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^[1]。传统抗震加固常用的加固方法有增设抗震墙、修补灌浆、面层加固 (砌体结构) 、增大截面、外加预应力和粘贴钢板等方法^[2,3], 本质上是通过增强结构的抗侧能力、延性及整体性能来“硬抗”地震输入给结构的能量。且传统加固方法还存在一些问题和不足, 如施工会对原有结构物及周边环境带来较大影响;柱截面增大或增设抗震墙、普通钢支撑之类的抗侧力构件将导致建筑平面布置改变, 或导致大量的梁截面尺寸不足, 或梁端配筋不足等问题。这些传统加固措施将使得施工周期长、施工面积大, 同时也会对原结构造成部分损伤^[4]。隔震加固法是通过设置隔震层, 将地震作用下结构的变形集中到隔震层上, 限制能量向上部结构传递, 从而达到减少原结构地震反应的目的, 提高了建筑物的抗震安全度。减震加固法是通过在结构物的某些部位设置耗能器或耗能构件, 耗散掉部分或绝大多数的地震输入能量, 以减小结构的地震反应, 从而提高建筑物的抗震能力。本文对近30年来隔减震加固技术在建筑结构中的应用现状进行了简要梳理, 深入分析了隔减震加固技术的作用原理和内涵, 重点讨论了不同性能状态结构如何选择比较合理的加固方案。

　　 隔震加固技术用于现有建筑抗震加固在美国和日本等国已有较多成功的案例。最早的实际工程案例是美国盐湖城大厦, 该建筑始建于1894年, 共12层, 在1934年的地震中受到局部破坏, 于1989年采用橡胶支座隔震的加固方案进行加固。在接下来的十几年间, 奥克兰政府大厦、旧金山海军总部、洛杉矶市政大楼和联合国大厦等近30幢建筑也采用了隔震加固技术, 包括钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构等各种结构, 典型的建筑物如表1所示^[5]。日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也采用了隔震加固技术, 效果十分显著。自美国盐湖城大厦采用隔震技术进行加固后, 越来越多的国家开始将该技术用于现有结构的抗震加固改造中, 如新西兰的国会大厦和议会图书馆、日本的国立西洋美术馆、意大利的Melfi钟楼和San Pietro教堂等^[6]。

　　 目前国内隔震技术主要用于新建建筑中, 用于既有结构的抗震加固的实例较少, 且时间也相对较晚。2001年徐忠根、周福霖等^[7]对某多层建筑进行了隔震改造设计, 并指出采用隔震技术对已有建筑物进行抗震改造的优越性:1) 提高建筑结构的抗震能力;2) 不影响上部建筑结构的正常使用;3) 不仅保护建筑结构, 而且保护建筑内的仪器设备;4) 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 (共计10万m²) 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^[8]。近年来, 张龙飞等^[9]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。总体而言, 隔震加固技术在我国已有相关的实际应用, 且理论及设计方法已经成熟。

　　 耗能减震加固技术具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著及安全可靠等特点, 近年来在加固工程中的应用不断增多^[1]。自1995年神户地震后, 日本出现了一批采用钢耗能器、耐震壁、黏弹性耗能器等不同类型的耗能器的抗震加固建筑, 紧接着中国、美国、加拿大、新西兰、意大利等国家的加固工程中也逐渐采用了耗能减震技术, 更多国内外的减震加固技术工程可参见文献[1]。该技术不仅可用于建筑物, 也可用于构筑物, 而且在混凝土结构、钢结构和多高层结构中均可以应用, 因此可以广泛地应用于既有建筑的抗震加固和新建建筑的抗震设计中。在国内, 如沈阳市政府大楼采用了摩擦耗能器进行加固, 北京饭店、北京火车站、中国革命历史博物馆和北京展览馆等工程的抗震加固中则采用了黏滞阻尼器等^[10]。杨康等^[11]对某框架结构采用减震技术进行了优化控制和抗震加固分析;李彬^[12]在单跨框架结构的抗震加固分析中也采用了减震技术。

　　 目前加固工程中常见的耗能器有:摩擦耗能器、金属耗能器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等。近年来减震加固技术也被大量应用于已有建筑物的抗震加固中, 与传统加固技术相比的优势^[13]主要有:1) 施工现场主要为干作业, 基本不影响原建筑的正常使用功能;2) 能在保持原建筑外貌不变的前提下, 实现提高抗震能力和改善使用功能的协调;3) 消能效果明显, 结构经过合理的设计, 可以满足相应设防烈度下的抗震要求;4) 可以有效地节约经费和缩短工期;据国内外工程应用总结资料, 消能减震体系可比传统抗震加固方法节约造价10%~50%。

　　 传统的结构抗震是指结构抵抗地震作用的能力, 在日本称之为忍耐地震作用的能力 (耐震) , 故实际上需要结构自身去抵抗地震作用输入的所有能量。隔震结构是通过设置隔震层来隔离大部分能量向上部结构传递, 同时将该部分地震能量吸收消耗掉。减震结构则是直接采用耗能装置来吸收已传入结构中的能量, 从而减轻结构的振动。由此可见, 隔震和减震技术实质上都是通过一定的装置或设备吸收大部分地震输入的能量, 来保护主体结构不受或少受地震作用的伤害。故将此两种技术用于既有建筑的加固设计中, 自然而然成为了抗震加固中的新技术、新方法, 且在实际工程中的应用越来越多, 有着十分美好的应用前景。

　　 隔震加固技术的原理可以从以下两个方面进行理解。首先, 隔震层通常具有较大的阻尼, 使得原结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减;其次, 隔震层具有很小的水平向刚度, 大大延长了原结构的周期, 则原结构的加速度反应得到进一步降低, 但位移反应在一定程度上有所增加。其基本原理示意图如图1所示。

　　 通过隔震加固后的建筑能够在很大程度上减小水平向的地震作用, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) ^[14] (简称抗规) 第12.2.5条规定, 隔震后水平地震影响系数最大值可按式 (1) 计算:

　　 式中:α_max1为隔震后的水平地震影响系数最大值;α_max为非隔震的水平地震影响系数最大值;β为水平向减震系数;ψ为调整系数, 一般橡胶支座取0.80。

　　 若令η₁=β/ψ为水平地震作用调整系数, 则式 (1) 可写为:

　　 显然, 当β<0.40时, α_max1<0.5α_max, 即建筑的水平地震作用减小一半, 上部结构的抗震措施可偏保守地按降低1度来进行设计。

　　 减震加固技术是通过利用耗能构件来消耗地震传递给原结构的能量。地震时, 任意时刻的能量方程为:

　　 式中:E_I为地震过程中输入给减震加固结构的能量;E_s为结构主体自身的耗能;E_d为附加耗能构件的耗能。

　　 从能量的观点看, 某次具体的地震输入给某结构的能量E_I是一定的;因此, 耗能构件耗散的能量越多, 则原结构本身需要消耗的能量就越少, 结构的地震反应也越小。从动力学的观点看, 耗能构件的作用增大了原结构的阻尼, 从而减小了结构的地震反应。对于既附加阻尼又附加刚度的结构而言, 其基本原理示意图如图2所示;对于仅附加阻尼的结构而言, 其基本原理示意图如图3所示。

　　 目前依据弹性反应谱设计的方法在全世界各国规范中仍然被广泛地应用, 根据抗规第5.1.5条的规定, 阻尼调整系数η₂≥0.55, 其定义式为:

　　 式中:η₂为阻尼调整系数;ζ为阻尼比。

　　 由此便可得到采用减震技术后结构的水平地震影响系数最大值:

　　 式中:α_max2为减震后的水平地震影响系数最大值;α_max为非减震的水平地震影响系数最大值。

　　 在具有高阻尼比的结构中, 阻尼调整系数η₂会变得越来越小, 故建筑结构地震影响曲线的折减会越来越大, 这是近20年来国内外本行业研究的热点问题之一;当然, 按照抗规的要求最多只可以折减0.55, 已经非常接近0.50, 故在抗规第12.3.8条中指出:当消能减震结构的抗震性能明显提高时, 可适当降低主体结构的抗震构造要求, 但最大降低程度应控制在1度以内。

　　 先对式 (2) 和式 (4) 中的两个调整系数η₁和η₂进行分析, 它们的取值大小分别与水平向减震系数和结构总阻尼比有关, 其结果如表2所示。对表2中的数据进行对比分析可知, 采用隔震技术和减震技术几乎能够达到同样的耗能效果, 隔震技术的效果会稍好一些, 但一定不能忽略选择不同的加固技术而带来的不同经济效益。在这一点上, 选择何种加固技术是不能一概而论的。

　　 隔震实质上是需要将整个建筑放置于隔震支座上, 隔震支座的数量是基本不变的, 允许改变的仅为支座的大小和参数;减震则是在原结构中相应的位置增设耗能阻尼器, 其数量可以根据需要进行控制。鉴于这两种加固技术的实质, 结合表2中的结果从减少地震作用程度上考虑, 可以得出以下结论:1) 对于新建不久需要局部加强的建筑, 宜优先选用减震技术加固;2) 当地震作用需求提高较小时, 宜优先选用减震技术加固;3) 对于选用隔震技术受到条件限制, 宜优先选用减震技术加固;4) 当地震作用需求提高较大时, 宜优先选用隔震技术加固;5) 对于选用减震技术受到条件限制, 宜优先选用隔震技术加固。

　　 在1.2节中已经介绍了隔减震技术在加固工程中的应用现状, 接下来详细讨论隔减震技术在应用中最为基本的、也是最为关心的问题:隔震支座和减震阻尼器数量及相关参数的问题。

　　 隔震支座的数量实际上是比较容易确定的, 正常情况下只需简单在已经布置好结构的柱位置放置一个支座即可, 故对于隔震支座数量的优化就转变为结构布置方案的优化。对于支座的大小, 则可以通过试算后取得。即先按照习惯布置一定直径的支座, 考虑恒、活荷载作用下的静力分析, 计算支座的压应力值, 并调整支座大小以满足抗规要求:甲类建筑不得大于10MPa, 乙类建筑不得大于12MPa, 丙类建筑不得大于15MPa;同时考虑水平和竖向地震作用时, 支座的拉应力不应大于1MPa。当然也可以直接利用重力荷载代表值平均的方式先估算后再作进一步的调整。

　　 在获得支座数量及大小后, 需要进一步确定支座的屈服荷载、屈服前刚度和屈服后刚度等参数。为了达到理想的隔震效果, 常混合采用有铅芯和无铅芯支座, 并且调整它们的布置位置及有铅芯支座的水平刚度。通过以上步骤后, 以达到相应的水平向减震系数来衡量隔震的效果, 该隔震效果需要满足加固后的要求。

　　 减震阻尼器的种类较多, 常见的有黏滞阻尼器、支撑式剪切阻尼器、屈曲约束支撑 (BRB) 、黏弹性阻尼器等。在应用这些减震阻尼器时都需要先对阻尼器的数量和参数进行计算分析并将其布置在结构中。

　　 以黏滞阻尼器的数量计算和参数选取为例。先对原结构进行抗震计算分析, 得到原结构的抗震性能, 给结构附加一定的阻尼比, 再次分析结构的抗震性能, 直到所附加的阻尼比满足加固后要求达到的性能为止。其中, 多自由度体系的附加阻尼比计算公式为:

　　 式中:λ_j为第j个阻尼器关于阻尼指数的αΓ (伽马) 函数的折减系数, 计算式为λ_j=2^2+αΓ² (1+α/2) /Γ (2+α) ;C_j为第j个阻尼器的阻尼系数;φ_rj为第1阶型第j个阻尼装置两端的水平相对位移;θ_j为第j个阻尼器与水平线之间的夹角;A为考虑附加阻尼比ξ_d后结构顶层最大位移;ω为自振频率;m_i为第i个自由度质量;φ_i为第i个自由度第1阶模态的正规化模态位移 (顶层位移正规化为1) 。

　　 在加固设计时, 附加阻尼比ξ_d值已经得到, 提取附加阻尼后结构的顶层最大位移A, 设每个阻尼器的阻尼指数α和折减系数λ_j均相同, 对式 (6) 进行移项处理, 可得结构所需的附加总阻尼C, 简化后采用各楼阻尼平均分配的方式, 则第i层需求的阻尼为:

　　 而加固工程所需要的阻尼器总数量n为:

　　 式中i为配置阻尼器的楼层数。

　　 本文基于减隔震技术在既有建筑中的应用现状和加固基本原理, 研究了隔震技术和减震技术各自对应的地震作用调整系数, 结合加固项目的实际情况并考虑采用相应技术的经济性给出了较为合理的加固方案选择。并进一步考虑了采用隔震和黏滞阻尼器减震技术时对应的支座和阻尼器数量及参数的确定原则及方法。工程实践表明, 该套方法在实际加固工程应用中起到了较好的指导作用, 且能够为今后隔减震加固技术在既有建筑中的应用提供参考。