既有结构评估、加固改造理论及关键技术研究进展

张鑫岳庆霞

(山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南250101)

0 引言

我国既有建筑面积已超过720亿m2，由于接近或超过设计使用年限、原设计标准偏低、施工缺陷以及维修管理不善等原因[1]，约30%～50%的既有建筑出现了安全性降低或功能衰退，而使用年限超过30年的既有建筑占总量的30%以上，因此亟须对既有结构进行性能评估及相应的加固改造，从而延长其使用寿命，提升其使用功能与服役能力。同时，建筑物面临地震破坏的威胁。既有建筑由于建设年代不同，抗震设防水平不一致，导致在强烈地震作用下，其抗震性能表现也不一致。抗震加固已成为提升其抗震性能的有效途径。

随着建筑功能多样化的要求，既有建筑的改造已由单一功能改造转变为性能整体提升的复杂改造，如建筑物平移、整体顶升、既有建筑物纠倾、既有建筑地下空间开发等，在结构托换、结构复杂改造技术等方面需要开展相应的研究，以提升既有结构的使用性能与后期服役能力。

在结构加固改造研究领域，仍有很多科学问题和关键技术亟待解决和完善，建筑结构的性能评估方法、结构的综合改造技术、基于结构抗震性能提升的抗震加固新方法等均需要进一步深入研究。文章主要从结构鉴定、加固改造技术的基础理论和关键科学问题出发，综述了该领域的发展现状及未来发展方向。

1 基于可靠度的既有建筑性能评估方法

目前，既有建筑的评估主要以GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》[2]和GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》[3]为基础，这些标准为我国既有建筑物的检测鉴定提供了一套较为完整的规范体系。虽然提到了鉴定等级与可靠度指标的关系，但既有建筑的可靠性鉴定方法总体还属于实用鉴定法，以现场检测数据为主对既有结构的现状进行评估，对环境与荷载作用下，结构性能发展趋势的预估较少，同时对基于结构性能退化的评定和结构后续使用寿命以及为未来的维修改造策略也涉及较少，因此缺乏从结构全寿命周期安全性和经济性平衡的角度出发考虑制定维修策略。

目前，新建建筑的结构设计建立了基于可靠度的设计方法[4]，设计中并未考虑结构抗力随时间的衰减，将抗力作为随机变量处理。但事实上，由于荷载与环境的共同作用，结构的材料性能会随时间的增加及环境的影响逐渐老化，从而导致其力学性能降低。因此，对既有结构必须考虑抗力随时间的衰减[5]，即考虑结构抗力退化。

考虑抗力退化的时变结构可靠度问题是结构可靠度领域的经典难题。基于此，MORI等[6]建立了考虑抗力和作用效应为随机过程的时变可靠度模型，将既有结构的可靠度表示为多重积分的形式，导致直接求解较困难，而选用蒙特卡洛方法求解得到了可靠度，敏感度分析发现，时变可靠度对初始抗力及抗力退化模型的参数较为敏感。HONG等[7]改进了上述模型，考虑退化开始时间和抗力退化函数的不确定性及构件之间的相关性，发现并联体系的可靠度对构件相关性十分敏感。贡金鑫等[8]针对时变可靠度计算需要多重积分的难点，提出了一种简化计算方法，将设计使用年限分为多个相等的时段，在每个时段分别利用传统方法计算结构的可靠度，在结构抗力和荷载变化不是很大的情况下，其计算量小且计算精度能满足工程要求。牛荻涛等[9]在抗力基本参数经时变化分析基础上，进一步考虑服役结构的抗力的衰减模型，建立了抗力相关参数的平均值和标准差数学模型。张俊芝等[10]在考虑抗力衰减模型的基础上，考虑实测数据，利用贝叶斯方法更新抗力分布，研究了既有结构的可靠度。赵国藩等[11]提出当结构可靠指标为0.85倍的设计基准期内的目标可靠度时，该结构已处于破损状态，必须采取一定的措施才能继续使用。

2002年以来，李杰等[12]和LI等[13]根据概率守恒原理，发展了随机结构动力反应的概率密度演化分析方法，可应用于一般多自由度体系的随机反应分析及可靠度。郭弘原等[14]以锈蚀钢筋混凝土梁为研究对象，采用概率密度演化方法，建立了锈蚀钢筋混凝土梁的时变可靠度计算方法，并与蒙特卡洛方法进行了对比。杨思昭等[15]分析了锈蚀后钢筋混凝土梁的承载力，但分析结果中出现的一定服役时间后构件可靠度突然变化的情况需要进一步研究。概率密度演化方法的提出为基于概率密度函数的、精细的随机结构可靠度计算开辟了新的思路。

重要结构如核电站、大坝、高层建筑等可以采用可靠度的精细化分析[16]，对一般结构来说，实用计算方法将更易于工程技术人员接受，目前结构可靠度的实用计算方法以分项系数法最为常用。MORI等[17]基于分项系数的方法，将结构抗力的衰减用抗力折减系数来表示，虽然只计算了服役年限为100年的情况下抗力的折减系数，但为既有结构考虑抗力衰减的可靠度计算提供了一个良好的思路。顾祥林等[18]基于目标使用期的既有建筑结构构件承载能力验算的极限状态表达式，对不同目标使用期内的荷载分项系数进行了优化分析，并进一步得出构件的承载力分项系数，对既有建筑结构构件承载能力进行等级评定，更加符合实际情况，其进一步考虑子结构方法[19]，基于层次分析，提出了既有结构体系可靠度评估的实用方法。

新建结构设计基于可靠度理论，既有结构的鉴定评估也应与之相一致，在结构可靠度基础上，考虑既有结构的荷载历史、抗力变化情况，对既有结构进行安全性评估，在此基础上，建立基于可靠度的既有结构性能评估方法。

2 基于体系的抗震加固新方法与加固后性能评估

既有结构由于设计标准变更以及设防烈度或设防类别的提高，使得结构抗震性能无法满足现行规范的要求，因此既有结构的抗震加固成为解决这一问题的必要途径。一些新型抗震加固方法与抗震技术的涌现，为结构的抗震加固提供了良好的基础，加固后结构的性能评估及失效机制是评价结构加固效果的重要方面。

2.1 基于体系的抗震加固新方法

我国从1966年邢台地震后开始京津地区的抗震鉴定加固工作[20]，发展到现在的综合发展阶段，下一步将向性能综合提升阶段发展[1]。

结构抗震加固方法目前以提高构件承载能力加固方法为主，如加大截面法、外包加固法等。另外，随着减震技术的发展，减震、隔震加固也逐渐普及。但在抗震加固中，由于抗震设防标准的提高，有些抗震构造不满足要求，若对所有构件进行加固，尤其是节点区域，加固困难且造价高。抗震加固的内涵应是结构抗震加固而非构件加固[21]，因此在确定结构抗震加固方案时，应首先考虑整体性加固方法，从结构体系抗震的角度，通过提高结构体系整体的抗震能力来实现，以避免“头痛医头、脚疼医脚”的构件加固方案。

基于结构体系的加固方法是加固技术发展的趋势，如减震隔震、附加子结构和自复位技术等抗震加固新技术，是抗震加固的主要研究方向。

作为一种较为成熟有效的减震技术，隔震技术已经列入了抗震设计规范中，在新建工程中推广使用。但对既有结构来说，隔震加固的关键是上部结构的切断与托换工作[22-23]。在这方面的研究还明显不足，关于托换结构的设计方法还需进一步完善[24-25]。

另一种常用的加固方法为附加阻尼的加固。目前，国内有关单位采用增大阻尼的方法(消能减震)加固了北京火车站中央大厅[26]、北京饭店西楼[27]、沈阳市政府大楼[28]等大型公共建筑，均收到了较好的加固效果。

附加整体子结构的加固方法是利用附加整体子结构与原有结构的协同工作，增强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[29]。其中，摇摆结构是一种外部附加子结构的新型抗震结构体系，该体系分为摇摆及自复位框架结构、摇摆及自复位剪力墙结构、摇摆框架-核心筒结构，其主要研究新加结构与原结构体系的刚度协调。吴守君等[30]研究了摇摆墙与框架结构的设计相对刚度，提出了刚度协调的设计方法。张富文等[31]进行了框架摇摆墙结构的抗震性能试验研究，发现框架-摇摆墙结构较框架结构的承载力和耗能能力均有提高，可有效改善框架结构的变形模式，使层间位移趋向均匀，同时指出保证延性的关键在于连接节点的性能。国内首例摇摆墙框架结构的加固工程由山东建筑大学工程鉴定加固研究院在济南荣军医院病房楼加固工程中实施[32]。

为了降低地震作用下原有结构失效的风险，大连理工大学程耿东等[33]和李刚等[34]提出了基于分灾模式的抗震设计方法，通过设计分析，使结构在地震作用下主要失效模式是结构局部新加构件失效，保护原结构继续承载竖向荷载。苏原等[35-36]将该理论引入到抗震加固中，提出基于分灾模式的抗震加固设计概念，对一栋7度设防的现有框架结构两侧分别添加一榀框架作为分灾元件，当分灾框架有合理的结构形式，且与原框架的侧向刚度和承载力保持一定的比例，就可以使得塑性铰率先出现在分灾框架上，并能把7度抗震能力提升至8度，这证明了分灾模式思想在抗震加固中是可行的。陈剑波等[37]提出了基于分灾模式的钢筋混凝土梁抗弯加固性能评估方法，并通过试验证明加入分灾元件的钢筋混凝土梁抗弯加固性能有明显提高。

抗震加固方法随着新型抗震技术的发展而发展。但其应用于既有结构与新建结构的不同在于二者的协调共同作用或者分灾的思想的实现，因此对加固后结构的抗震性能进行评估成为亟需解决的问题。

2.2 既有结构加固后抗震性能评估

结构的抗震性能评估一直是研究的热点和难点问题。对既有结构和震损结构进行抗震性能评估，了解其在地震作用下的反应特性、薄弱环节和破坏机制，可以有效地减轻地震灾害，为采取加固措施提供基本依据。

目前，对结构抗震性能进行评估的方法主要有静力弹塑性分析法(Push-over)[38]与增量动力分析法(Incremental Dynamic Analysis，IDA)。静力弹塑性分析法最早是由FREEMAN等[39]于1975年提出的，该方法不仅能考虑结构和构件的弹塑性性能，且计算简便，是基于性能抗震分析的重要方法之一[40]。IDA方法[41-43]以大量的时程分析为基础，利用强度不断增强的大量地震动对结构进行时程分析，通过结构能力曲线分析其抗震性能。由于IDA方法需要对结构进行大量的时程分析，所以工作量较大。

随着结构非线性性能研究的进行，非线性动力时程分析法或弹塑性时程分析法由于可以考虑结构的动力特性，成为结构分析的一个重要方面。近年来，随着强震记录的增多和计算机技术的广泛应用，此方法越来越受到重视[44]。

基于性能设计的基本思想也已写入了我国的抗震设计规范中。1996年，美国应用技术理事会(Applied Technology Council，ATC)发表了ATC-40报告，首次提出将基于性能的设计理论引入到混凝土结构的抗震加固中，并采用能力谱法进行结构性能评估[45]。徐开等[46]阐述了基于性能的抗震加固的发展状况及目前存在的问题，从而在抗震加固中引入了基于性能的设计方法。

既有结构在抗震性能评估中需要考虑结构的抗力随着使用年限的衰减[47-48]、地震荷载不同后续年限的调整，因此既有结构的抗震性能评估应该结合结构的抗力衰减与地震荷载的不同进行更为精确的评定。

2.3 既有结构加固后的抗震恢复性研究

可恢复功能防震结构[49-50]成为研究的热点问题。近几年，实现可恢复功能结构、可恢复功能系统与实现可恢复功能城市3个层面已经成为国际地震工程界的共识和研究热点。BRUNEAU等[51]和CIMELLARO等[52]将其引入到基础设施及建筑结构性能评价中，用来描述地震等灾害作用下基础设施和结构维持或恢复预定功能的能力。可恢复功能结构在既有建筑加固中应具有更大应用价值，但目前的设计方法等研究还较少。

TRICA等[53]研究了以恢复性指标为目标的既有支撑框架修复加固方法，对比分析了加拿大温哥华地区支撑框架的抗震恢复性以及结构加固对恢复性的提升效果；HUTT等[54]研究了不同地震风险水平下既有高层框架的抗震恢复性，对比了结构与非结构构件加固对恢复性的影响；DONG等[55]研究了隔震与非隔震钢框架的抗震恢复性，结果表明，采用隔震措施后可以显著降低震后经济损失，提高了结构的抗震恢复性。HUTT等[56]采用基于地震力设计方法的既有高层建筑结构的抗震性能的时程分析法，讨论了加固措施对结构恢复能力的影响。

国内的结构抗震恢复性的研究相对较晚，但在近几年形成了研究热点。吕西林等[57]提出的可恢复功能结构体系，主要通过采用摇摆墙、摇摆框架、自复位或更换构件等方式实现其功能的可恢复性。李英民等[58]以恢复性为指标进行了框架梁铰、柱铰等结构不同损伤机制的评价；何政等[59]定义了新的考虑结构损伤的结构震后恢复指标计算方法，并评估了框架恢复性的评估。石晟等[60]从抗震韧性的角度研究了减震加固方案的合理性，对抗震韧性在抗震加固中的应用提供了一个新的视角。

虽然结构的抗震恢复性或韧性目前已形成研究热点，但是如何对抗震加固后的结构进行韧性评估，目前的研究还处于起步阶段。

3 基于托换技术的既有建筑综合改造新技术

建筑结构改造是提升结构性能的重要技术手段，已由单一技术为主的单项改造向多项技术集成的综合改造方向发展，如建筑整体移位、顶升、增层、既有建筑地下空间开发、建筑物纠倾等，亟须在对建筑物整体性能进行评估的基础上，进行多项改造技术的集成创新。

在综合改造技术中，结构托换是改造的关键共性问题，如建筑物移位技术需要建筑物托换、既有建筑地下空间开发需要先进行上部结构托换，再进行逆作法施工，建筑物顶升、增层、扩跨更首先需要结构托换的问题等，因此结构托换技术需进行深入系统地研究。

托换结构通常是由托换节点以及托换连梁组成的结构体系，目前的研究主要集中在托换节点的研究[23]。托换节点受力复杂，与普通的受弯或受剪构件不同，为深受弯构件；另外涉及新旧界面的结合问题，受多种因素影响，导致其破坏机理及失效机制不明确[61-62]。托换节点根据所托换构件不同，主要可以分为墙体和框架柱托换节点。

墙体托换一般采用单梁式混凝土托换、双梁式混凝土托换、型钢-组合砌体托换等。砌体托换结构因托换梁高度不同，将发生两种情况的破坏:砌体墙与托换梁界面冲切滑移破坏及砌体墙的斜压或局压破坏[63]。托换梁为偏拉构件，其破坏与墙梁类似，另外对型钢-组合砌体托换结构也进行了大量的试验研究，得到了托换节点破坏模式及承载力计算公式[64]。

框架柱托换节点形式主要有钢筋混凝土柱四面包裹式托换、单梁式托换、型钢对拉螺栓托换等，其中四面包裹式托换节点，由于安全性能高及施工方便等优势，已成为托换节点的主要形式。四面包裹式托换节点处于弯、剪、扭复合受力状态，具有空间受力特性，同时托换梁与柱的新旧混凝土界面是其受力的薄弱部位。在实际工程中，由于对其空间受力机理认识不足，为保证界面不发生破坏，设计的托换节点高度一般过大。另外，工程中也出现过由于托换节点破坏导致的工程事故，如河南信阳市某燃气公司5层框架结构办公楼平移，在平移过程中，由于托换结构开裂、变形严重，导致平移失败。

因此，大型、复杂改造工程，托换荷载越来越大(如莱芜高新区办公楼重量达35 000 t，单柱托换荷载达11 700 kN)。为了适应托换结构受力的这一特点，岳庆霞等曾提出一种预应力托换节点[65]，通过施加预应力，增加对梁柱界面的约束作用，从而提高托换节点的承载能力，同时为了解决托换节点的界面薄弱面问题，还提出了在新旧混凝土界面植入大量界面锚筋[66]，不仅仅考虑界面锚筋的构造作用，同时考虑界面锚筋对抗剪承载力的贡献，增加界面抗剪能力，从而提高新旧混凝土界面的承载能力。并对这两种新型托换节点进行试验及理论研究，分析了托换节点的受力特性及破坏机制，建立了托换节点承载力计算方法。

除托换节点的研究外，在一些复杂改造工程中，对托换结构提出了更高的要求，需要考虑托换结构的整体性、刚度以及对上部结构的影响等。将托换结构与上部结构割裂开来分别设计和分析，容易导致二者刚度和变形不协调，导致建筑物托换后出现开裂或倾斜等情况。

托换结构是结构性能提升的共性关键技术。对墙体托换来说，空间作用影响小，机理研究基本清晰。但对四面包裹式柱托换节点来说，由于对托换结构受力机理认识不足，对托换结构体系与上部结构体系的相互作用体系的研究还比较缺乏，导致设计的托换节点过大或存在安全隐患，应考虑建立二者相互作用的托换结构的整体设计方法。

4 展望

我国既有建筑加固改造与性能提升任重道远，而在既有建筑的性能评估与剩余可靠度、既有建筑抗震加固及加固后的抗震性能评估、既有建筑的综合改造、既有结构加固新材料等方面存在一些关键科学问题亟须解决。因此，面向国家经济社会发展重大需求，瞄准建筑结构加固改造的国际学术前沿，针对既有建筑性能评估体系的建立、抗震性能及使用性能的提升、抗震加固新材料及新方法等重大基础理论和关键共性技术两大创新目标，进行基础和应用基础研究具有十分重要的意义。