2.1建筑结构加固方向研究的必要性与问题点 |
从国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》以来,推广装配 |
式建筑,减少建筑垃圾的绿色建筑理念被提上日程。从一些发达国家的发展经验来看,由 |
大量生产、大量消费的经济型社会转型为为次世代资产蓄积的能源型社会是必经之路。尤 |
其我国近年环境恶化、PM2.5横行,减少新建带来的负面影响,延长既有建筑的寿命变得 |
十分重要。所以,从新建以及既有建筑俩方面实行有效的措施,对社会的发展将起到良好 |
的促进作用。 |
既有建筑的抗震安全性问题是世界各国防震减灾中的重要课题,在世界各地地震频发 |
的大环境下,如何提高既有建筑的抗震性能是各国建筑技术研究者必须面对的课题。为抵 |
抗震害以及地震带来的二次灾害,多数发达国家制定或者修正了相应建筑法规以备震害的 |
多样性与不确定性。比如,作为地震多发国家,日本在1950年颁布的《建筑基本法实施令》 |
中规定了学校教学楼等的抗震性能应高出一般建筑25%。在我国,许多既有建筑建造年代 |
长远、数量巨大、类型不一,使得研究确定以及提高既有建筑的抗震性能的方法变得困难。 |
因此,从既有建筑的抗震安全性、经济性、历史保全、环境保护出发,十分必要对既有建 |
筑的抗震性诊断以及结构加固进行研究。 |
建筑结构的加固效果在以往发生的大地震中得到了实证,研究报告称同年代建设的建 |
筑物,结构加固后较未进行加固的破坏率相对较低。参照2013年东日本大震灾发生后的调 |
查结果,结构加固后的建筑的受灾程度较未加固建筑有相当大的减轻[1]。然而,是否进行 |
过结构加固的建筑都能够满足预期的抗震性能,这一问题在以往的调查研究中并未得到验 |
证。在建筑结构加固领域,世界范围内存在的问题主要有以下几个方面:(1)既有建筑的 |
现状抗震性能的把握主要依赖保存的设计资料;(2)长年劣化以及自然灾害带来的抗震性 |
能的低下评价主要依靠技术者的主观判断;(3)结构加固效果的有效评价方法很少,现阶 |
段主要基于设计方法进行理论上的判断。 |
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2.2 建筑结构加固效果评价方法的缺失与MEMS技术的发展 |
综上所述,如何建立有效的抗震加固效果评价方法,是提高抗震加固实施率以及加快 |
既有建筑加固发展的重要课题。尤其是结构加固工程的施工精度,设计手法的正确性,加 |
固工程的特殊性导致的人为干扰因素。2005年日本发生了轰动一时的抗震伪装事件,引 |
来社会对技术者姐齿建筑士的批判,然而,站在研究者的角度,现行技术手法的不完善, |
以人为判断为最终评价标准的滞后性值得反思[2]。另一方面,国内外关于结构加固效果评 |
价手法以及加固方法适用性的研究资料很少,几乎并未建立起系统的评价方法。因此,既 |
有建筑结构加固效果的可信性受到很大的制约。 |
既有建筑的结构加固,既要把握其现状的劣化状况(裂缝的发生,钢筋露出或者腐蚀, |
不同沉降),也要立足于将来的使用状况。如何建立有效、客观的结构加固效果评价方法对 |
建筑结构加固将起到极大的推动作用。近年,建筑结构健康监测(Structural Health |
Monitoring)成为世界土木工程领域的研究前沿,其中微机电技术的急速发展极大推动了土 |
木工程健康监测的进步[3]-[9]。其中尤以MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)等技术得 |
到科研工作者的特别关注[10]-[11]。然而相对于道桥结构,建筑结构的健康监测比较滞后,科 |
研工作者主要面临着以下的几个课题: |
(1)建筑结构形式的复杂多样性导致了研究成果的个体化,难以形成有效适用的研究 |
方法。 |
(2)建筑结构的荷载特性,布局复杂性导致了监测手段的选择面窄。 |
(3)相关领域有经验的专家人数很少[12],即使能够成功测定到所需振动信号,但对于 |
如何从取得的信号中提取有效信息用于解释结构的安全状况却并未建立起完善的科学理 |
论。 |
因此,虽然建筑结构的健康监测是国内外的研究热点,但是国内外的研究成果主要集 |
中在单体建筑的个例中,几乎很少提出通用手法应用于实践。近年,许多研究者专注于利 |
用建筑结构加固前后的微动特性对建筑结构加固效果进行评价的研究,但是,评价指标大 |
多建立在比较结构加固前后的固定周期以及阻尼变化。日本东北工业大学的阿部研究组在 |
早期提出了以各下层为入力层,上层为振动系的研究手法提取各振动系的固有周期(如式 |
1),并利用固有值逆解析方法计算出各层刚度对建筑结构效果进行评价。该方法是为数不 |
多的系统的提出了建筑结构加固效果评价新手法,然而自早期该指针(案)[13]在一定范围 |
实行以来,并未形成很大影响并取得发展。究其原因,一是使用常时微动测定数据进行振 |
动体系分离,由于上层应答差别较小,振动系的固有周期提取十分困难;二是,固有值逆 |
解析使得上层振动系的误差向下逐步累加蓄积,导致得到的层刚度与设计值有很大误差。 |
(式1) |
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2.3 微动特性在校舍建筑结构加固中的应用研究 |
建筑物结构抗震性评价问题的研究是一个多目标的系统工程,宜分阶段分领域逐步加 |
以实施。本次申请选择既有建筑加固效果的评价以及标准的建立作为研究内容为切入点, |
为将来的一般建筑结构健康评价研究提供基础。既有建筑多以中低层为主,其破坏形式多 |
发生于弹性领域,且考虑到地震发生时非构造构件或家具的过大变形带来的次生灾害,既 |
有建筑的结构加固以提高刚度方式(见图1)占很大比例。因此,利用微动特性对既有建 |
筑的结构加固效果进行评价的研究方法,具有可行性。 |
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图1 建筑结构加固的一般方法 |
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本次申请选择利用微动特性对既有建筑结构加固效果进行评价的研究课题进行重点攻 |
关,是建立在已有的研究成果的基础上。从2012年开始,在日本国东广岛市的资助下,对 |
东广岛市内的既有建筑的各个单体的微动特性进行测定并分析研究;随后,联合建筑结构 |
设计单位着重对结构加固前后的建筑进行分类研究。经过多年的研究工作,采取理论分析、 |
实验室论证、数值解析以及实际振动测定的研究方法,从微动测试系统的准确性到周期以 |
及层间变形量等分析方法的妥当性、从测定方法到抗震性设计方法、从定性分析到定量计 |
算等,围绕建筑结构加固效果与加固方法的适用性进行了较为系统、周密的基础工作。在 |
理论分析方面,就既有建筑的破坏形式采用只考虑竖向承重构件的设计诊断法和考虑梁破 |
坏的拟立体解析手法进行比较分析研究;并建立单质点动力模型与多质点动力模型,就既 |
有建筑的振动特性进行理论研究。在试验研究方面,就产学研共同研究开发(日本国立广 |
岛大学)的无线振动测定系统的正确性以及利用微动测定取得的加速度反应谱推算层间变 |
形方法的可靠性,在实验室建立模型进行验证并修正研究方法;在此基础上,对实际的结 |
构加固前后的既有建筑进行实地实验,采集数据展开研究。通过以上的一系列基础研究, |
最终确立了振动测定以及信息变换方法,得出了研究对象的既有建筑的破坏形式以墙柱竖 |
向承重构件为主,提出了既有建筑结构加固效果的定性分析方法,并引入了利用微动 |
特性的定量计算概念。 |
本次申请项目将在上述研究基础上,通过既有建筑结构加固前后的一阶振型应答变化 |
完善定性分析方法;结合微动测定数据分析与模型解析建立实测层刚性计算手法,并最终 |
确立既有建筑结构加固的定量评价方法;基于以上的研究成果撰写建筑结构加固效果评估 |
方法的参考标准。本次申请项目的研究意义与价值主要体现在:进一步延伸与扩展了定性 |
评价方法,在实际工程中可使工程人员以及建筑管理人员简单明了掌握加固设计与施工效 |
果;以实测层刚度为主要参考指标的定量计算研究可为既有建筑的加固效果提供相对精确 |
的检测指标,为结构加固工程监理,加固设计的可靠性,建筑物的动态监控提供可靠的理 |
论基础;最终为绿色建筑的发展提供有力的技术支撑。 |
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参考文献
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