既有建筑装配化外套加固成套技术研究与应用

经过多年的努力，我国大部分建筑已具备了很好的抗震能力，但有相当一部分建筑建设年代较早，由于当时经济水平的限制及规范的不完善，存在大量未考虑抗震设防或虽然考虑了抗震设防但抗震设防目标较低的建筑。我国在20世纪70年代以前建造的建筑基本没有考虑抗震设防问题，在70年代后建造的许多建筑都不能达到建筑抗震设计规范的要求。按设计基准期50年计算，我国约有几十亿平方米的建筑物己进入了“中年”或“老年”服役阶段，受当时社会经济水平限制，其抗震能力难以抵御6级以上的破坏性地震。未经抗震设防或抗震设防标准不足的砌体结构在历次地震中破坏严重，如1976年唐山大地震，砖混建筑倒塌率为70%～90%；1993年云南普洱地震，多层砖混结构破坏率达75%；2008年汶川地震，多层砖混结构破坏率达到50%。2015年6月，贵州发生3起砌体房屋倒塌事故，这些房屋仅在重力荷载作用下就发生了倒塌，若发生地震，可能会造成更大面积的房屋倒塌。

北京市于上世纪六七十年代建造了大量多层砌体结构住宅，很多采用了北京市建筑设计研究院编制的64住2、73住1、74住1及76住1等系列住宅标准图，在建造时无抗震措施。这些建筑至今已使用了40余年，多数未进行过抗震加固，存在着结构材料老化、整体抗震性能差、居住舒适度低的问题。据不完全统计，截至2016年底，北京市尚有1979年底前建成的、未加固的既有建筑面积超过3000万平方米，涉及工作和生活的人数约200万。北京地区建筑抗震设防烈度为8度，清朝康熙十八年曾发生了8级特大地震，附近地区如唐山、邢台、迁安等地区也发生过强震。这类未加固的既有建筑在破坏地震作用下将导致难以估量的人员伤亡和经济损失，对其进行抗震加固已经迫在眉睫。

对既有的抗震能力较低的建筑进行加固，提高其抗震性能，既可满足抗震设防要求和新的使用要求，也能取得显著的社会效益和经济效益。我国传统的建筑结构抗震加固技术，主要通过提高承载力和增加结构变形能力，即延性来实现。其中，以提高承载力为目标的抗震加固方法，对于提高结构的抗震性能、减少地震损伤有很好的效果。典型做法如增设抗震墙和增设钢支撑框架。以增加结构延性为目标的抗震加固方法，主要集中于对框架梁柱的加固。典型的做法如粘钢加固法和粘碳纤维加固法。现行标准规范中的常用加固方法一般需要入户施工，中断建筑功能的使用，内加固时会减小使用面积，居民需搬迁，周转困难，资源浪费和环境污染严重，扰民严重，极易导致居民反对，政策上难以实施，考虑垃圾消纳环境成本，拆除重建成本至少是加固成本的10倍，已难以适应当代经济社会可持续发展的要求，因而需要着力研究与推广新型抗震加固方法。新的抗震加固方法需要满足尽量不入户施工、不中断建筑使用功能、高效快速加固、减少资源浪费和能源消耗、施工周期短和绿色环保等要求。

装配化外套加固成套技术

“有机更新”理论原是吴良镛院士提出的城市规划理论，其核心思想是城市改造应顺应城市原有的肌理，实现有机秩序。基于“有机更新”理论核心思想，建筑结构抗震加固技术发展的理想模式是尽量减小甚至消除加固施工对建筑功能的中断和影响，在不降低使用性能的条件下实现抗震性能的提升，就像有机体的新陈代谢，在发挥正常功能的同时完成有机体的更新。基于城市“有机更新理论”的核心思想，分析建筑结构抗震加固技术发展趋势，建筑结构“不入户加固”的新型外套结构加固方法，更能体现出当前经济社会可持续发展的适用性。外套结构加固就是利用外套结构与原有结构的协同工作，增强原结构的整体抗震能力，或改变原结构的结构体系，进而改善原结构的受力状态和变形模式，从而提高结构的整体抗震性能，是一种结构体系的加固方法。外套结构加固方案分为分离式和整体式两种：分离式加固方案由于新、旧结构的质量、刚度的差异，地震中容易引起相互碰撞，引起房屋破坏甚至倒塌；整体式加固方案受力模型比较复杂，目前尚无合理可靠的计算方法，需要结合原结构的抗震性能进行专门研究。外套结构加固方案另一个突出优点是能够和结构加层联系起来，大规模拆建或新建房屋，会造成资源的浪费，投入大，速度慢，故采用加层改造技术是旧房改造的发展方向之一。对旧房进行外套结构加层改造既可以增加建筑的使用面积，又可以改善房屋的使用功能，对缓解城市建设用地紧张、改善人民居住条件都具有现实意义。为贯彻《中共中央 国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》等政策和国家生态文明建设要求，结合中国新型城镇化建设需求，积极开展预制装配式混凝土结构建筑产业化关键技术研究，提升建筑产品品质、提高建造效率效益、减少劳动用工，实现建筑业资源节省、节能减排、绿色环保可持续发展目标，具有十分重要意义。建筑产业化的关键是建筑的工业化生产和施工，外套结构加固技术可以将抗震加固和建筑工业化有机结合，最大限度地实现建筑工业化生产和施工，节能减排。（图1）

图1 74住1甲单元建筑平面布置图

以北京地区上世纪70年代常用的74住1户型抗震加固为例，既有多层砌体住宅抗震加固工程对加固方法有特殊的要求，具体表现为：

（1）原结构抗震构造和承载力一般均不满足要求。如图1所示，该类型住宅纵向抗震承载力一般不满足要求，在外墙外侧采用板墙加固时，会占用阳台内的使用面积；该类型住宅横向也经常不满足抗震要求，如采用常规加固方法则需要加厚内部墙体。

（2）原建筑户型小、使用面积紧张，内部加固实施困难。仍以74住1户型为例，各户型的建筑面积均为50平方米左右，卫生间使用面积不足2.0平方米。如在加固时增加墙体厚度，会影响使用空间、造成户内原有设备管线及装修的破坏，势必会增加工程造价、延长工期，引起业主反对而导致实施困难。

（3）施工工期紧张，施工扰民问题敏感。住宅加固施工过程中，存在大量的噪音、粉尘污染问题，会对住户的日常生活造成很大影响，因此，从避免扰民角度考虑应尽量缩短施工工期；另外，现场工期延长还会增加施工措施费、人工费等各种费用，导致工程总造价上升；较长的施工工期还会带来施工安全性问题。因此，需采用工期短、污染少的加固方案。

综上所述，传统砌体结构加固方法需入户施工、需占用户内使用面积，且工期较长；从工程实施角度而言，存在较大困难。

为解决上述难题，需研发新的多层砌体住宅抗震加固方法。从避免内部加固、减少入户施工、减少对住户影响、缩短施工工期的角度出发，提出了采用外套预制结构进行砌体住宅加固的方法（以下简称“外套工业化抗震加固方法”），以推动既有多层砌体住宅抗震加固的实施。该加固方法的思路如图2（a）所示，在既有建筑两侧增设装配式外套结构，横向和纵向分别外套和外贴预制钢筋混凝土墙，外套结构与既有结构紧密结合、共同工作，在外套结构基础底板下设置旋转钻进预制复合桩，调整外套结构与既有结构之间沉降差。加固后的砌体结构属于由砌体材料与混凝土组成的混合结构，加固后的混凝土结构则包含有配筋率和强度较低的旧混凝土结构和配筋率和强度较高的新混凝土结构，如图 2（b）所示，这是一种体系化的加固方案，改变了传统技术“头疼医头、脚疼医脚”的加固理念，通过附加延性、耗能更好的新结构，控制老结构的变形模式，从整体上改变了原结构抗震不利的动力特征。

图2 装配化外套加固方法示意

装配化外套加固相关试验研究与论证

整体结构试验和构件试验

以北京市老旧多层砌体住宅为研究对象，开展了一系列试验研究。外贴预制墙板加固试验检验了新老结构连接措施的可靠性和在各个变形阶段传力贡献率，为设计方法提供依据；既有砌体结构外套加固足尺模型试验（图3）和既有砌体结构外套加固振动台试验（图4）检验了新老结构变形协调机理，验证了既有结构非延性破坏向加固结构延性破坏模式的转化。其中足尺试验模型在超大震（地震动峰值为0.40g）情况下，结构横向与纵向最大层间位移角分别为1/167和1/233，可以满足后续使用年限30年以及“大震不倒”的抗震设防要求。

图3 既有砌体装配化外套加固5层足尺模型试验

图4 既有砌体外套加固（5+2）1/4缩尺模型振动台试验

图5 单边加固的低配筋率墙体抗震性能试验

图6 加固结构1/2缩尺模型试验

图7 1/6缩尺模型振动台试验

图8 既有砌体结构新老结构连接试验设计

图9 干式连接实验体

以北京“前三门”约40栋建于1976年前后的低配筋剪力墙结构为研究对象，开展了一系列试验研究。包括低配筋剪力墙加固抗震性能实验（图5）加固结构整体1/2缩尺模型拟静力与拟动力试验（图6）和1/6缩尺模型振动台试验（图7）。加固结构整体1/2缩尺模型试验结果表明：地震波加速度峰值为0.40g时，结构顶部横向和纵向最大位移分别为45mm和31mm，位移角分别为1/250和1/380，满足“大震不倒”的设防要求。并对低配筋剪力墙加固前后的抗震性能进行了数值模拟和参数分析；对前三门低配筋剪力墙结构进行了外套装配化设计研究；基于试验研究、理论分析和试设计成果提出了低配筋剪力墙加固设计方法。

在两种加固结构体系内，以弯曲变形为主的附加结构约束以剪切变形为主的既有结构，使其向弯剪复合型变形模式发展，避免了原结构对抗震极为不利的层变形集中模式，大幅度提升了既有结构的抗倒塌能力。根据加固结构整体模型纵横墙两个方向裂缝的发展情况和变形模式，新老结构的变形是协调的，但为保证加固后结构在横向的整体性，需采取顶层拉结、底部拉结及控制外加横墙最小尺寸的构造措施。

研发新的外套加固结构与老的既有结构协同工作关键技术，保证了加固的可靠性。深入研究了基于销键-植筋-灌浆组合连接的新老结构之间结合面连接技术。新的加固材料与旧的既有结构材料之间的界面在结构受力时，结合面会出现拉、压、弯、剪等复杂应力，特别是受弯或偏压构件，结合面的剪应力较大。新旧材料结合面是一个薄弱环节，其抗剪强度远远低于整浇结构材料的抗剪强度，新旧材料能否共同工作，关键在于结合面剪力能否有效的传递。因此，开展了采用预制剪力墙墙板加固砌体外纵墙后的复合墙片的抗震性能试验（图8、图9），新老结构之间的连接方式分为“灌浆+植筋”、“销键+植筋”、“灌浆+销键+植筋”3种，试验结果表明：灌浆连接方式能较大幅度提高构件的承载能力及抗侧刚度，并能有效控制墙体裂缝开展，提出的连接技术可行。开展了新旧混凝土连接节点试验，试验结果表明：合理的植筋深度与钢筋直径可以实现与现浇结构钢筋锚固相当的性能。创造了预制墙片竖向连接的型钢连接节点形式（图10），传统方案采用灌浆套筒、机械套管等方式连接，难以保证连接质量。本项目上下层预制混凝土墙片中采用型钢构件进行连接，其中，边缘约束构件中的型钢用于传递弯矩，墙板中间的预埋件传递剪力，上下层间采用法兰螺栓连接，连接速度快，且避免后浇区域的复杂的钢筋工程。试验表明：这种新型连接节点形式具有足够的抗弯和抗剪承载力。

图10 预制剪力墙型钢连接节点试验

基于旋转钻进预制复合桩的外套结构沉降控制技术

采用外套结构加固既有建筑结构时，既有结构的基础沉降变形已经趋于稳定，但外套结构的基础沉降还未完成，外套结构与既有结构基础存在沉降差。由于沉降控制要求高、施工场地窄小、障碍物多、绿色环保、施工周期短等特殊要求，其基础施工难度很大，同时为配合上部结构装配化加固需求，项目组提出了一种新型的旋转钻进预制复合桩。旋转钻进预制复合桩主要由钢桩、注浆体和灌注体组成（图11）。旋转钻进预制复合桩成桩角度多样化、承载力相对较高，适用于大部分土体，对地下水水位无任何要求。项目组根据旋转钻进预制复合桩桩型的设计和施工要求，研制组装了配套专用施工机械样机（图12）。包括钢桩旋转钻进机车、后注浆环保车等，能较好的完成钢桩钻进、后注浆施工等。在北京市房屋建筑抗震节能综合改造工程中，老城区道路狭窄，施工空间十分狭小，项目提出的方法在施工中充分发挥了本桩型及施工机械的特点，每根桩施工时间不足30分钟，且立即具有一定承载能力，大大缩短了桩基础的施工周期，对原有建筑干扰很小。

图11 旋转钻进预制复合桩示意图

适用于装配化外套加固方法的设计软件

图12 旋转钻进预制复合桩施工

图13 Fecis-RM软件主界面

图14 考虑施工阶段的计算模型

图15 墙肢设计内力

开发了适用于装配化外套加固方法的设计软件Fecis-RM，为既有建筑装配化外套加固技术提供了设计工具。砌体结构与混凝土结构装配化外套抗震加固计算原理类似，但前者计算更为复杂。砌体结构装配化外套抗震加固的设计过程涉及至少两种结构材料（砌体和混凝土），另外还需要独特的施工过程模拟才能得到恒载作用下较准确的构件内力，目前国产软件尚不具备此项功能，而Midas和SAP2000等通用有限元软件应用起来过于繁琐，需要手工干预分析过程，且不能直接得到外套结构的配筋结果。且包含砌体和混凝土材料双层剪力墙的计算分析目前也无软件能直接支持。基于自主核心的有限元软件，开发了专用分析设计软件Fecis-RM（图13），可完整解决现有软件的应用限制，满足砌体加固的设计需要（图14、图15）。

工程应用及推广

在北京市房屋抗震节能综合改造试点工程的实践基础上，为指导装配式外套加固技术的应用，项目组编写了《北京地区既有建筑外套结构抗震加固技术导则》《多层砌体结构外套装配式钢筋混凝土墙抗震加固图集》，将相关成果纳入并主编了《房屋结构综合安全性鉴定标准》DB11/637-2015、北京市地方标准《建筑抗震加固技术规程》DB11/689-2016等，对装配式外套结构加固设计方法和构造措施等进行了详细的规定。

自2011年以来，既有建筑装配化外套加固成套技术在北京市老旧小区抗震节能综合改造工程中得到广泛应用，应用面积达66万平方米，加固改造涉及的住户达3万余人。既有建筑装配化外套加固技术具有施工周期短和绿色环保的优势，还可以适当增加既有建筑使用面积，改善居民居住品质，深受居民欢迎，大大推动了北京市老旧小区综合改造工程的实施，解决了大量既有住宅的安全问题，为保障北京地区既有住宅的抗震防灾性能做出了重要贡献，并取得了显著的经济和社会效益。

据有关部门统计，到1985年底，我国拥有城镇房屋面积46亿平方米，这些建筑物已进入了“中、老年”服役阶段，抗震能力不足，是国家抗震减灾工程中最薄弱的环节。随着经济的发展和抗震设计技术的进步，我国设防烈度区划图和抗震规范都进行了改进，《中国地震动参数区划图》GB18306-2015已于2016年6月1日实施，部分建筑的抗震设防水准得到提高，这导致大量按照原规范设计的现有建筑抗震性能不能满足当前的抗震设防要求。将老旧建筑加固改造与工业化有机结合，可为我国现存的抗震危房提供一种切实可行且具有推广意义的解危方案。