期建筑已经接近或超过使用寿命期限，也需要进行抗震性能鉴定和必要的加固。为了提高需要加固的既有建筑承载力，已经有了很多类加固方法，如：使用钢绞线和砂浆加固梁柱，内部增设抗震墙和利用钢板或碳纤维增强聚合物加强柱等。这些加固方案大多是对受损构件的加固，需要合适的工作空间和时间，另外，既有结构构件较多时，在内部加固构件还会带来工程量大、周期长和费用高等问题。所以，既不影响正常工作，又要降低加固的时间和资金成为现阶段加固的一个研究目标。而外套加固技术就是一个很好的选择，它突破了原先只对既有建筑构件进行加固的思维局限，解决了内部加固方法造成的很多实际问题，给加固方案的确定提供了更多的选择，因此外套加固技术备受推崇，应用范围广，相应的抗震研究较热。

1 外套加固技术的介绍

外套加固技术是指在需要加固的既有建筑外部增加构件，形成外套加固结构。增加构件可以是墙、柱、梁或支撑等，用于分担结构所受地震作用力进而达到减小既有结构地震反应的加固目标，也可以是不同类别的阻尼器，用以吸收地震能量，减少对既有结构的损害。外套加固技术种类很多，从加固结构是否与既有结构共同受力来划分，可以分为分离式方案和整体式方案，具体分类见表1。

表1 外套加固技术的分类[1-3]

2 外套加固后结构的抗震性能研究

2.1 砌体结构外套加固的抗震性能

地震对房屋建筑造成的严重破坏已经引起社会的极大关注，经过实地调研发现，破坏严重的多是砌体结构，如何加固既有砌体结构，提高其抗震能力成为研究热点。

1)王曙光等人[4]针对老旧砌体房屋抗震加固问题，提出了采用顶层增设预制钢筋混凝土墙板和隔震支座进行加固的方案，建立了比例为1/4的初始砌体结构和不同加固方法加固后的结构缩尺模型。通过有限元模拟仿真和振动台实验，分析结构在多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震作用下的结构动力响应和非线性损伤，并得出结论：经外套加固后结构的自振周期变长，阻尼比得到提高，抗震性能增强。

2)万金国等人[5]以北京市朝阳区农光17号砌体结构住宅楼的加固为工程背景，采用在建筑外侧纵墙和横墙增设钢筋混凝土板墙及在建筑外侧楼层标高处设置预制钢筋混凝土板的加固方法。使用FECIS软件进行整体计算，模拟出加固时外套结构的配筋计算和加固后原结构内墙抗剪和抗压承载力的验算，同时使用有限元计算软件PLAXIS 3D Foundation进行沉降分析，结果显示满足新老结构的沉降差异。

2.2 框架结构外套加固的抗震性能

现阶段，框架结构在所有已建结构体系中占大多数，在震损地区成为加固的主要对象。使用哪些外套加固技术加固框架结构使其恢复或提高原有抗震能力成为研究者关注的问题。

1)郭子雄等人[6]以4层中小学教学楼框架结构为原型，采用外加剪力墙的方法，通过使用有限元软件SAP2000建立结构模型，进行小震作用下结构整体性能分析。分析结果显示，由于剪力墙有较大抗侧刚度，可以分配较大的地震力，降低了既有框架结构的地震力，从而起到了加固的作用。同时，对加固前后位移角对比后发现，剪力墙的加设使结构各层的变形趋于均匀化，减小了楼层变形集中，能够控制结构变形模式，为研究剪力墙对地震时结构弹塑性变化的影响奠定了基础。

2)张鹏程等人[7]以厦门市一所框架结构中学教学楼为研究对象，分别采用横向增设X字形支撑，纵向增设人字形支撑和增设翼墙两种加固方案，使用PKPM系列软件中的SATWE进行模拟验算。加固后原结构梁柱配筋满足要求，增设的支撑使前三阶周期大幅缩短，对结构变形有明显的控制作用，各层层间位移都减小，且顶部位移减少了60%。通过Pushover分析可以发现，支撑加固后的结构刚度增大明显，塑性铰出现延迟，抗震能力得到明显提高。

2.3 剪力墙结构外套加固的抗震性能

地震后做过的许多调查发现，受损最轻的结构体系是剪力墙结构，但在智利8.8级地震后，剪力墙结构也出现了较大的损伤，需要维修加固。使用外套技术加固剪力墙结构成为了研究者一个新的热点问题。

许国山等人[8]以北京前三门地区一幢20世纪70年代建成的14层剪力墙结构为研究原型，制作缩尺比例为1/6的模型，采取外套加固措施，在原建筑纵向外侧增加约束结构，在顶部增设两层钢框架结构，并在新旧结构间设置橡胶铅芯隔震支座。对加固前后结构进行振动台试验，选取EL Centro波、Taft波及人工波作为输入地震波，选取加速度、位移、混凝土应变等参量进行测定。结果表明，增层隔震加固后的结构刚度增大，二阶周期变长，结构地震响应变小，原结构和外加结构变形协调，整体结构在8度罕遇地震下未发生破坏。

3 存在问题

1)在砌体结构改造过程中，容易出现由新增结构导致的地基不均匀沉降，继而引发原砌体墙的开裂，现在多采用有限元分析软件进行模拟分析，缺乏更可靠的实验数据支撑分析计算。

2)整体式加固方案中多采用短梁连接新旧结构,这种通过短梁连接的方法存在纵向抗侧刚度较弱、易扭转、刚度突变等问题,在地震时属于薄弱部分，早先破坏，加固结构和既有结构分离，加固结构就失去了减轻既有结构地震作用的保护功能。

3)实际工程加固质量参差不齐，外套式加固后的结构抗震水平不能得到确保，为指导外套加固工程设计和施工，北京出台了指导性文件，并通过了专家评审，但全国还缺少权威的规范准则。

4 建议与研究趋势

1)新旧结构的连接是实现设计预期目标的基础。加固设计时，不仅要确保整体的抗震性能，也要保证研究新旧结构连接的可靠性，如采用钢拉杆、长锚杆或圈梁。连接问题可以借鉴节点研究的思路和方法来解决，模型和计算方法可以在节点研究的成果上加以修改套用，并经实验验证后推广应用。

2)目前外套加固技术仍需解决两方面的问题：一方面是数值分析技术的精确性和计算效率，能够对新旧结构试验中的数值分析部分实现准确、快速的模拟分析，另一方面是试验加载设备的大型化、复杂化，确保大尺寸模型及复杂边界加载条件的实现。

3)当震损建筑破坏程度较大时，只采取外套加固显然会造成新旧结构的抗震性能差异过大，会导致既有结构先发生倒塌。此时，需要综合采用加固构件和外套结构两种方法，实现加固方案最优化。

[1] 张 鑫，李安起，赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的发展[J].工程力学，2011,28(1):1-18.

[2] 于敬海，韩宁宁.外套增层结构体系抗震性能分析[J].工程抗震与加固改造,2010,32(1):25-29.

[3] 曲 哲，张令心.日本钢筋混凝土结构抗震加固技术现状与发展趋势[J].地震工程与工程振动,2013,33(4):61-74.

[4] 王曙光，苗启松，刘金龙.砌体结构外套预制钢筋混凝土墙板加固及隔震加层振动台试验研究[J].建筑结构学报，2012,33(11):99-106.

[5] 万金国，陈 晗，李文峰.砌体结构外套加固设计方法及试点工程[J].建筑结构学报，2013,43(18):92-95.

[6] 王 伟，郭子雄，林树枝.采用剪力墙体外加固中小学校框架结构抗震性能研究[J].土木工程与管理学报,2011,28(3):60-64.

[7] 张鹏程，袁兴仁.框架结构增设支撑与翼墙抗震加固方案对比[J].土木工程学报，2010,43(sup)：442-446.

[8] 许国山，林 琦，苗启松.既有结构外套增层隔震加固振动台试验研究[J].土木工程学报，2014,47(3):19-25.

Outer of existing structures to reinforce the development of technology and seismic research review

An Yuchen Jia Jie*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

The paper introduces the concept and types of the outer consolidation technique in existing structures, analyzes the seismic performance of the outer structure after the consolidation from the masonry structure, framework structure, and shearing walls, and points out some improvement suggestions of the outer consolidation technique and its development according to its problems.

outer consolidation technique, masonry structure, framework structure, shearing wall structure, seismic performance

1009-6825(2016)18-0040-02

2016-04-17

安宇尘(1995- )，女，在读本科生

贾 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU318

A