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房屋结构抗震隔震与碳纤维加固
05108411叶晓斌
【摘要】抗震加固是对未进行抗震设防或已进行抗震设防但达不到设防标准的建筑物进行结构补强和提高其抗震能力的措施。抗震加固必须先按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，后采取相应的抗震加固措施；抗震加固要分轻重缓急，有计划进行；抗震加固要按抗震鉴定、加固设计、设计审批、组织施工、质量监督和工程验收等程序进行。抗震加固措施包括增强强度、提高延性、加强整体性和改变传力的途径。
【关键字】抗震隔震 加固 碳纤维加固
【正文】
目前，许多国家在高层建筑的抗震设计方案中，已经出现了新的结构，如：美国纽约的42层高层建筑物，建在于基础分离的98个橡胶弹簧上，日本的建在弧型钢条上防地震建筑物，前苏联的建在与基础分离的沙垫层上的建筑物，以及在中国已经获得了美国、中国和英国发明专利权的，刚柔性隔震、减震、消震建筑结构与抗震低层楼房加层结构，都十分成功的应用于工程实践中，都明显的在建筑结构体型上，改变了传统的插入式刚箍捆住内力（吸收地震能量）的结构体系。总之都在建筑设计的结构方面设法摆脱在地震灾害时，严重威胁着人们的生命安全的插入式刚箍捆住内力的结构体系。其实质都反映了对“似地球为相当好的惯性参考系”为指导理论，所制定的现行抗震硬抗、死抗地震打击设计规范的动摇，本质上也是改变了建筑结构受力体系，而不在似地球为绝对静止不动的惯性参考系了。
日本在东京建造了12座弹性建筑，经里氏6．6级地震的考验，减灾效果显著。这种弹性建筑物建在隔离体上，隔离体由分层橡胶、硬钢板组和阻尼器组成，建筑结构不直接与地面接触。阻尼器由螺旋钢板组成，可减缓上下的颠簸。滚珠大楼美国硅谷兴建了一座电子工厂大厦，采用一种抗震新法，即在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来。发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上轻微地前后滑动可以大大减弱地震的破坏力。弹簧大楼日本鹿岛建筑部门发明了一种新的防震大楼营造法：由弹簧把连着地基的基础部分和建筑物主体分开，让建筑物主体处在一种能吸收地震和其他振动冲击的中介物上。无论地基怎样摇晃，振动能量传到这种建筑物时也将减到原来的1/10。
总体来看，我国在抗震法律法规、国家标准上做得比较充分。我国发布有《建筑工程抗震设防分类标准》、《城市抗震防灾规划管理规定》等国家标准，对建筑物抗震设防分类、责任划归、防灾规划均有具体划分。《城市抗震防灾规划管理
规定》第八条规定：当遭受多遇地震时，城市一般功能正常；当遭受相当于抗震设防烈度的地震时，城市一般功能及生命线系统基本正常，重要工矿企业能正常或者很快恢复生产；当遭受罕遇地震时，城市功能不瘫痪，要害系统和生命线工程不遭受严重破坏，不发生严重的次生灾害。
据悉，我国地震抗震标准，不同地区的建筑物是不一样的，主要依据国家的抗震设防烈度图，分6～9级不同的抗震设防标准，不同地区的建筑物须执行相应地震级别的建筑物抗震标准。“这些标准很多都是强制性的，如烈度在6度以上的地区，所有的建筑物都必须执行地震抗震设防标准，否则建筑物不予以验收。
建筑隔震是世界上许多国家关注的研究课题。我国在这方面已经取得了重大进展。这项技术为在我国减轻多、低层房屋水平地震灾害提供了一条行之有效的新途径。《国家防震减灾规划(2006—2020年)》中已提出“推进隔震等新技术在工程设计中的应用”。隔震房屋的应用将对未来的房屋结构形式和抗震技术产生深远影响。我国建筑隔震技术已取得了重大成果，并进行了200多万米的隔震工程应用。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。建筑隔震技术的广泛应用，可以在地震发生时最大程度保障广大人民群众的生命和财产安全，是造福社会大众的一件大好事。
隔震结构可以适合各种用途的建筑，尤其是重要性系数较高、建造于地震高烈度区的建筑，如医院、学校、通信中心、政府办公楼等。从隔震效果讲，多层建筑的隔震效果最佳。基础隔震是指在结构物底部与基础面之间设置某种隔震装置而形成的结构体系。隔震装置水平向较柔软，因此可延长结构的自振周期，减小上部结构地震反应。
隔震概念最早由日本和合浩臧于1881 年提出,但早在几千年前，我国就成功地把基础隔震技术应用在古代建筑中，如明朝永历年间即1402 年开始建造的北京故宫经历了多次地震仍完好无损，这是因为在基础与上部结构中间采用了柔软有阻尼的糯米层。也就是说在很早之前，我国就开始用隔震途径修筑结构物。现代意义上的隔震技术始于20 世纪60、70 年代，与早期的隔震系统相比性能上更加可靠、功能上更加完善。早在20 世纪50 年代在欧洲已经广泛应用于桥梁隔震中，在建筑中的应用则始于20 世纪60 年代，随着叠层橡胶垫、铅芯叠层橡胶隔震垫、高阻尼橡胶隔震垫以及各种阻尼器的研发成功，橡胶支座隔震已逐步发成为主要的隔震技术。基础隔震体系自70 年代应用于工程实际后，世界各国学者进行了广泛深入的研究。基础隔震第一次用于旧房的加固改造是美国盐湖城市政大楼，其后世界各地又有相当数量的重要建筑采用隔震技术进行了加固改造，但隔震房屋和隔震加固房屋的震害经验相对较少。新西兰于1981 年建成的威廉克雷顿大楼，是世界上第一个采用铅芯橡胶支承的结构；洛杉矶南加州大学(USCUniversity)医院经受1994 年1 月17 日美国加州北岭6.7 级地震，日本West 大厦1995 年1 月17 日日本兵库县南部阪神7.2 级地震中表现出良好的隔震性能，这使得隔震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受。我国学者从20 世纪60 年代就开始关注基础隔震，70 年代中到80 年代初，采用砂砾隔震的方法建造了四座土坯和砖砌体的单层隔震房屋和北京中关村一栋4 层砖混房屋，这是我国最早的隔震建筑。80 年代中期，隔震研究逐渐在国内得到重视，由于经济方面的原因, 对采用砂垫层、石墨、钢板等材料的摩擦滑移隔震研究较早。1986 年在西昌市建成一幢采用石墨砂浆层隔震的建筑；1995 年在新疆独山子建成一幢采用聚四氟乙烯滑移板隔震的房屋。我国对橡胶隔震支座的研究起步较晚，但发展较快。1993年在汕头建成第一幢叠层橡胶垫隔震房屋，已经受7.3 级台湾海峡地震考验；1994 年在安阳建成无黏结叠层橡胶垫隔震房屋。
基础隔震可以分为叠层橡胶垫隔震装置、滚珠(或滚轴)隔震、悬挂基础隔震、摇摆支座隔震、滑动支座隔震等多种,其中叠层橡胶支座隔震技术是隔震技术中应用最广、技术最成熟的,它具有减震机理明确、减震效果显著、施工与安装方便等特点,而且已有多项工程在实际地震中经受考验,正受到越来越多国家的重视。
碳纤维CFRP是整个土木工程界使用最为广泛且热门的加固材料，该项加固技术兴起于20世纪80年代，于90年代后期在我国迅速发展起来，国内外很多科研单位和高校就碳纤维CFRP加固混凝土构件这项新技术进行了大量的研究。随着试验研究的深入，该加固技术的适用范围不断扩大，应用技术不断改进。
碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱的试验研究相对较少，但试验研究结果表明碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱具有施工简单、抗腐蚀能力强、约束效果好、基本不需要维修保养等特点。
碳纤维CFRP一般是直径为5μm～20μm的连续纤维，基材由树脂和固化剂组成，用树脂（内加固化剂）浸润碳纤维，待树脂固化后便形成了碳纤维增强塑料（简称CFRP）。其特性：密度小，为普通钢材的1/6；强度高，抗拉强度约为普通钢筋的4～6倍；抗腐蚀性能好，强度不受酸碱腐蚀介质的影响；非磁性，不影响电磁信号的传播；抗疲劳性能优良，疲劳寿命普遍高于钢材；温变系数和混凝土相当；弹性模量和钢材相近；极限延伸率1%。
钢筋混凝土柱在承受轴向压力时，构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的，如能在构件四周创造横向约束，以阻止受压构件的这种横向扩张，从而提高构件抗压承载力和变形能力。
碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用，（它们之间的相互作用力称为界面约束应力）受横向界面约束应力的作用，塑性区的核心混凝土处于三向应力状态，与单向受力状态相比，混凝土的极限压
应变和承载力会提高，在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下，并不考虑失稳的影响，加固后钢筋混凝土柱具有较大的延性变形与耗能能力。
由于CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束后使CFRP形成轴向拉伸应力，而CFRP的抗弯能力极弱（一般不考虑），矩形柱在CFRP包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆柱而言大大降低，主要由于侧向约束应力不均匀。矩形柱边中央侧向约束弱，拐角处侧向应力集中约束较大，柱边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束应力才能极速增长。
由于CFRP对钢筋混凝土柱的约束为界面约束，只有当混凝土向外横向扩张时（产生塑性变形）CFRP方能对混凝土产生约束应力，因此柱环向外包CFRP在承受荷载时表现出两阶段的受力过程：第一阶段，混凝土轴向压应力较小，横向变形较小，CFRP受力较小；第二阶段，随着荷载的增加，柱混凝土变形增大，CFRP环向应力显著增长，环向约束力迅速增加，直到当CFRP达到其极限拉伸应变时发生断裂。
CFRP加固钢筋混凝土柱适用于圆柱或小截面矩形柱（截面边长一般小于800mm），在未失稳状态下能大幅提高钢筋混凝土柱的轴压承载能力。加固的前提条件是构件的核心混凝土未被破坏，尚具有一定的承载和变形能力。
钢筋混凝土柱加固前的卸荷，此项工作往往被忽视，混凝土构件在负荷外包CFRP时，外包CFRP相对于混凝土柱表面存在应变滞后，常发生CFRP尚未被拉断混凝土已被压坏的情况，这种效应使得CFRP的补强效果降低，不能充分发挥CFRP的高强抗拉性能。矩形柱拐角倒角的半径不得小于20mm，柱侧最好修成外凸面，减轻角部CFRP的集中应力，很多试验表明即使如此CFRP的破坏仍然发生在拐角部位。混凝土构件表面的修复工作极为重要，其直接影响CFRP对混凝土横向约束效果。
碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱，能使混凝土承受轴向受力状态变为三向受力状态，约束混凝土的承载力和变形能力得到提高，特别对轴压比不能满足抗震设计规范要求的钢筋混凝土柱加固效果比较明显。提高塑性铰区的承载力及延性，钢筋混凝土柱在地震荷载的重复作用下，上下端会首先出现塑性铰区，承载能力及延性迅速下降，用CFRP进行缠绕加固后，塑性铰区核心混凝土受到约束极限强度及变形能力大幅提高。施工技术含量低、工艺简单，约束效果好、抗腐蚀能力强，只需保护不需要保养。碳纤维CFRP加固技术并非万能“处方”，有其缺点：有机胶耐高温性能差，高温环境及防火等级要求高的建筑不能使用；不规则或大截面矩形柱应有条件使用。
贴碳纤维材料时须符合下述条件：碳纤维材料应按规定裁切；气温、空气湿度、构件表面含水率等符合要求；底层涂料及腻子达到指触干燥（树脂表面达到固化硬结）；粘结树脂的类型与施工时的气温适合，主剂和固化剂、固化促进剂
应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应在规定时间内用完。
碳纤维粘贴的质量检验标准：下涂和上涂渗浸入碳纤维束良好；碳纤维粘结严实；对于直径在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少于10个可认为合格；若每平方米在10个以上，则认为不合格，需进行补修。对于直径在30mm以上的空鼓，只要出现，即认为不合格，需进行补修；顺纤维方向搭接长度不小于20cm,各层之间的搭接部位不得位于同一条直线上，层间必须错开至少50cm；碳纤维材料规格，粘贴位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合规定。
碳纤维加固法可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固。受盐害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。
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