浅谈日本建筑加固 抗震加固的一些新技术

日本是一个地震频发的国家,积累了很多宝贵的抗震经验,尤其在建筑加固抗震方面形成了许多完善的抗震加固方法,这其中的很多技术值得我们学习借鉴。本文对日本的建筑物抗震加固技术进行了总结和分类, 并重点对若干新技术进行了介绍。

一、抗震加固技术分类

加强建筑物抵御抗震的能力有三种途径:

1.1、抗震加固

利用增强结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用, 吸收地震能量;

1.2、减震加固

在结构抗侧力构件中设置消能部件, 通过其局部变形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量, 减少主体结构地震反应;

1.3、隔震加固

在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层, 隔离地震能量向上部结构传递, 从而降低上部结构的地震作用。

二、抗震加固新技术

2.1、高延性材料加固工法( SRF 工法)

近年来, 日本开发了SRF 工法( Super Reinforcementwith Flexibility) , 该工法具有很多优点( 见表1) , 并应用到许多工程中。但由于所用增强材料的弹性模量过低(仅有613GPa) , 加固后结构综合性能以及在我国应用时的经济性评价等均有待于进一步研究。该工法对外贴材料、粘结材料以及具体的施工工法均进行了革新, 进一步提升了外贴工法对结构抗震加固的效果

表1 SRF 工法与其他加固方法的比较

2.2、增设斜撑加固

增设斜撑加固是利用斜撑来承担一部分地震力从而改善建筑物抗震性能的加固方法。按照斜撑的位置来分有内部增设斜撑和外部增设斜撑两种, 按照材料来分主要有RC 斜撑、钢斜撑、铝合金斜撑。

2.3、增设框架加固

增设框架加固是利用新增框架来承担一部分地震力从而改善建筑物抗震性能的加固方法。外部增设框架的形式主要有钢框架、RC 框架、预制拼装预应力框架和斜拉预应力框架。预制拼装预应力框架是采用预应力钢材将钢筋混凝土预制梁柱在现场组成框架, 并与已有结构结合为一体。斜拉预应力框架是采用钢绞线或者纤维材料制成的索, 对外部增设的RC 框架施加预应力并形成整体结构。其加固方法如图3 所示。

2.4、剪力墙加固法

剪力墙加固法是以提高结构刚度为主要目的加固方法, 主要包括新增剪力墙法( 见图4) 和加大原有剪力墙截面法。新增的剪力墙可以是现浇或预制的。其中, 新增预制剪力墙法具有施工简便、无噪声、工期短的优点。近年来, 增设剪力墙加固的工程逐年增多, 且方法不断创新, 比如, 有些学者正在研究一种新增纤维网格剪力墙法。

三、耗能减震加固新技术

减震加固的原理是在结构抗侧力构件中设置消能部件或阻尼器, 通过其局部变形提供附加阻尼以耗散或吸收由地震输入结构中的能量, 减少主体结构地震反应。常用阻尼器类型主要有摩擦型阻尼器、金属阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞性阻尼器。据此可以将日本的耗能减震加固新技术划分为4 种类型。除此之外, 日本的减震加固技术中还出现了力臂式减震工法和制震顶棚系统。

3.1、增设摩擦型阻尼器[ 2]

摩擦耗能装置由摩擦元件构成, 这些元件相互滑动产生摩擦力, 从而耗散结构的部分振动能量。青木式工法就是这一方法的代表, 在日本具有较大影响。该工法是在已有房屋的外侧设置含有摩擦减震器的减震斜撑, 采用预应力钢材与已有结构结合为一体, 通过减震器来吸收地震能量, 如图5 所示。此外, 还有一些原理与青木式工法类似的外贴摩擦控制型预应力斜撑工法, 此处就不再赘述。

3.2、增设金属阻尼器

金属阻尼器的耗能机理是通过金属元件的弹塑性变形来耗能。设计时最好避免局部屈曲。金属阻尼器屈服形式有以下3 种:

1) 轴向屈服型阻尼器 也称为屈曲约束支撑

(buckling-restrained braces, BRB, 见图6) 。BRB 用砂浆或钢材等约束构件料覆盖在支撑外围, 使支撑杆件在受压时不出现局部屈曲和整体屈曲, 从而得到有效利用。BRB 作为支撑杆件在中高层建筑中逐渐得到应用。

2) 剪切屈服型阻尼器 常设置于建筑结构弯矩小、剪力大的部位, 刚架桥墩中或在自立式悬索桥塔身。

3) 弯曲屈服型阻尼器 作为连接型阻尼器多用于连接建筑物, 但也可以设置在桥梁的主梁端部, 有与弯矩相似的钟形、鼓形、蜂窝形等梯形棒或均匀截面棒。

3.3、增设粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而成, 通过粘弹性材料的滞回变形来减小结构的振动反应。粘弹性阻尼器是一种主要与速度相关的减振装置, 在任何位移下都发挥耗能作用。

3.4、增设粘滞性阻尼器

粘滞性阻尼器由缸体、活塞和液体构成, 活塞在缸体内往复运动, 粘滞液体从一端流向另一端产生阻尼力, 阻碍结构的振动。它是根据流体运动, 特别是流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理制成的, 是一种无刚度、速度相关型的阻尼器。

3.5、力臂式减震工法[ 2]

力臂式减震工法是日本近年来出现的新工法, 该工法利用设有减震器的肘结力臂式机构来放大结构的层间变形从而提高耗能效率, 减少地震反应( 见图7) 。

3.6、制震顶棚系统

制震顶棚系统也是日本近年来开发的一种结构抗震新方法。该方法是在顶棚和墙之期间设置制震设备来减少地震时顶棚的振动, 从而提高顶棚的耐震性能的系统。制震设备均匀的布置在顶棚外四周的墙壁上( 见图8) 。制震设备可以简单的在原有顶棚上安装, 因而该系统对于新建和修复都能适用。

四、隔震加固新技术

隔震加固是在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层, 隔离地震能量向上部结构传递, 从而降低上部结构的地震作用。

4.1、增设橡胶垫支座

根据对橡胶支座的不同阻尼比的要求, 主要有: ¹天然橡胶夹层橡胶支座 具有高弹性、低阻尼的特性,一般需要附加阻尼装置配合使用; º铅芯减震阻尼橡胶支座 在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌入铅棒形成的。灌入铅棒的目的, 一是提高支座的吸能效果, 确保支座有适度的阻尼; 二是增加支座的早期刚度, 对控制风反应和抵抗地基的微振动有利; »高阻尼橡胶支座 由高阻尼橡胶材料制作而成的。橡胶支座在新建结构已有一定应用, 尤其在美国居多, 在我国的新建结构中也有所应用。

4.2、增设滑移支座

在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面, 允许建筑物在发生地震时相对于基础作整体水平滑动。隔离水平方向的地震。由于摩擦滑移作用, 削弱了地震作用向上部结构的传递, 同时, 建筑物在滑动过程中, 通过摩擦耗散了地震能量, 从而达到减震的效果。

4.3、增设滚轴支座的IAU 隔震系统

日本IAU 开发了一套IAU 住宅隔震系统( 见图9) ,采用了滚轴支撑作为隔震装置。滚轴支座隔震装置是平面上设有凹槽, 通过球或滚子的滚动来减低加速度的隔震方法。滚轴免震支座是一种高效的隔震装置,阪神大震灾中观测的建筑响应加速度降低到地震波输入加速度的1P10 左右。另一方面, 对于抗震住宅( 通常的住宅) , 以2 层的建筑为例, IAU 型免震住宅的最大加速度是抗震住宅的1P16。同时, 已经由政府中央防灾会议验证, 在输入东海地震波的实物试验中, 响应加速度确实是降低到地震波输加速度的1/10。