1、 隔震技术在云南某办公楼 加固工程中的应用与分析田红霞 地震具有极大的随机性和不确定性，发生的时间、地点和强度都具有不可预见性。大量震害调查表明，传统抗震设计方法是比较可靠的，因此抗震技术目前已成为工程抗震的主要手段。近年来一系列新标准和规范的颁布与实施，大量既有建筑的可靠性已不能符合新的要求，亟需加固或拆除。随着人们环保意识逐渐增强，拆除重建的工程将越来越少，取而代之的是大量的加固工作，特别是珍贵的历史文物建筑，隔震加固技术可以提高结构抗震能力，且具有施工周期短及经济性方面的优势，从而越来越受到工程界的关注。基础隔震是目前应用较为广泛的隔震加固方式。基础隔震是把隔震装置放在原结构的基础与上部
2、结构之间，将结构和地面分开，从而减小地震作用向上部结构的传递，提高结构的抗震设防能力。1.工程概况2.隔震结构分析3.隔震加固施工技术4.结论1 工程概况 该办公楼位于云南省昆明市盘龙区黑龙潭，建于1989年11月，总建筑面积为6816.74m2，建筑高度30.9m，为8层钢筋混凝土框架结构，局部9层。原设计采用C20混凝土，主梁截面尺寸为 250(450 600)，柱子截面尺寸为 500(500 600)，其中少量楼板为钢筋混凝土现浇板，整栋建筑由两条防震缝分隔为三个单体，如图 1、图 2 所示。根据建筑抗震设计规范(GB 500112010)(简称抗规)，其抗震设防烈度应为 8 度，设计基
3、本地震加速度峰值 0.2g，属于标准抗震设防类，场地类类，设计地震分组为第三组，场地特征周期为0.45s，50年重现期基本风压为0.33kN/m2。经过抗震鉴定，原结构的抗震措施及抗震承载力均不满足现行规范要求，且混凝土强度等级仅达到 C18 水平，需要进行加固才能继续使用。综合考虑加固的经济性、施工工期及环境影响等因素后，将三个单体连接成整体，采用叠层橡胶支座进行基础隔震加固的方法对原结构加固处理，加固后建筑后续使用年限为 40 年。2 隔震结构分析2.1 分析模型 采用 ETABS9.7.4并根据原结构构件截面、材料属性、荷载取值建立相应的整体隔震三维有限元模型，如图 3 所示。由于原结构
4、大量采用预制板，因此模型中对楼板采取非强制刚性板，不计入预板对结构刚度的贡献。本工程共使用了 72 个叠层橡胶支座，各类型支座数量及力学性能详见表 1，隔震支座平面布置见图 5。在设计隔震层时，考虑了隔震层竖向承载能力及适宜的水平刚度，并进行了隔震层的抗风验算，如图 4 所示，结果表明隔震层屈服力大于风荷载标准值的 1.4 倍，满足抗风要求。2.2 地震动评价据场地条件选取了符合抗规要求的 2 条人工模拟加速度时程和 5 条天然强震记录，7 条地震波拟合反应谱与规范设计反应谱如图 6 所示。采用隔震技术后，结构第1阶周期由1.279s 延长至2.619s，第2阶周期由1.199s 延长至2.5
5、39s，隔震结构第1，2阶振型分别为X向平动、Y向平动，第3阶振型为绕 Z 轴(竖向)的扭转。隔震结构和非隔震结构的楼层剪力和倾覆力矩包络图见图 7，8(图中用带“*”和不带“*”表示隔震结构和非隔震结构的地震响应)。由图7可知，该办公楼隔震加固后的减震效果明显，设防地震作用下上部结构 X，Y 向楼层剪力明显降低，隔震结构楼层剪力与非隔震结构楼层剪力比最大值0.353。由图 8 可知，该办公楼隔震加固后的减震效果明显，设防地震作用下上部结构 X，Y 向楼层倾覆力矩明显降低，楼层倾覆力矩比最大值为 0.299，因此水平向减震系数为 0.353，上部结构水平地震作用可以按降低 1 度进行计算，故其
6、上部结构可参照 7 度设防进行加固处理，但与竖向相关的抗震措施仍需按 8 度设防进行加固处理。隔震层由天然橡胶支座和铅芯橡胶支座组成，其中天然橡胶支座近似为弹性支座，不具备耗能能力，因此铅芯橡胶支座的耗能能力就决定了隔震层的耗能能力。设防地震作用下橡胶支座的滞回曲线如图9 所示，其中铅芯橡胶支座滞回曲线饱满，耗散了大部分地震能量。如图 10 所示，隔震层耗能约占输入地震动能量的 75%，大大减少了地震能量向上部结构的传递，提高了上部结构的抗震性能。楼层层间位移角是结构构件实现抗震性能要求的重要参考指标，由图 11 可知，在设防地震作用下，上部结构层间位移角最大值为 1/582(7 条时程平均值
7、)，上部结构构件仍然处于弹性阶段，因此本综合楼经过隔震加固后可达到性能化设计中性能水准 1的标准，达到“中震不坏”，上部结构的抗震性能得到很大提高。3 隔震加固施工技术 本工程采用隔震技术进行加固在云南省尚属首例，施工方案按施工顺序分为结构卸载、基础开挖、顶升与托换、单体拼接、整体恢复五个技术环节:（1)结构卸载:移除上部结构活荷载、拆除非承重粘土砖隔墙、拆除原装修，以减轻上部结构荷载，确保顺利顶升，并保证施工安全性，另外还应切断水、电管线。(2)基础开挖与上部结构局部补强:拆除一层散水、花台及入户台阶等附属构件，并将基础周围回填土开挖至基础顶面，为隔震层施工留出操作空间。本工程基础为交叉梁基
8、础，加上地基稳定承载力高，经复核，原基础可满足隔震加固后的抗震验算，因此开挖后无需基础加固。开挖之后需根据分析将局部强度不满足规范要求的一层和二层梁、柱局部包钢板补强，然后再进行顶升托换环节。(3)顶升与托换:顶升与托换为隔震加固施工的关键工序，综合考虑安全性、经济性、可操作性及施工工期的影响，提出了包钢托梁托换方法。具体如下:在首层结构柱(隔震层梁标高处)四面用四块形状不同的外包钢加固，如图 12 所示，四块形状不同的外包钢形成板箱形带翼缘的特殊结构，翼缘通过高强螺栓与槽型上托梁型钢的腹板相连，上托梁下翼缘与 H 型下托梁型钢上翼缘通过高强螺栓连接，千斤顶放置于交叉梁基础顶面，顶部支承在下托
9、梁中间下翼缘底部，由交叉梁基础、千斤顶、下托梁、上托梁共同构成顶升体系。顶升时，利用电脑控制系统同步控制液压千斤顶荷载，根据计算，当千斤顶荷载加至柱子设计荷载的 80%时停止加载并维持荷载不变，设置好安全保障措施后即可对柱进行切割施工，本工程采用钻石金刚线切割施工方法对柱进行切割，如图 13 所示。在原结构柱切断后，借助角钢安装下连接板，将橡胶支座吊装就位与下连接板用螺栓进行连接，然后用螺栓将橡胶支座与上连接板连接，再对上柱墩采用压力灌注环氧结构胶湿式外包四面钢箍板进行加固，再将四面钢箍板底部与上连接板顶四面围焊连接，最后将上柱墩四面钢箍板、箱形带翼缘外包钢板及底层柱外贴钢板与角钢焊接成整体，
10、保证混凝土柱与外包钢板整体受力，以解决上柱墩及底层柱在切断后纵筋锚固问题，如图 14，15 所示，最后采用扩大断面法加固下柱墩，拆除顶升体系，完成托换。(4)单体拼接:待全部原结构框架柱托换完毕，采用 C30 普通混凝土在原防震缝处二次浇筑梁、板结构，将三个分离单体连接成整体框架结构，同时采用 C30 混凝土整体现浇隔震层顶部梁、板结构，以保证隔震加固后上部结构整体性。(5)整体恢复:单体拼接完成后，按照设计图纸，分别恢复隔震层周围挡墙、散水、室外台阶、楼电梯、水电管线、室内外装修，其中在挡墙、室外台阶、楼电梯、水电管线恢复施工过程应参照建筑结构隔震构造详图(03SG6101)8，满足隔震建筑的相关构造要求。4 结论 本项目为云南省首例采用隔震技术对既有建筑进行加固的工程案例，分析表明:采用隔震技术后水平地震作用显著降低，达到降低水平地震作用的目的，对隔震加固施工流程进行概述，并对顶升与托换关键施工环节进行详细阐述，针对本项目特点提出了包钢托梁托换方法，为既有建筑隔震加固的实施提供经验与参考，同时对隔震加固地方标准、行业标准乃至国家标准的制定与编写提供必要的数据与实践支撑。
