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摘要
1966年,河北邢台发生6.8级地震,我国开始了抗震普查与鉴定加固工作,至今,抗震鉴定与加固工作已逾53年.通过不同方式的加固改造措施,提高了老旧建筑的抗震性能,较好的保障了人民群众在面临地震灾害时的生命和财产安全.同时,城市建设蓬勃发展,建设用地日趋紧张,已经面临着新建建筑用地不足的压力.基于此,既有建筑物通过经济、合理、适用的加固改造,既提高了其抗震性能,又可以增加有效使用面积,改善使用功能.特别是,《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)重新调整了地震动参数的划分,对我国老旧房屋抗震鉴定与加固提出了新的要求.
本文在综述现有建筑工程检测鉴定及加固改造方法与理论、科研成果与工程案例的基础上,以甘肃省某框架-剪力墙结构高层建筑抗震鉴定与加固改造工程实例为研究对象,通过结构位移比、构件轴压比及配筋计算等,结合梁、柱、墙承载力验算及有限元模拟分析结果,建立结构安全性鉴定评价体系,根据安全适用、经济合理的原则比对两套拟选方案,最终形成了本工程的加固方案,完成了加固改造,提高了既有建筑物的抗震性能.主要研究内容包括以下方面:
1、介绍本文的研究背景和意义,综述国内外有关建筑物检测鉴定及加固改造方面的研究现状、工程案例及其典型做法.从提高结构抗震性能和减少地震作用两方面出发,归集介绍了钢筋混凝土结构的主要抗震加固方法.
2、以某框架-剪力墙结构高层建筑为研究对象,依据当时加固方案应该遵循的国家规范、规程,明确检测目的,制定工作流程,整理、分析检测数据,通过数值计算与有限元分析模拟相结合的方法,得出结构计算结果.
3、根据结构计算结论,结合抗震设计规范等有关要求,比选不同的加固改造方案,优化得出框架柱、梁、现浇板及剪力墙的加固措施,完成工程加固改造.
通过研究,形成了针对框架-剪力墙结构高层建筑安全适用、经济合理的既有建筑加固改造优化方案,以期为类似项目提供参考和建议.
关键词:既有建筑;抗震性能;结构检测;加固方案
Abstract
In 1966, a 6.8-magnitude earthquake struck Xingtai. For the reason, China beganthe anti-seismic survey and identification and reinforcement work, so far, the workhas been more than 53 years. The seismic capacity of the old buildings is improvedthrough the reinforcement and transformation measures of different ways, and thesafety of life and property of the people in the face of earthquake disaster is betterguaranteed. Simultaneously, urban construction is booming and construction land isincreasingly tight, which has been faced with the pressure of insufficient land for newconstruction. For the above-mentioned reasons, the existing building not only improveits seismic capacity, but also can increase the effective floorage and improve the usingfunctions through economic, reasonable and applicable reinforcement transformation. In particular, the zoning map of China's ground motion parameters (GB 18306-2015)readjust the classification of ground motion parameters and put forward newrequirements for seismic identification and reinforcement of China's old buildings.
Based on the review of existing construction inspection appraisal andreinforcement transformation method, scientific research and engineering case, on thebasis of a frame - shear wall structure in Gansu province high-rise building aseismicappraisal and reinforcement transformation project example as the research object,through the structure displacement ratio, axial compression ratio, reinforcementcalculation, etc., combined with the bearing capacity calculation of beam, column,wall and the result of finite element simulation analysis, evaluation system of thebuilding structure safety appraisal, based on the principle of safety and applicable,economic and reasonable than two sets of plans, ultimately form the strengtheningplan of this project, the reinforcement and transformation completed, improved boththe seismic performance of buildings. The main research contents include thefollowing aspects:
1. The research background and significance are introduced, and the researchstatus, engineering cases and typical practices of building inspection, identification, reinforcement and transformation at home and abroad are summarized in this paper. From two aspects of improving the seismic performance of the structure and reducingthe seismic action, this paper introduces the main seismic strengthening methods ofreinforced concrete structure.
2. Taking a high-rise building with frame-shear wall structure as the researchobject, the reinforcement plan should follow at that time according to the nationalnorms and procedures, the inspection purpose was clarified, the work flow wasdeveloped, the inspection data was sorted out and analyzed, and the structuralcalculation results were obtained through the combination of numerical calculationand finite element analysis simulation.
3. According to the calculation results of the structure and the relevantrequirements of the aseismic design code, different reinforcement and reconstructionschemes are selected, and the reinforcement measures of frame columns, beams,cast-in-place plates and shear walls are optimized to complete the reinforcement andreconstruction of the project.
A safe, applicable, economical and reasonable reinforcement and reconstructionoptimization scheme for the existing high-rise buildings with frame-shear wallstructure is formed through the study, which is expected to provide reference andSuggestions for similar projects.
Key words: Existing buildings;Seismic performance;Structure detection;Reinforcement scheme .
目录
第1章绪论
1.1研究背景
近年来,随着我国经济高速发展与社会的快速进步,城市化进程不断加快,国内新建建筑体量不断提升,建筑物建设标准也越来越高.由于城市建设用地的不断减少,部分较早建成的建筑物或因改变用途、或因质量问题,导致目前我国存在着一批有安全隐患的房屋.据测算,我国城市包括小城镇现有400亿m2既有居住建筑及老旧小区,这些老旧房屋普遍存在结构简单、年久失修的问题,对于现有建筑标准及使用要求已不能满足.地震对建筑的破坏巨大,老旧建筑物在长期受到自然环境和使用环境的双重影响下结构的安全性和使用性会有所降低,使其抗震性能不足,存在安全隐患,对人民的生命和财产安全造成较大威胁.因此,对既有建筑物的加固改造,提升其安全性和适用性,使其满足现有规范和标准的抗震要求,实现人民生命和财产安全的保障至关重要.在修缮前应对建筑物在安全性、适用性和耐久性方面存在的问题有全面的鉴定,才能做出安全、合理、经济、可行的方案,而建筑物检测鉴定所提供的就是对这些问题的正确评价,使建筑的维修与加固改造有法可依[1].工程中的抗震加固是针对已建成且正在使用的建筑进行检测、评价、维修、加固或改造等技术对策的简称.即建筑物加固是根据建筑物的鉴定结论,针对建筑物的缺陷和损坏进行修复,以恢复或提高建筑物的安全性和耐久性的过程[2].
1.2研究意义
对既有建筑进行必要的检测鉴定及加固,不但可提升建筑结构的安全性和适用性,又可以减少新建建筑对社会资源的消耗,又在一定程度上对生态环境形成了保护,提升了社会效益.因此,对建筑物进行安全性鉴定及加固效果分析研究具有十分重要的理论意义和应用价值.
(1)对既有建筑进行检测鉴定,可以明确既有建筑的安全性能[3].
建筑结构在长期服役的情况下,必然会出现结构功能的减弱和使用性能的下降.在使用过程中,居住者可能会因为房屋装修或者自身使用需求,而在不经过设计单位同意的情况下自行对房屋进行改造或者加建,此类行为都会对建筑结构的性能造成改变,从而存在一定的安全隐患.因此,对建筑的检测鉴定可以有效的确认该方面的安全问题,并通过所得信息给予解决方案,从而有效的保护人身财产安全.
(2)对既有建筑进行加固,可以有效提升建筑物安全性能[4].
既有建筑在使用过程中,不可避免的会受到使用功能改变或外界环境影响.在既有建筑不能拆建的情况下,又要对其进行使用,避免已有资源的浪费,则需要对其进行加固处理,有效提升其安全性能.部分建筑使用年限已达到,但又要对其进行再使用,可对其进行加固处理,提升原有结构耐久性.
(3)节约资源,保护环境[5].
随着新建建筑物的增多,现有建设用地资源越来越少.老旧建筑的拆除重建,相较于对既有建筑的加固使用,其必将会对周边环境产生污染以及对周边居民的生活造成较大的影响,而拆除后的建筑垃圾也将会对环境造成污染.而通过检测鉴定后,对既有建筑进行加固和改造,让其可再投入使用,发挥价值,可达到资源利用最大化、环境污染减轻化,为我国的可持续发展和绿色发展奠定基础.
(4)技术研究可为建筑物改造、加固提供技术支持[6-7].
通过对既有建筑进行检测和鉴定,基于检测鉴定数据,可客观有效地反应出建筑物的安全性能,寻找出既有建筑的损伤、破坏位置以及承载力薄弱的地方.通过所得数据对建筑物进行鉴定等级评定,对于满足鉴定要求的建筑物可以继续使用,对于不符合要求的建筑物,则可根据鉴定结果来制定具体的加固及改造方案.因此,充分完善的检测鉴定技术和建筑结构的加固改造技术研究十分必要,只有拥有高效的检测手段和加固改造技术,才能对实际工程发挥指导作用.
1.3抗震加固技术国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
(1)传统抗震加固技术
英国谢菲尔大学R.N.Swamy等[8]
学者在粘钢加固试验研究的基础上,运用软件分析了粘钢加固梁的受力破坏形态,验证了粘钢加固方式在少筋梁、超筋梁中能起到抗震加固作用.1965年,美国相关学者开始研究玻璃纤维在建筑结构加固工程中的应用,并探讨了玻璃纤维在结构抗震中的功能[9].1975年,J.R.Saucies和J.A.Holman等[10]以纤维片材为抗震加固材料,对钢筋混凝土梁抗震性能进行实验研究,同时对T形截面在内的规则截面进行正截面承载力计算,结果表明纤维片材对钢筋混凝土梁抗震加固作用中效果显著.1999年,加拿大学者F.J.Vecchio和F.Bucci[11]通过对碳纤维片材性能进行实验研究,分析探讨了该材质在剪力墙抗震加固中的积极影响作用.2003年,美国学者BruceR.Ellinggwood等[12]通过试验分析研究,提出基于荷载和耐久性的碳纤维混凝土组合结构设计方法,并通过实例验证该方法的抗震加固效果.2010年,日本新开发出了一种高延性材料加固工法(SRF工法),该工法具有基层处理简单、工序少、材料轻和价格便宜等特点,现已应用到诸多工程中[13].
(2)新型抗震加固技术
新型抗震加固技术主要从消能减震技术和隔震技术着手.如1995年,美国地震研究中心采用JARRET阻尼器进行钢筋混凝土框架加固试验,获得良好的加固效果[14].2001年,意大利学者Indirli[15]等人采用形状记忆合金(SMA)阻尼器对S.Giorgi教堂的钟楼进行了修复,通过研究发现,该方法可有效提高结构的抗震能力.2003年,加拿大联邦电子科研大楼增层改造工程中,工程人员基于安全考虑采用了摩擦耗能支撑对其进行抗震性能加固[16].
在隔震技术研究中,美国、日本、新西兰等国家在建筑结构的抗震加固中应用最多.例如,始建于1894年的美国犹他州湖政府大厦,属于五层无配筋砖石结构,在1991年运用高阻尼橡胶垫进行隔震加固;美国矿业学校三层教学楼,1993年采用高阻尼橡胶垫进行隔震加固;美国旧金山四层木结构海军总部大厦,在1991年采用摩擦型隔震支座进行隔震加固,在1995年又采用铅芯橡胶垫进行隔震加固.新西兰议会大楼和议会图书馆,采用铅芯橡胶支座进行抗震加固,加固后建筑可在地震时水平移动300mm.
1.3.2国内研究现状
(1)传统抗震加固技术
1980年,中国建筑科学研究院对钢筋混凝土结构抗震性能进行研究,通过实验结果对强度不足的混凝土框架展开分析,提出了一种预应力薄板做填充墙的抗震加固框架体系[13].1982年,天津大学利用环氧树脂粘贴型钢的方法和采用外加围套法等对框架梁柱进行了抗震加固实验,并对三十余项实验结果对比研究[17].1994年,田炜[18]等对10根采用增大截面法加固钢筋混凝土柱进行大偏压二次受力实验研究,根据实验和全过程计算分析结果,得出了大偏压受压加固柱的承受力不受应力水平指标影响的结论.2003年,余琼和李思明[19]通过柱加大截面法及粘钢法加固框架节点的实验研究,对两者在承载力、刚度、延性及耗能能力等方面进行了比较与分析.2010年,缪邵怀等采用钢板和碳纤维布复合加固的方法对梁加固并进行了抗震试验研究[20].
(2)新型抗震加固技术
①消能减震技术
国内在消能减震方面有较多应用,如沈阳市政府大楼(加摩擦耗能器),北京饭店、中国革命历史博物馆(通过加黏滞阻尼器减震)等[21].杨康等[22]基于某框架结构建筑,以减震技术理念对建筑加固分析.李彬[23]基于单跨框架结构建筑,亦从减震角度出发,对建筑进行抗震加固.广州中房大厦在1977年选用复合摩擦型消能支撑[24].北京饭店西楼采用粘滞-弹簧阻尼器以达到抗震加固目的[25].上海展览馆在抗震加固方面,增设阻尼器和增加剪力墙[26].青岛理工大学隋杰英等[27]对用于抗震加固的消能减震结构进行了弹塑性时称分析,评估了加固后结构的抗震性能.韩家军和佟健国[28]结合汶川地震后首例消能减震加固工程分析了消能减震技术在中小学校舍安全工程中应用的技术优越性和经济性.此外,消能减震技术还应用于许多中小学校舍安全中[29].陈妍君[30]在对某框架结构建筑房屋进行抗震性能检测鉴定的基础上,采用了增大截面法和粘贴纤维复合材料法的改造方式,加固完成后运用PKPM计算分析软件进行整体抗震研究,结果证明加固后的结构内力发生了变化.最后将构件受力和抗震数据加固前后结果进行对比分析,提出一种从整体上进行建筑结构加固改造的方法和思路.
②隔震技术
徐忠根等[31]对某多层建筑进行隔震改造设计,并强调隔震技术对已有建筑物进行抗震改造的优越性,对于重要建筑,通过对建筑物进行隔震改造加固,其造价一般比传统抗震加固方法造价低得多.2010年,中国建筑科学研究院与山西省建筑设计院在山西省忻州市首次采用隔震技术对中小学校舍等6个单体工程进行了抗震加固,加固类型涉及到砖混结构和钢筋混凝土结构[32].近年来,张龙飞等[33]对于隔震技术在既有建筑中的加固分析和施工技术进行了研究.在接下来的几年里,各地也开始出现了砖砌体结构和钢筋混凝土框架结构的隔震加固工程.总之,该技术在国内已有相关的成功应用实例,且现在相关的高校和科研院所对其研究较多,理论及设计方法也已逐渐趋于成熟.
1.4抗震鉴定国内外研究现状
建筑结构的抗震性能和安全可靠性是现有建筑改造加固的重要依据,对既有建筑的抗震加固必须要建立在全面的结构安全鉴定基础上[34].由于结构的改造涉及到已有建筑和新建建筑两部分,且结构体系较复杂,技术难度较大,因此对原建筑进行科学合理的检测鉴定是必然步骤.
1.4.1国外研究现状
在既有框架结构抗震鉴定方面,国外研究开展相对较早,并提出了合理的抗震鉴定方法,如日本的"综合鉴定法",美国的"安全性评估程序"[35].1991年,Priestly等针对既有钢筋混凝土框架结构做相关抗震鉴定实验,并提出一种新型体系鉴定法[36].2005年,欧洲一些国家制定相关规范并提出现有建筑物抗震鉴定方法[37].1997年,美国应用技术委员会在ATC-40报告中指出,可采用能量谱法对既有建筑结构进行抗震性能鉴定评估[37].在建筑抗震设计及灾后对既有房屋抗震鉴定方面,日本走在前沿.对于钢筋混凝土结构的抗震鉴定,日本主要依据《既有钢筋混凝土建筑抗震评估与加固标准》,其综合考虑结构抗震承载力和塑性变形能力的影响,根据结构可能发生的破坏模式,给出了各种竖向构件抗震能力的确定方法,并形成三级抗震评估体系[39-41].
1.4.2 国内研究现状
1.5 研究内容
第2章 结构加固方法及计算理论
2.1 提高结构抗震性能加固法
2.1.1 增大截面加固法
2.1.2 粘贴钢板加固法
2.1.3 粘贴纤维复合材加固法
2.1.4 外包型钢加固法
2.1.5 增设支点加固法
2.1.6 体外预应力加固法
2.1.7 置换混凝土加固法
2.1.8 绕丝加固法
2.2 减小地震作用加固法
2.2.1 消能减震加固法
2.2.2 隔震加固法
2.3 加固计算理论
2.3.1 增大截面加固法
2.3.2 外包型钢加固法
2.3.3 粘贴纤维复合材加固法
2.4 本章小结
第3章 工程实例分析
3.1 工程概况
3.2 检测设备
3.3 检测目的
3.4 工作流程
3.5 检测依据的规范、标准
3.6 检测内容与结果
3.6.1 地基基础
3.6.2 上部承重结构
3.7 本章小结
第4章 结构计算复核与安全性鉴定
4.1 基本参数
4.2 验算结果
4.2.1 框架柱轴压比
4.2.2 剪力墙轴压比
4.3 框架柱、框架梁及剪力墙配筋验算
4.3.1 构件截面选型
4.3.2 构件配筋率
4.3.3 构件构造
4.3.4 框架梁端截面配筋比
4.4 承载力验算
4.4.1 框架柱承载力验算
4.4.2 现浇梁承载力验算
4.4.3 剪力墙承载力验算
4.5 结构安全性鉴定评级
4.5.1 地基基础
4.5.2 上部承重结构
4.5.3 结构存在的不足及原因分析
4.6 本章小结
第5章 加固方案及方案选择
5.1 加固改造方案
5.1.1 加固部分
5.1.2 改造部分
5.1.3 续建部分
5.2 改造加固方案比对
5.3 加固部分
5.3.1 框架柱
5.3.2 框架梁
5.3.3 现浇板
5.3.4 剪力墙
5.4 本章小结
第6章 加固后抗震性能分析
6.1 建筑结构抗震分析方法
6.1.1 反应谱分析法
6.1.2 时程分析法
6.1.3 逐步增量弹塑性时程分析法(IDA)
6.1.4 Push-over分析法
6.1.5 建筑结构抗震分析方法比较
6.2 地震作用下加固效果对比分析
6.2.1 地震动的选取
6.2.2 结果及分析
6.3 本章小结
第7章结论及展望
7.1结论
本文在总结现有常见加固方法、理论依据及计算方法的基础上,以某框架-剪力墙结构高层建筑为研究对象,考虑其经长时间搁置后再次使用期间的结构安全,对该既有建筑物进行相关检测鉴定,制定、优选加固改造方案,完成加固改造.研究方法方面,利用现场试验获取分析数据,通过PKPM软件进行结构计算完成方案设计、ANSYS软件进行数值模拟完成结构抗震性能分析,验证方案的合理性.通过本文研究,得出以下结论:
1、对拟加固改造建筑物进行宏观调查和沉降观测,初步了解结构安全基本状况,是对高层建筑进行加固改造的首要工作,该方法合理、可行.
2、通过侧向位移监测,结合剪力墙、现浇梁、框架柱等混凝土构件强度,检测钢筋强度、规格及布置、保护层等数据,综合判断以初步确定加固方案.
3、对使用时间较长的建筑物,需考虑混凝土碳化深度监测情况,并采用钻芯法修正混凝土构件抗压强度值,以更加准确判断结构的安全性能.
4、综合应用"增大截面+粘贴型钢"的方法,可以有效提高建筑物的结构强度、刚度、竖向及抗剪承载力,且该法湿作业少、便于施工,操作性强.
7.2展望
本文采用结构计算与数值模拟分析相结合的方法,形成了较为安全、合理、经济的加固改造方案,达到了预期目的,取得了一定的研究成果.但鉴于试验条件的原因和作者水平所限,本文还有诸多需要改进及继续研究的内容:
1、受条件限制,本文只就建筑物结构整体进行了数据采集测试,并没有对单一构件进行加固后的测试.若条件允许,可以从单一构件加固后分别进行对比测试,如对框架柱加固后进行一次测试,得出加固前后的比较.
2、本文的研究对象为框架-剪力墙结构,后期可以发展为对其他结构建筑的研究,比如完成钢结构在加固前后的性能对比分析,以扩大该技术的应用范围.
3、新材料、新工艺及新设备的应用,将极大提高建筑物的加固改造效果及经济效益,有待进一步研发,建议加强相关不同学科之间的交流与协作.
致 谢
首先感谢导师韩建平教授对我的悉心指导和严格要求,韩建平老师精益求精的工作作风,宽以待人的崇高风范,平易近人的人格魅力,无不影响和熏陶着我,让我受益匪浅.从课题的确定、开题,到学位论文完成,其中的每一细节部分都凝聚着韩老师的心血.这一切不仅帮助我完成了研究生阶段的学业,还教会了我许多为人处世的道理.点点滴滴铭记于心,谨在此对韩老师致以崇高的敬意和衷心的感谢!
感谢课题组其他老师对我的帮助,你们在很多学术问题上和我探讨,纠正我的错误,助我顺利的在学术道路上前进.没有你们我不可能发现自己在学习中的缺点和不足,没有你们我也不可能这样顺利的结稿,没有你们我更不可能体会到做学术的趣味和严谨.
慈母手中线,游子身上衣,临行密密缝,意恐迟迟归.感谢父母及家人对我默默无闻的支持与鼓励,感谢你们对我的教诲与关心,感谢你们让我一直有个坚定的信念,是你们让我的人生有了不一样的轨迹,在此万语千言都表达不出衷心的感激之情!
最后感谢所有帮助和关心过我的人,同时感谢评阅本文和出席答辩的各位专家教授,非常感谢你们能在百忙之中对本文的指导并提出宝贵的建议,为我下一步的工作明确目标和方向.
感谢晏大炜老师对我毕业论文方面的指导,对我在今后学习、生活方面的指导,以及点滴教诲帮助,使我受益颇深.
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