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让重大建筑屹立百年的创新力量

来源:中国科技网-科技日报 作者: 2016年09月30日 00:45
[导读] 如人民大会堂、沈阳市工人文化宫、国家体育总局训练局比赛场馆、吉林市全民健身中心、北京市中小学校舍、山西体育场、鄂尔多斯那达慕会场、北京国际会议中心等。
让重大建筑屹立百年的创新力量
□ 本报记者 申 明



项目首次针对薄弱层增设粘滞阻尼器的大层高框架结构进行了振动台对比试验
    每当我们看到首都十大建筑等重大建筑时,总会为其庄严肃穆、气势恢宏的外型而赞叹不已。然而,你知道吗?这些承担着重要使命的既有重大建筑,同样存在“生命周期”,同样会有地震等来自外部的威胁。
    那么,有没有办法延长这些建筑的“生命值”,提高它们的“抵抗力”呢?
    “我国既有重大建筑,尤其是新中国成立初期修建的大型公共建筑,抗震设防水准低,而且经历多半个世纪的使用,逐渐老化,有些还处于地震高烈度区。”中冶建筑研究总院有限公司首席专家惠云玲告诉记者,“对其结构进行抗震鉴定及加固迫在眉睫。”
    由惠云玲领衔的科研团队历时10余年,依托国家及部委重大科研项目,以既有重大建筑结构抗震鉴定与消能减震技术研究为主线和核心,对既有重大建筑结构抗震鉴定方法体系、结构消能减震加固技术、抗震加固改造关键技术等进行了深入的理论分析及试验研究,并在工程中进行推广应用,取得了丰富的科技创新成果。
    据了解,项目组通过研究,极大地促进我国结构鉴定加固领域的技术发展,推动土木建筑领域的技术进步,有效延长既有重大建筑结构使用寿命,保证结构安全,尤其对北京保护众多具有历史纪念意义的重大建筑结构,传承建筑历史文化价值具有重要意义。该项目被评为2015年度北京市科学技术奖一等奖。
    既有重大建筑鉴定加固迫在眉睫
    地震预报是目前尚未解决的世界难题,既然地震不能避免,让房屋更结实、让建筑的抗震性能更强就成为一个重要课题,世界各国也都将重点放在这一课题上。
    惠云玲告诉记者,我国存在大量既有重大建筑结构,尤其是北京作为首都,重大建筑结构数量多、影响大。“这些建筑一方面受经济水平限制,另一方面受当时认识能力所限,抗震能力有限。”
    那时的建筑材料强度不如现代、整体连接不如现今建筑,而且又经过半个多世纪的洗礼,不少建筑已经接近或超期服役,这些建筑中有不少有重要的纪念意义,要保证这些建筑可以继续使用就应进行抗震鉴定与加固修复处理。
    “这些建于上世纪五、六十年代的建筑特点是大空间、大层高、大跨度,立面高差大,而且刚度和质量布置不均匀、多属复杂群体结构,结构类型多。”惠云玲说。
    此外,重大建筑要求使用年限长,其耐久性也是影响正常使用的关键问题,比如超期服役、地下室潮湿、使用环境不佳等都会造成建筑耐久性差。
    随着科学技术水平的逐步发展和提高,人们对地震作用特征及震害情况进一步认知。我国自上个世纪70年代起至今已更新了四代抗震设计规范版本,现有建筑的抗震鉴定标准和相应的抗震加固规程也已随之更新,与旧版本规范相比,目前抗震设计规范中结构安全度水平有较大提高。
    然而,既有重大建筑结构的整体抗震性能不能满足国家现行标准规范的抗震安全要求?按低于现行抗震规范设计的既有重大建筑结构的抗震安全水平到底怎么样?与国家现行标准规范差距有多大?“要回答上述问题,需对既有重大建筑结构进行检测、鉴定与加固。”惠云玲说。
    面临前所未有的挑战
    对于项目团队而言,他们将面临前所未有的挑战。这个研究既没有国外案例可以参照,国内也没有成熟的技术,完全是一个空白领域。
    “这些既有重大建筑是在我国当时没有抗震设计规范的情况下进行的,如果完全按照国家现行抗震设计规范进行鉴定与加固,也是不现实的。”惠云玲说。
    据了解,我国现行标准规范中缺少针对既有重大建筑结构的鉴定加固方法和关键技术,现有抗震检测鉴定标准覆盖面及深度不够。
    “我们不仅缺少对重大建筑结构抗震鉴定技术和方法,还缺少对复杂群体结构分析技术。”中冶建筑研究总院有限公司检测鉴定部主任郭小华说。
    此外,仅采用传统的抗震加固方法,无法满足结构使用功能的要求。传统加固方法有增大截面法、增设剪力墙等,但是有些重大建筑由于使用空间、使用功能的限制,无法采用传统加固方法,就只能另寻蹊径。
    既有重大建筑施工难度很大,材料进出场、场内运输等受既有重大建筑的特殊性存在较多难度,防尘作业均是重点和难点,在新旧结构连接,多锚栓连接施工工艺精度要求至关重要。“而且,已有构件钢筋多、打孔、除灰锚固连接等问题都需要解决。”郭小华说。
    对于项目团队而言,他们面临的挑战还有,受场地限制,部分区域无法实施传统加固。
    由于部分重大建筑经常有重要会议,在此期间是不可能施工的,这就造成了此类既有重大建筑施工难度大、周期长。
    为建筑装“水盆” 消耗地震能量
    众所周知,地震给建筑带来破坏的方式是地震波带来的左右及上下振动,对此,项目团队想到了从控制振动方向入手。
    一个摆锤在空气中可以自由摆动很长时间,如果在水中呢?摆动的幅度,次数将大幅度减少,能量被液体吸收了,这在结构动力学上是最基本的有阻尼振动。受此启发,研发人员想到了增加建筑结构自身阻尼。
    可是如何增大结构自身阻尼?既然不可能为建筑建一个真正的水盆,那么我们可以将“水盆”装在结构上,类似于汽车的减震器,将类似减震器(建筑工程中称为阻尼装置)装在主要振动部位,这样在振动时阻尼装置将地震输入建筑的能量消耗掉,从而减小建筑结构主体振动,减少地震破坏。
    与一般混凝土框架结构不同,既有重大建筑具有大层高、大跨度混凝土框架结构存在弯曲变形控制的客观情况。对此,项目组研究了粘滞型阻尼器和金属屈服型阻尼器对应的设计目标,给出了粘滞阻尼参数确定方法,研究了金属屈服型阻尼器新型恢复力计算模型,建立了大层高、大跨度混凝土框架结构消能减震加固设计方法,解决了既有重大建筑结构安全和抗震性能设计的难题。
    在项目开展前,国内外缺少对大层高、大跨度的既有重大建筑框架结构抗震及消能减震加固试验研究,缺少阻尼器的动力响应指标实测方法,加固方法、减震效果、加固设计理论均无法验证。
    对此,项目组首次针对重大建筑结构的大层高、大跨度框架结构进行了增设粘滞阻尼器的振动台试验。提出了阻尼器关键参数实测方法,揭示了消能减震技术对结构地震破坏过程和屈服机制改善的规律,解决了消能减震加固设计理论的验证问题。
    创新施工提高抗震效果
    仅仅减少地震波带来的振动并不够,如果建筑整体性不满足要求,再小的振动也会引起灾难,就好比一个积木堆成的房子一震就会散掉一样,因此,建筑的内部结构加固就十分重要了。“尤其是节点部位的连接、原有混凝土与新浇筑的混凝土的连接,以及新植入钢筋还要避开原有钢筋等环节都十分重要。”惠云玲说。
    既有重大建筑结构因其具有大层高、大跨度、结构单元多等特殊性,结构加固有较高的技术要求。传统加固方法因对原结构影响大,施工难度大,周期长等特点,难以满足重大建筑结构加固技术要求。另外抗震加固施工过程又不能影响政治、文化、外事等活动,因此传统加固施工工艺和措施无法满足既有重大建筑结构抗震加固工程的要求。
    项目组在理论分析和试验研究基础上,充分考虑加固施工的可实施性,提出了抗震加固“整体考虑、分步实施”的抗震加固方案及构造关键技术,可以保证加固施工在不影响既有建筑使用和避免损伤原有建筑的前提下实施。
    项目组在大量工程实践、试验研究的基础上,提出了适合既有重大建筑结构抗震加固施工、质量控制的关键技术,主要包括锈损混凝土结构的耐久性修复与防护技术、修复效果评价标准及技术、新旧混凝土界面粘结及评价技术、大层高单面支模抗震墙加固施工技术、大层高大跨度消能减震施工技术(节点连接构造、安装等)、除尘及降尘技术等,大大提高了施工效率,有效地保证了结构安全、延长了结构使用寿命,保障了各项活动的顺利进行,解决了既有重大建筑结构抗震加固施工的技术难题。
    特别是项目组在对既有重大建筑实施过程中始终注重环境保护,传统加固建筑工程项目的实施过程中,灰尘飞扬,对环境造成污染、也对工人的身体健康产生危害。
    “项目组在工程试点施工过程中获得的一项实用新型专利权就是针对扬灰污染而开发的,同时在施工技术研发中采用一些特殊技术、可循环物料及环保产品,减少或避免施工固、液体废弃物排放,具有较高的环保价值。”郭小华说。
    目前,该项研发成果已应用于市场潜力巨大的我国大型公共建筑结构的抗震鉴定与抗震加固中。如人民大会堂、沈阳市工人文化宫、国家体育总局训练局比赛场馆、吉林市全民健身中心、北京市中小学校舍、山西体育场、鄂尔多斯那达慕会场、北京国际会议中心等。
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