摘要：文中阐述了钢筋混凝土结构抗震加固方法的发展状况。首先介绍了结构抗震加固的基本概念及结构抗震加固的基本原则，进而总结了国内现行的结构抗震加固的方法及其特点、适用范围、研究进展，并对日本现行的加固方法进行了介绍和补充，进一步探讨了未来钢筋混凝土框架结构抗震加固的发展趋势。
关键词：地震反应；土木工程结构；加固方法；框架结构
Development of Research on Seismic Strengthening Method of Reinforced Concrete Structures
Abstract: This paper is to describe the development of seismic strengthening methods of the reinforced concrete frame structure.Firstly,it introduces the concept and the basic principle of seismic strengthening.And then the paper summarizes the domestic current method of seismic strengthening,also includes characteristics and applicable scope of seismic strengthening method.And the seismic current strengthening methods in Japan are introduced and supplement.In the end of the paper,it discusses the future further development trend of seismic strengthening of reinforced concrete frame structure.
Key words：Seismic response; Civil engineering structure; Strengthening method; Frame structure
1．引言
我国是世界上地震活动强烈和地质灾害严重的国家之一。地震具有强烈的破坏作用，并容易引发一系列的次生灾害而导致极其严重的后果。对现有建筑物进行抗震设计及对已有建筑物进行抗震加固，避免地震中建筑物破坏造成的巨大损失，是必要而且迫切的。本文阐述了抗震加固的基本原则，总结分析了国内抗震加固方法的特点和适用范围以及加固方法的研究进展，并介绍了日本现行抗震加固方法，以及未来抗震加固的发展趋势。
2．抗震加固的基本原则
需要进行抗震加固的建筑物大致分为两类：一是建筑物在地震作用中受到损伤，需要进行抗震加固；二是由于建筑功能改变、抗震设防标准提高等其他原因造成的建筑物抗震性能不能满足要求。这些建筑物由于结构的强度、刚度、延性、整体性等不满足结构抗震的要求而需要对其进行加固处理。对结构进行地震损伤评价后，进行修复和加固。
对结构进行抗震加固时，应遵循以下原则：
1）全面了解需加固结构的现状。待加固的结构需先进行检测、鉴定、地震评估、裂缝修补等一系列的前处理，为加固工作提供可靠的依据。
2）尽量减少加固对原结构的损伤。加固工程以尽量不影响原结构的使用功能为宜。
3）避免加固后形成结构薄弱环节的转移。在加固中，常常会对局部薄弱部位或构件进行不适当的过度加固，造成新的薄弱部位的产生。如不适当的过分加固某一或某些楼层，造成原结构的强度或刚度分布很不均匀，可能产生不能抵抗预期地震效应的新的相对薄弱楼层。
4）遵守钢筋混凝土框架结构抗震设计原则。抗震加固设计目标与新建建筑物基本一致，即小震不坏，中震可修，大震不倒。因此，在抗震加固中，同样要遵循抗震设计中强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固弱杆件的基本原则。
5）新旧结构的连接必须可靠。
6）选择适当的抗震加固方法。根据钢筋混凝土框架结构的特点以及待加固建筑物的现状，选择合适的方法进行加固，可保证结构的抗震性能好外，还可以相对减少加固费用，节约施工时间。
3. 国内钢筋混凝土结构抗震加固方法及研究进展
钢筋混凝土框架结构的地震破坏形态表现为柱的破坏、梁的破坏、剪力墙的破坏、楼梯间的破坏、填充墙的破坏等。国内现在对于钢筋混凝土结构的抗震加固主要分为三大类：一、直接加固梁、柱构件的方法，如增大截面法等；二、改变结构受力体系的方法，如增设剪力墙或翼墙等；三、近年来发展起来的新型抗震加固技术。
目前在抗震加固中采用的具体方法有：
3.1构件加固
（1）增大截面加固法。增大截面加固法又称外包混凝土加固法，是通过在原混凝土构件外，叠浇新的钢筋混凝土，增大构件的截面面积和配筋，大幅度提高被加固构件的承载力、刚度、延性和降低柱子的长细比，来达到减轻地震作用的目的。此方法主要适用于钢筋混凝土受弯和受压构件加固，采用常规施工方法，易于控制和检测施工质量，耐久性好。
（2）外包型钢加固法。外包型钢法是在钢筋混凝土梁、柱四周包以型钢的一种加固方法。对于矩形构件大多在构件四角包角钢，横向用箍板连接；对于圆形构件，多用扁钢加套箍的办法加固。采用外包型钢加固时，应采用乳胶水泥、环氧树脂胶黏剂进行灌注，使新加型钢与原构件形成整体共同工作，如图1。外包型钢（角钢或槽钢）加固法适用于需要大幅度提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土梁、柱加固。
（3）置换混凝土加固法。置换混凝土加固法主要是针对钢筋混凝土结构，由于结构裂损或混凝土存在蜂窝、孔洞、夹渣、疏松等缺陷，或混凝土本身强度偏低，而采用挖补的办法用优质的混凝土将这部分劣质混凝土置换掉，达到恢复结构基本功能的目的。置换混凝土加固法适用于构件受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等承重构件，加固后不改变结构原貌，不改变使用空间，也不增加荷载，但是新旧混凝土的粘结能力较差。
（4）粘贴钢板加固法。粘贴钢板加固法是用胶黏剂 把薄钢板粘贴在混凝土构件的表面，使薄钢板与原混凝土构件形成一个良好的整体，均匀受力，不产生应力集中，一起协同工作，如图2。它适用于承受静荷载的受弯构件、受拉构件和大偏心受压构件，能在较小增加刚度的条件下，大幅度的提高结构的承载力、抗裂性、延性，从而提高结构的抗震性能。
（5）外加预应力加固法。外加预应力加固法是指采用预应力筋对建筑物的梁、板、柱或桁架进行加固的方法。这主要是因为预应力所产生的负弯矩抵消了一部分荷载弯矩，致使梁或板的弯矩减小。这种方法施工简便，基本不增加梁、板截面高度，不影响使用空间，且提高了梁、板的抗弯抗剪承载力，改善了其在使用阶段的性能。
（6）增设支点加固法。增设支点加固法是通过增设支点以减小被加固结构、构件的跨度和位移，来改变结构不利受力状态的一种间接加固方法。这种方法适用于梁、板、桁架、网架等结构的加固，按支撑结构受力性能的不同可分为刚性支点加固法和弹性支点加固法两种。
（7）碳纤维布（CFRP）加固法。碳纤维布加固法是一种新型的抗震加固技术，它是采用一种高性能结构的树脂类粘结材料将碳纤维片材粘贴于结构表面，待树脂固化后，碳纤维片材和结构构件形成新的复合受力体，共同协同工作，以达到对结构构件加固补强及改善抗震性能的目的，如图3。碳纤维按原材料的不同，可分为粘胶基碳纤维、聚丙基碳纤维、沥青基碳纤维、纳米碳纤维等。碳纤维这种新型材料，抗拉强度是普通钢筋的10倍左右，弹性模量是钢筋的几倍，且质轻且薄，几乎不增加结构自重和构件截面积，维护费用较低，耐久性能好，耐腐蚀耐潮湿，施工方便快捷，虽然发展年数尚浅，但发展势头极好，不过这种加固方法对材料性能要求极高，费用相对较高。
传统的加固方法（如增大截面加固法）在混凝土柱的加固中，常常会明显增加柱子刚度和截面积，导致柱承受的地震力更大，而碳纤维加固法很好的解决了传统加固法的不足，使柱子的抗剪性能和抗拉性能提高，强度和延性也有提高，导致加固后的柱子具有很大的非弹性变形的能力，减轻了柱子在地震过程中的失效。
新的构件加固研究趋势是预应力的碳纤维加固技术和纤维增强复合材料的研发。采用预应力的CFRP加固方法可以提高整体预应力构件的疲劳承载力和抗震性能，但是其研究和应用历史较短，实验资料不多，在许多方面还存在空白和理论不足，如：预应力碳纤维 加固方法的锚固措施可靠性研究，预应力碳纤维加固在不同媒介环境下的研究，适应更高应力状态下的新型粘胶剂研究等，还存在很大的发展空间。高强不锈钢绞线加高强聚合物砂浆加固即是近几年材料开发的复合材料加固技术。它是将预先编织好的高强不锈钢绞线网张紧，用膨胀螺栓固定在构件表面，再抹上高强聚合物砂浆，也存在很大的发展空间。
3.2结构加固
（1）增设剪力墙加固法。对于框架结构而言，在适当的部位增设一定数量的剪力墙，原框架结构变成框架剪力墙结构，提高了结构的侧向抗剪能力和侧向刚度，改善整个结构体系的抗侧性能，从而达到抗震加固的目的。另一方面，由于剪力墙承担了大部分的地震荷载，能大幅度降低梁、柱构件的应力，从而降低对梁、柱构件加固的要求。这种方法比较适合于抗侧力不足的多层框架加固，或用于改善原建筑剪力墙设置不均衡的情况。增设剪力墙多须对基础进行增强，中高层建筑基础处理难度较大，而且此方法可能对建筑物的使用功能造成较大的影响。
（2）增设翼墙加固法。增设翼墙加固法是一种新型技术，这种方法主要用来加固框架柱，从而提高结构的抗震性能。在柱和柱之间无法增设剪力墙时，可采用增设翼墙法，即在原有柱的柱侧增设一段剪力墙，使柱形成带翼缘的构件，增加柱的抗震能力，从而提高整体结构的抗震性能。目前我国正在推广使用的是预制混凝土构件的装配式翼墙。
（3）增设钢框架斜撑加固法。增设钢框架斜撑加固法与增设剪力墙加固法有许多相似之处，主要是通过新设置的刚框架斜撑承担结构体系中部分地震侧向力，以提高结构水平抗剪能力，增加侧向刚度。同时钢支撑结构强度提高适中，并具有充分的延性和耗能能力，特别适合于加固多、高层框架结构。按斜撑的位置可分为内部增设斜撑和外部增设斜撑。
（4）增设外部框架加固法。当结构本身不具有足够的抵抗水平力的能力，但原建筑又因空间使用原因无法无法设置剪力墙或斜撑时，可采用设置外部框架加固法，利用新框架承担一部分地震力来改善建筑物抗震性能。
3.3新型加固方法
（1）隔震。隔震加固方法中，隔震装置可以设置在待加固结构的不同位置，比如基础和上部结构之间，楼层之间等，也可以设置在建筑物的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的。目前，应用较多的隔震加固方法是基础隔震，即通过在建筑物的基础和上部结构之间设置某种隔震装置，以减小地震作用时建筑物上部结构的地震反应。隔震装置具有很大的竖向刚度和相对较小的水平刚度，建筑物在大震作用时，地震作用由基础传到隔震装置，隔震装置率先进入塑性状态，大量吸收或隔离地震能量，隔震装置产生大变形，而上部结构做近似刚体的运动，整个上部结构完全处于弹性状态，减小了上部结构的水平位移。此时，整个结构体系的基本周期很大，结构受到的地震作用相对较小。目前研究的隔震支座分为橡胶支座（如图4）和滑动支座（如图5）。橡胶支座是利用橡胶本身刚度小的特点，地震来临时，通过延长结构的固有自振周期，来达到减小地震作用的目的。而滑动支座是利用摩擦力来达到减小地震作用的目的。当地震作用和风荷载不大时，隔震层受到的水平地震剪力小于静摩擦力，摩擦力阻止上部结构运动，使上部结构保持稳定，但当隔震层受到的水平地震剪力大于静摩擦力时，上部结构发生水平位移，但结构因滑动而不具有固有自振周期，不会发生共振现象，导致极严重的破坏。由于橡胶支座和滑动支座本身各具有的优缺点，目前各国学者已致力于研究将两种支座结合起来，以便在抗震加固中发挥各自的优势，产生了组合隔震器。
采用隔震技术的建筑在强烈地震时，隔震房屋自身变形很小、只作轻微平动，不仅建筑物不会破坏，房屋装修也基本保持完好，室内设备、贵重物品、信息系统安然无恙，基本不中断人的正常生活与工作。基础隔震虽然发展的较晚，但技术发展已相对成熟，形成了系统的隔震加固体系，多用于多层混凝土框架结构抗震加固中，主要包括叠层橡胶支座基础隔震体系、基础滑移隔震体系、组合隔震体系。而且这项技术具有减震机理明确、减震效果显著、施工安装方便，经济可替换等优点，已受到越来越多国家的关注，且已在多项工程实践中应用。
1993年，汕头建成了第一栋采用隔震支座的8层钢筋混凝土框架隔震建筑。2001年国内首次将隔震建筑设计纳入抗震规范。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了隔震技术对一所中小学校舍进行了抗震加固，加固结构的类型涉及了砖混结构和钢筋混凝土框架结构。隔震加固的关键是托换，就是怎样将已有建筑物放在隔震器上。图6为框架结构的节点施工图，方法是先将结构进行支撑，再截断柱子，安装隔震支座，完成后拆掉支撑即可。
隔震技术是近年来才发展起来的一项新型抗震加固技术，还有很大的发展空间。目前国内大量使用的是橡胶隔振技术。国内生产橡胶隔振支座的工艺已经很成熟。国产的橡胶隔振支座质量可靠，性能优良，已经出口到日本。目前我国已经有越来越多的公共建筑采用这项技术，也有越来越多的房地产开发商开始关注并尝试这一技术，相信在未来隔震将会成为抗震加固的主流。
（2）消能减震。消能减震加固即是在结构某些非承重部位（如支撑、节点、剪力墙、连接缝或连接件、主附结构间、相邻楼层等）安装消能减震装置，通过阻尼器产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）的弹塑性变形来吸收或耗散传入结构中的能量来减少地震反应。由于这一加固方法本身的优点，相对于隔震加固，它限制更少，不受结构类型和高度限制，且同时减小结构的水平和竖向地震作用。选用消能减震技术进行抗震加固时，只需在某些部位安装阻尼器，不影响建筑使用空间，不改变建筑物原有风貌，阻尼器及其连接支撑构件可预先制作，现场安装，施工方便，施工周期短，干扰性小，节约材料。在古建筑的抗震加固中，消能减震方法的运用更为广泛。
日本是结构控制技术应用发展较快的国家，近几年来在消能减震抗震加固上取得了若干新进展，日本开发了纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器，具有“常温高速超塑性”的特性;跷动减震是一种新型的耗能减震方法，它允许结构上下跷动疏散地震力，减轻地震破坏。目前我国在消能减震方面也有一些进展，开发了一些消能装置，提出了一些新型的消能减震结构体系，做了许多消能装置的力学性能试验研究和减震结构体系的地震模拟振动台试验研究，得到了大量富有学术价值的研究成果。但仍然存在许多问题需要研究，如综合考虑各种因素的影响（温度、湿度、开裂），对已有耗能减震装置的可靠性、耐久性进行深入研究，如退化、腐蚀、设计寿命等；消能减震部件的进一步开发，开发新型、高效、适应性强的消能减震装置；消能减震体系设计计算方法和软件的研究；消能减震装置系统的材料性能，使其具有较高的耗能特性；消能减震器与结构或支撑连接构造及安装、施工、维修的研究；与建筑功能的协调和维护：消能部件的设置位置和维护，一方面对建筑物的使用功能有影响，也对建筑物的保温、隔热、隔声有影响。
（3）被动控制减震加固。被动控制减震加固是运用被动控制的基本原理，通过在房屋顶部设置调谐质量，用来降低地震的破坏作用。这一加固技术经常与房屋加层技术结合运用，可在不对下部结构做出改变的情况下，对建筑物加层，新加的质量采用隔震橡胶支座与已有建筑连接，从而减小了地震作用，实际效果相当与对既有建筑物进行了抗震加固。这一技术已在一些实际工程中加以运用，如在一些建筑物的顶部设置一定质量的水箱，即是被动调谐质量。
（4）主动控制减震加固及混合控制减震加固。这一技术尚待进一步研究完善。
（5）高弹性材料（SRF）加固法。高弹性材料加固法，是用树脂纤维编织成形状像安全带的抗震带，在加固施工时，将这些形状如安全带的抗震带涂上黏合剂，包裹固定在建筑物支座上，如图7。这种加固方法还可以采用预应力法加固，先对纤维材料施加预应力，再贴在结构上进行加固，能够克服纤维材料的缺点，同时对结构进行强度和刚度加固。高弹性材料加固法对外贴材料、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，见表1。这种方法施工简单，费用低廉，目前在日本运用较多。
表1 SRF加固法和其他加固方法的比较
加固方法 | 补强材料 | 施工方法 | 主要特征 |
粘贴钢板加固法 | 钢板+树脂 | 用树脂包钢板 | 较普及的加固技术，补强效率低，材料重量大，对刚度提高明显 |
碳纤维布加固法 | 各种高强度的纤维材料+高强度的粘结树脂 | 用树脂包裹纤维材料 | 施工便利，基底处理重要，材料重量轻，但价格高，树脂有毒性 |
高弹性材料加固法（SRF） | 高弹性聚酯增强材料+聚氨基甲酸脂类中等强度粘结材料 | 用粘结材料粘贴高弹性的聚酯增强材料，必要时可以设置锚栓等锚固 | 基层处理简单，工序少，材料重量轻，价格便宜，特别是所用的材料没有毒性和刺激性。加固后结构的延性能够得到极大的提高 |
4. 日本钢筋混凝土结构抗震加固方法研究
日本是一个多地震的国家，国家与民众的防灾减灾意识都非常强。尤其是1991年的阪神大地震后，政府对这方面十分重视，经过30年的发展，日本的抗震加固体系已发展十分全面，也处于世界先进水平。日本除了在现有国内常用的一些抗震加固方法上有更前沿的研究发展外，还在其他一些新的抗震加固方法上也有一定的进展。其中大量采用附加子结构加固成为日本抗震加固方法中的一个新特色。
附加子结构的抗震加固方法，是将附加子结构和原结构通过有效措施结合起来，形成一个新的整体结构，实现整体结构抗震能力的提升。附加子结构加固法可以采用多种形式的子结构，如附加整体钢支撑子结构（如图8），附加摇摆墙，附加钢筋混凝土外框架子结构，附加斜拉柱等。我们常用的抗震加固是对梁柱或墙进行加固，如增设剪力墙、外包型钢、碳纤维布加固等，这些方法都是在建筑物内部进行施工，其工程期间建筑物内部无法使用，如学校必须停课，因此就需要找其他代替空间使用，从而会增加抗震加固工程的费用。在日本，这样的工程案例特别多，他们就采用了附加子结构法来进行抗震加固。附加子结构的抗震加固方法就是在不影响建筑物内部正常使用情况下进行抗震加固施工，也就是加固工作不在建筑物内部进行，而只在建筑物的外部进行。因为可以边上课或边居住边进行抗震加固，也称为边住、边加固的抗震加固方法。附加子结构加固可以附加整体钢支撑子结构、附加摇摆墙以及附加其他子结构。这种方法不仅可以有效的改善结构的整体受力状态，提高结构的抗震性能，还可以结合建筑的具体情况创造出丰富的建筑效果，适用于加固工期短，加固工程量较大的工程。在日本使用非常多，在地震的安全性能方面也得到了充分的认证，值得我国推广应用。
力臂式减震加固法是日本近年来出现的新的抗震加固方法，是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来提高耗能效率，减小地震反应，提高抗震性能，如图9。力臂式构件由于使用销连接，使用部件上不会产生很大的剪断力和弯矩，主要根据轴力产生变形增幅，从而使结构变得紧凑。力臂式减震加固法可以分散设置，施加于柱子的轴力小，对基础和桩的影响小，可以任意调整长度，能根据设置场所进行合适的设计，现在在日本已有一定的发展基础。
5. 钢筋混凝土结构抗震加固技术展望
随着隔震和消能减震技术的逐渐推广，以及其在大震中对建筑物表现出的保护效果，基于性能的抗震概念设计已引起了越来越多各大国家的注意，并开始了这方面的研究。在考虑建筑抗震性能化的加固方法中，重要的概念包括两个方面：一是当地震来临时，建筑物仍然能够发挥其预定的功能；二是抗震加固过程中应当减少对建筑物正常使用功能的影响。这就要求我们不仅仅在构件的层面完成抗震加固工作，而且更重要的是要从结构整体性层面考虑抗震加固。对于那些承载能力满足要求，而抗震构造措施不满足现行规范的建筑（如学校、医院等），采用传统的抗震加固方法已不能解决问题，此类建筑在进行抗震加固时，适宜采用基于性能的设计方法。前面介绍的日本开发的附加子结构的抗震加固方法，其中边住边加固的概念就值得借鉴。
6. 小结
传统的加固方法依然是我国目前进行抗震加固的主要方法，其操作简单，造价相对低廉。但随着建筑结构的不断复杂化，这些传统的方法逐渐暴露出其局限性。新型的抗震加固方法虽然对科技的要求相对较高，灵活性更大，但是适用性更强。随着抗震理论的不断发展完善，抗震研究的不断深入化，抗震加固的方法已经从传统的方法不断趋于多样化。目前已经新发展了许多抗震加固新方法及抗震加固新材料。隔震和消能减震技术的发展，也带来了新一轮的抗震加固方法的改革，基于性能的抗震设计也将得到进一步的研发和重视，从而应用到今后更多的建筑结构抗震加固中。
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