經(jīng)過多年的努力，我國大部分建筑已具備了很好的抗震能力，但有相當一部分建筑建設(shè)年代較早，由于當時經(jīng)濟水平的限制及規(guī)范的不完善，存在大量未考慮抗震設(shè)防或雖然考慮了抗震設(shè)防但抗震設(shè)防目標較低的建筑。我國在20世紀70年代以前建造的建筑基本沒有考慮抗震設(shè)防問題，在70年代后建造的許多建筑都不能達到建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求。按設(shè)計基準期50年計算，我國約有幾十億平方米的建筑物己進入了“中年”或“老年”服役階段，受當時社會經(jīng)濟水平限制，其抗震能力難以抵御6級以上的破壞性地震。未經(jīng)抗震設(shè)防或抗震設(shè)防標準不足的砌體結(jié)構(gòu)在歷次地震中破壞嚴重，如1976年唐山大地震，磚混建筑倒塌率為70%～90%；1993年云南普洱地震，多層磚混結(jié)構(gòu)破壞率達75%；2008年汶川地震，多層磚混結(jié)構(gòu)破壞率達到50%。2015年6月，貴州發(fā)生3起砌體房屋倒塌事故，這些房屋僅在重力荷載作用下就發(fā)生了倒塌，若發(fā)生地震，可能會造成更大面積的房屋倒塌。

北京市于上世紀六七十年代建造了大量多層砌體結(jié)構(gòu)住宅，很多采用了北京市建筑設(shè)計研究院編制的64住2、73住1、74住1及76住1等系列住宅標準圖，在建造時無抗震措施。這些建筑至今已使用了40余年，多數(shù)未進行過抗震加固，存在著結(jié)構(gòu)材料老化、整體抗震性能差、居住舒適度低的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2016年底，北京市尚有1979年底前建成的、未加固的既有建筑面積超過3000萬平方米，涉及工作和生活的人數(shù)約200萬。北京地區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為8度，清朝康熙十八年曾發(fā)生了8級特大地震，附近地區(qū)如唐山、邢臺、遷安等地區(qū)也發(fā)生過強震。這類未加固的既有建筑在破壞地震作用下將導(dǎo)致難以估量的人員傷亡和經(jīng)濟損失，對其進行抗震加固已經(jīng)迫在眉睫。

對既有的抗震能力較低的建筑進行加固，提高其抗震性能，既可滿足抗震設(shè)防要求和新的使用要求，也能取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。我國傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)，主要通過提高承載力和增加結(jié)構(gòu)變形能力，即延性來實現(xiàn)。其中，以提高承載力為目標的抗震加固方法，對于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能、減少地震損傷有很好的效果。典型做法如增設(shè)抗震墻和增設(shè)鋼支撐框架。以增加結(jié)構(gòu)延性為目標的抗震加固方法，主要集中于對框架梁柱的加固。典型的做法如粘鋼加固法和粘碳纖維加固法?，F(xiàn)行標準規(guī)范中的常用加固方法一般需要入戶施工，中斷建筑功能的使用，內(nèi)加固時會減小使用面積，居民需搬遷，周轉(zhuǎn)困難，資源浪費和環(huán)境污染嚴重，擾民嚴重，極易導(dǎo)致居民反對，政策上難以實施，考慮垃圾消納環(huán)境成本，拆除重建成本至少是加固成本的10倍，已難以適應(yīng)當代經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的要求，因而需要著力研究與推廣新型抗震加固方法。新的抗震加固方法需要滿足盡量不入戶施工、不中斷建筑使用功能、高效快速加固、減少資源浪費和能源消耗、施工周期短和綠色環(huán)保等要求。

裝配化外套加固成套技術(shù)

“有機更新”理論原是吳良鏞院士提出的城市規(guī)劃理論，其核心思想是城市改造應(yīng)順應(yīng)城市原有的肌理，實現(xiàn)有機秩序。基于“有機更新”理論核心思想，建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展的理想模式是盡量減小甚至消除加固施工對建筑功能的中斷和影響，在不降低使用性能的條件下實現(xiàn)抗震性能的提升，就像有機體的新陳代謝，在發(fā)揮正常功能的同時完成有機體的更新。基于城市“有機更新理論”的核心思想，分析建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)發(fā)展趨勢，建筑結(jié)構(gòu)“不入戶加固”的新型外套結(jié)構(gòu)加固方法，更能體現(xiàn)出當前經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的適用性。外套結(jié)構(gòu)加固就是利用外套結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，增強原結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，或改變原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，進而改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式，從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，是一種結(jié)構(gòu)體系的加固方法。外套結(jié)構(gòu)加固方案分為分離式和整體式兩種：分離式加固方案由于新、舊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度的差異，地震中容易引起相互碰撞，引起房屋破壞甚至倒塌；整體式加固方案受力模型比較復(fù)雜，目前尚無合理可靠的計算方法，需要結(jié)合原結(jié)構(gòu)的抗震性能進行專門研究。外套結(jié)構(gòu)加固方案另一個突出優(yōu)點是能夠和結(jié)構(gòu)加層聯(lián)系起來，大規(guī)模拆建或新建房屋，會造成資源的浪費，投入大，速度慢，故采用加層改造技術(shù)是舊房改造的發(fā)展方向之一。對舊房進行外套結(jié)構(gòu)加層改造既可以增加建筑的使用面積，又可以改善房屋的使用功能，對緩解城市建設(shè)用地緊張、改善人民居住條件都具有現(xiàn)實意義。為貫徹《中共中央 國務(wù)院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》等政策和國家生態(tài)文明建設(shè)要求，結(jié)合中國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)需求，積極開展預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究，提升建筑產(chǎn)品品質(zhì)、提高建造效率效益、減少勞動用工，實現(xiàn)建筑業(yè)資源節(jié)省、節(jié)能減排、綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展目標，具有十分重要意義。建筑產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是建筑的工業(yè)化生產(chǎn)和施工，外套結(jié)構(gòu)加固技術(shù)可以將抗震加固和建筑工業(yè)化有機結(jié)合，最大限度地實現(xiàn)建筑工業(yè)化生產(chǎn)和施工，節(jié)能減排。（圖1）

圖1 74住1甲單元建筑平面布置圖

以北京地區(qū)上世紀70年代常用的74住1戶型抗震加固為例，既有多層砌體住宅抗震加固工程對加固方法有特殊的要求，具體表現(xiàn)為：

（1）原結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造和承載力一般均不滿足要求。如圖1所示，該類型住宅縱向抗震承載力一般不滿足要求，在外墻外側(cè)采用板墻加固時，會占用陽臺內(nèi)的使用面積；該類型住宅橫向也經(jīng)常不滿足抗震要求，如采用常規(guī)加固方法則需要加厚內(nèi)部墻體。

（2）原建筑戶型小、使用面積緊張，內(nèi)部加固實施困難。仍以74住1戶型為例，各戶型的建筑面積均為50平方米左右，衛(wèi)生間使用面積不足2.0平方米。如在加固時增加墻體厚度，會影響使用空間、造成戶內(nèi)原有設(shè)備管線及裝修的破壞，勢必會增加工程造價、延長工期，引起業(yè)主反對而導(dǎo)致實施困難。

（3）施工工期緊張，施工擾民問題敏感。住宅加固施工過程中，存在大量的噪音、粉塵污染問題，會對住戶的日常生活造成很大影響，因此，從避免擾民角度考慮應(yīng)盡量縮短施工工期；另外，現(xiàn)場工期延長還會增加施工措施費、人工費等各種費用，導(dǎo)致工程總造價上升；較長的施工工期還會帶來施工安全性問題。因此，需采用工期短、污染少的加固方案。

綜上所述，傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加固方法需入戶施工、需占用戶內(nèi)使用面積，且工期較長；從工程實施角度而言，存在較大困難。

為解決上述難題，需研發(fā)新的多層砌體住宅抗震加固方法。從避免內(nèi)部加固、減少入戶施工、減少對住戶影響、縮短施工工期的角度出發(fā)，提出了采用外套預(yù)制結(jié)構(gòu)進行砌體住宅加固的方法（以下簡稱“外套工業(yè)化抗震加固方法”），以推動既有多層砌體住宅抗震加固的實施。該加固方法的思路如圖2（a）所示，在既有建筑兩側(cè)增設(shè)裝配式外套結(jié)構(gòu)，橫向和縱向分別外套和外貼預(yù)制鋼筋混凝土墻，外套結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合、共同工作，在外套結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下設(shè)置旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁，調(diào)整外套結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)之間沉降差。加固后的砌體結(jié)構(gòu)屬于由砌體材料與混凝土組成的混合結(jié)構(gòu)，加固后的混凝土結(jié)構(gòu)則包含有配筋率和強度較低的舊混凝土結(jié)構(gòu)和配筋率和強度較高的新混凝土結(jié)構(gòu)，如圖 2（b）所示，這是一種體系化的加固方案，改變了傳統(tǒng)技術(shù)“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的加固理念，通過附加延性、耗能更好的新結(jié)構(gòu)，控制老結(jié)構(gòu)的變形模式，從整體上改變了原結(jié)構(gòu)抗震不利的動力特征。

圖2 裝配化外套加固方法示意

裝配化外套加固相關(guān)試驗研究與論證

整體結(jié)構(gòu)試驗和構(gòu)件試驗

以北京市老舊多層砌體住宅為研究對象，開展了一系列試驗研究。外貼預(yù)制墻板加固試驗檢驗了新老結(jié)構(gòu)連接措施的可靠性和在各個變形階段傳力貢獻率，為設(shè)計方法提供依據(jù)；既有砌體結(jié)構(gòu)外套加固足尺模型試驗（圖3）和既有砌體結(jié)構(gòu)外套加固振動臺試驗（圖4）檢驗了新老結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)機理，驗證了既有結(jié)構(gòu)非延性破壞向加固結(jié)構(gòu)延性破壞模式的轉(zhuǎn)化。其中足尺試驗?zāi)Ｐ驮诔笳穑ǖ卣饎臃逯禐?.40g）情況下，結(jié)構(gòu)橫向與縱向最大層間位移角分別為1/167和1/233，可以滿足后續(xù)使用年限30年以及“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

圖3 既有砌體裝配化外套加固5層足尺模型試驗

圖4 既有砌體外套加固（5+2）1/4縮尺模型振動臺試驗

圖5 單邊加固的低配筋率墻體抗震性能試驗

圖6 加固結(jié)構(gòu)1/2縮尺模型試驗

圖7 1/6縮尺模型振動臺試驗

圖8 既有砌體結(jié)構(gòu)新老結(jié)構(gòu)連接試驗設(shè)計

圖9 干式連接實驗體

以北京“前三門”約40棟建于1976年前后的低配筋剪力墻結(jié)構(gòu)為研究對象，開展了一系列試驗研究。包括低配筋剪力墻加固抗震性能實驗（圖5）加固結(jié)構(gòu)整體1/2縮尺模型擬靜力與擬動力試驗（圖6）和1/6縮尺模型振動臺試驗（圖7）。加固結(jié)構(gòu)整體1/2縮尺模型試驗結(jié)果表明：地震波加速度峰值為0.40g時，結(jié)構(gòu)頂部橫向和縱向最大位移分別為45mm和31mm，位移角分別為1/250和1/380，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。并對低配筋剪力墻加固前后的抗震性能進行了數(shù)值模擬和參數(shù)分析；對前三門低配筋剪力墻結(jié)構(gòu)進行了外套裝配化設(shè)計研究；基于試驗研究、理論分析和試設(shè)計成果提出了低配筋剪力墻加固設(shè)計方法。

在兩種加固結(jié)構(gòu)體系內(nèi)，以彎曲變形為主的附加結(jié)構(gòu)約束以剪切變形為主的既有結(jié)構(gòu)，使其向彎剪復(fù)合型變形模式發(fā)展，避免了原結(jié)構(gòu)對抗震極為不利的層變形集中模式，大幅度提升了既有結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。根據(jù)加固結(jié)構(gòu)整體模型縱橫墻兩個方向裂縫的發(fā)展情況和變形模式，新老結(jié)構(gòu)的變形是協(xié)調(diào)的，但為保證加固后結(jié)構(gòu)在橫向的整體性，需采取頂層拉結(jié)、底部拉結(jié)及控制外加橫墻最小尺寸的構(gòu)造措施。

研發(fā)新的外套加固結(jié)構(gòu)與老的既有結(jié)構(gòu)協(xié)同工作關(guān)鍵技術(shù)，保證了加固的可靠性。深入研究了基于銷鍵-植筋-灌漿組合連接的新老結(jié)構(gòu)之間結(jié)合面連接技術(shù)。新的加固材料與舊的既有結(jié)構(gòu)材料之間的界面在結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)合面會出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等復(fù)雜應(yīng)力，特別是受彎或偏壓構(gòu)件，結(jié)合面的剪應(yīng)力較大。新舊材料結(jié)合面是一個薄弱環(huán)節(jié)，其抗剪強度遠遠低于整澆結(jié)構(gòu)材料的抗剪強度，新舊材料能否共同工作，關(guān)鍵在于結(jié)合面剪力能否有效的傳遞。因此，開展了采用預(yù)制剪力墻墻板加固砌體外縱墻后的復(fù)合墻片的抗震性能試驗（圖8、圖9），新老結(jié)構(gòu)之間的連接方式分為“灌漿+植筋”、“銷鍵+植筋”、“灌漿+銷鍵+植筋”3種，試驗結(jié)果表明：灌漿連接方式能較大幅度提高構(gòu)件的承載能力及抗側(cè)剛度，并能有效控制墻體裂縫開展，提出的連接技術(shù)可行。開展了新舊混凝土連接節(jié)點試驗，試驗結(jié)果表明：合理的植筋深度與鋼筋直徑可以實現(xiàn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)鋼筋錨固相當?shù)男阅?。?chuàng)造了預(yù)制墻片豎向連接的型鋼連接節(jié)點形式（圖10），傳統(tǒng)方案采用灌漿套筒、機械套管等方式連接，難以保證連接質(zhì)量。本項目上下層預(yù)制混凝土墻片中采用型鋼構(gòu)件進行連接，其中，邊緣約束構(gòu)件中的型鋼用于傳遞彎矩，墻板中間的預(yù)埋件傳遞剪力，上下層間采用法蘭螺栓連接，連接速度快，且避免后澆區(qū)域的復(fù)雜的鋼筋工程。試驗表明：這種新型連接節(jié)點形式具有足夠的抗彎和抗剪承載力。

圖10 預(yù)制剪力墻型鋼連接節(jié)點試驗

基于旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁的外套結(jié)構(gòu)沉降控制技術(shù)

采用外套結(jié)構(gòu)加固既有建筑結(jié)構(gòu)時，既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但外套結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降還未完成，外套結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)存在沉降差。由于沉降控制要求高、施工場地窄小、障礙物多、綠色環(huán)保、施工周期短等特殊要求，其基礎(chǔ)施工難度很大，同時為配合上部結(jié)構(gòu)裝配化加固需求，項目組提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁。旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁主要由鋼樁、注漿體和灌注體組成（圖11）。旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁成樁角度多樣化、承載力相對較高，適用于大部分土體，對地下水水位無任何要求。項目組根據(jù)旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁樁型的設(shè)計和施工要求，研制組裝了配套專用施工機械樣機（圖12）。包括鋼樁旋轉(zhuǎn)鉆進機車、后注漿環(huán)保車等，能較好的完成鋼樁鉆進、后注漿施工等。在北京市房屋建筑抗震節(jié)能綜合改造工程中，老城區(qū)道路狹窄，施工空間十分狹小，項目提出的方法在施工中充分發(fā)揮了本樁型及施工機械的特點，每根樁施工時間不足30分鐘，且立即具有一定承載能力，大大縮短了樁基礎(chǔ)的施工周期，對原有建筑干擾很小。

圖11 旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁示意圖

適用于裝配化外套加固方法的設(shè)計軟件

圖12 旋轉(zhuǎn)鉆進預(yù)制復(fù)合樁施工

圖13 Fecis-RM軟件主界面

圖14 考慮施工階段的計算模型

圖15 墻肢設(shè)計內(nèi)力

開發(fā)了適用于裝配化外套加固方法的設(shè)計軟件Fecis-RM，為既有建筑裝配化外套加固技術(shù)提供了設(shè)計工具。砌體結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)裝配化外套抗震加固計算原理類似，但前者計算更為復(fù)雜。砌體結(jié)構(gòu)裝配化外套抗震加固的設(shè)計過程涉及至少兩種結(jié)構(gòu)材料（砌體和混凝土），另外還需要獨特的施工過程模擬才能得到恒載作用下較準確的構(gòu)件內(nèi)力，目前國產(chǎn)軟件尚不具備此項功能，而Midas和SAP2000等通用有限元軟件應(yīng)用起來過于繁瑣，需要手工干預(yù)分析過程，且不能直接得到外套結(jié)構(gòu)的配筋結(jié)果。且包含砌體和混凝土材料雙層剪力墻的計算分析目前也無軟件能直接支持。基于自主核心的有限元軟件，開發(fā)了專用分析設(shè)計軟件Fecis-RM（圖13），可完整解決現(xiàn)有軟件的應(yīng)用限制，滿足砌體加固的設(shè)計需要（圖14、圖15）。

工程應(yīng)用及推廣

在北京市房屋抗震節(jié)能綜合改造試點工程的實踐基礎(chǔ)上，為指導(dǎo)裝配式外套加固技術(shù)的應(yīng)用，項目組編寫了《北京地區(qū)既有建筑外套結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)導(dǎo)則》《多層砌體結(jié)構(gòu)外套裝配式鋼筋混凝土墻抗震加固圖集》，將相關(guān)成果納入并主編了《房屋結(jié)構(gòu)綜合安全性鑒定標準》DB11/637-2015、北京市地方標準《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》DB11/689-2016等，對裝配式外套結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方法和構(gòu)造措施等進行了詳細的規(guī)定。

自2011年以來，既有建筑裝配化外套加固成套技術(shù)在北京市老舊小區(qū)抗震節(jié)能綜合改造工程中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用面積達66萬平方米，加固改造涉及的住戶達3萬余人。既有建筑裝配化外套加固技術(shù)具有施工周期短和綠色環(huán)保的優(yōu)勢，還可以適當增加既有建筑使用面積，改善居民居住品質(zhì)，深受居民歡迎，大大推動了北京市老舊小區(qū)綜合改造工程的實施，解決了大量既有住宅的安全問題，為保障北京地區(qū)既有住宅的抗震防災(zāi)性能做出了重要貢獻，并取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，到1985年底，我國擁有城鎮(zhèn)房屋面積46億平方米，這些建筑物已進入了“中、老年”服役階段，抗震能力不足，是國家抗震減災(zāi)工程中最薄弱的環(huán)節(jié)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和抗震設(shè)計技術(shù)的進步，我國設(shè)防烈度區(qū)劃圖和抗震規(guī)范都進行了改進，《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015已于2016年6月1日實施，部分建筑的抗震設(shè)防水準得到提高，這導(dǎo)致大量按照原規(guī)范設(shè)計的現(xiàn)有建筑抗震性能不能滿足當前的抗震設(shè)防要求。將老舊建筑加固改造與工業(yè)化有機結(jié)合，可為我國現(xiàn)存的抗震危房提供一種切實可行且具有推廣意義的解危方案。