基于体系的抗震加固设计方法研究与应用

引言

既有建筑抗震加固是当前建筑工程领域的重要课题，尤其在汶川地震后，国家对建筑物的抗震设防要求进行了大幅提升，使得大量既有建筑面临抗震加固的迫切需求。传统的抗震加固方法，如增大截面加固法、外包钢加固法等已经得到了广泛应用，同时随着加固技术的进步，越来越多的新型抗震加固技术也应运而生，如消能减震技术、碳纤维加固技术等。这些技术在提高结构抗震性能、保障建筑安全方面发挥了重要作用。

1 结构体系评估

在进行抗震加固设计前，需对既有建筑的结构体系展开全面评估。首先，详细了解结构的类型，如框架结构、砌体结构、剪力墙结构等，不同结构类型具有不同的抗震性能特点。例如，框架结构的侧向刚度相对较小，在地震作用下易产生较大侧移；砌体结构则整体性较差，易出现墙体开裂、倒塌等破坏。其次，分析结构的传力路径，明确地震力如何在结构各构件间传递，判断传力路径是否清晰、合理。若传力路径存在中断或不合理转折，将导致结构局部受力过大，引发破坏。同时，检查结构的薄弱环节，如结构的角部、平面不规则处、竖向刚度突变处等，这些部位在地震中往往最先遭受破坏。通过结构检测技术，包括材料强度检测、构件损伤检测、结构变形检测等，获取结构的实际状态数据，结合理论分析，对结构体系的抗震性能进行量化评估，为后续加固设计提供准确依据。

2 不同结构体系的抗震加固策略

2.1 砌体结构抗震加固

砌体结构在我国既有建筑中广泛存在，但其整体性和抗震性能较差。针对砌体结构，可采用外加圈梁、构造柱的加固方式。通过在砌体结构的墙体周边增设钢筋混凝土圈梁和构造柱，形成约束体系，增强结构的整体性，有效阻止地震时墙体裂缝的开展与延伸。如在某老旧砌体结构教学楼加固中，增设圈梁和构造柱后，结构在后续模拟地震试验中，墙体裂缝明显减少，结构变形得到有效控制。夹板墙加固也是常用方法，可采用钢筋网水泥砂浆或钢筋混凝土板墙，提高墙体的抗震承载力。将钢筋网片铺设在墙体两侧，再涂抹水泥砂浆或浇筑混凝土板墙，使夹板墙与原有墙体协同工作，共同抵抗地震力。此外，采用钢拉杆对砌体结构进行加固，可增强墙体之间的拉结力，防止墙体在地震作用下出现分离、倒塌现象。在实际工程中，需根据砌体结构的具体情况，合理组合运用这些加固方法。

2.2 钢筋混凝土结构抗震加固

对于钢筋混凝土结构，加大截面法是常见的加固手段。通过增大框架梁、柱的截面尺寸，并配置相应的钢筋，提高构件的承载能力和延性。在某钢筋混凝土框架结构厂房加固中，对部分承载能力不足的柱采用加大截面法，柱的抗压、抗弯能力显著增强，满足了厂房后续使用的抗震要求。外包钢构套法也是有效的加固方式，在柱或梁的外侧包裹型钢，通过结构胶或焊接等方式与原构件连接，提高构件的刚度和承载能力，尤其适用于对空间要求较高，不宜增大构件截面尺寸的情况。增设抗震墙或翼墙可改变结构体系，新增抗震墙承担大部分地震力，同时提高结构的抗侧刚度，减小地震作用下结构的变形，降低原框架梁、柱及节点核心区的加固工作量。在某高层钢筋混凝土框架结构抗震加固中，合理增设抗震墙后，结构的整体抗震性能得到大幅提升。

2.3 钢结构抗震加固

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好等优点，但在长期使用过程中，可能因构件锈蚀、连接松动等问题影响其抗震性能。对于钢结构，可采用更换受损构件的方法进行加固。当钢结构中的某些构件出现严重锈蚀、变形或损坏，无法满足抗震要求时，及时更换这些构件，确保结构的承载能力和稳定性。在某钢结构桥梁加固中，对部分锈蚀严重的钢梁进行更换，桥梁的整体安全性得到恢复。加固连接节点也是关键措施，通过对松动、损坏的连接节点进行修复、加固，如增加螺栓数量、采用焊接补强等方式，提高节点的连接强度，保证结构在地震作用下力的有效传递。此外，增设支撑体系可增强钢结构的侧向刚度，改善结构的受力性能。在某大型钢结构厂房加固中，增设了交叉支撑体系，厂房在地震作用下的侧向位移明显减小，抗震性能显著提高。

3 改造加固设计

3.1 抗震墙的布置

抗震墙布置宜简单、规范，沿结构两个主轴方向布置，两个方向的刚度相差不宜过大，上下宜连续布置，避免刚度突变。除满足新建项目抗震墙布置要求外，改造项目抗震墙布置要结合原结构平面和竖向刚度分布情况，避免造成新的不规则项。新增抗震墙布置应总体分散，纵、横向局部集中，总体分散可更有效地增加并调整结构刚度，纵、横向墙体局部集中可减少新增抗震墙对周边框架梁和框架柱的影响，降低加固量。新增抗震墙布置还要考虑原有基础布置情况，应选取地基和基础设计余量较大的位置，使原有基础不加固或仅增设地梁加固。同时要配合其他设计专业，避免影响使用功能。

3.2 既有建筑抗震加固性能化设计

为了有效设计和评估既有建筑采用碳纤维布加固后的结构抗震性能，基于性能化设计的方法逐渐成为建筑工程领域关注的重点。该方法强调以建筑物的预期抗震性能目标为导向，通过精确的分析和合理的加固措施，确保结构在地震作用下能够满足预定的安全、适用和耐久要求。在具体实施过程中，需要对既有建筑进行详细的震害风险评估，包括了解建筑的历史沿革、结构类型、材料性能以及历次地震中的表现等，进而确定其潜在的薄弱部位和易损环节。基于这些信息，制定出针对性的加固方案，通过有限元模拟和动力时程分析等，预测加固后的结构在地震作用下的位移、应力分布、耗能机制等关键指标，从而判断加固效果是否满足预定的性能目标。

3.3 其他构件设计

增设抗震墙后应复核对周边构件的影响，主要影响如下。（1）与新增抗震墙相连的原有框架柱变为抗震墙端柱，应按端柱要求复核其计算及构造要求，一般纵向钢筋配置不足，可采取加大截面的加固方法。（2）与新增抗震墙相连的原有框架梁跨度变小，支座处负筋长度变短，应复核是否满足计算和构造要求，否则应进行补强，可结合新增墙体施工采取增补钢筋的加固方法。

结语

综上所述，基于体系的抗震加固设计方法从结构整体出发，综合考虑结构体系的各个方面，通过科学的评估和合理的加固措施选择，能够显著提升既有建筑的抗震性能。在实际工程应用中，该方法能够根据不同结构的特点和存在的问题，制定个性化的加固方案，有效解决结构的抗震安全隐患。随着对建筑抗震要求的不断提高，基于体系的抗震加固设计方法将在既有建筑抗震加固领域发挥更为重要的作用，未来需进一步深入研究和推广应用，不断完善该方法的理论体系和工程实践经验。

参考文献

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