大跨體育場(chǎng)館的抗震鑒定、加固研究與實(shí)踐

2019-11-12 05:28:18張勝

城市與減災(zāi) 2019年5期

張勝

引言

地震、颶風(fēng)和海嘯是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其中地震造成的危害最為嚴(yán)重。地震帶來(lái)最直接的嚴(yán)重后果是房屋倒塌，人員傷亡以及相關(guān)的直接經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)的抗震事業(yè)近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)步，新建建筑均考慮了抗震設(shè)防，但是仍然有一部分建筑由于建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)，在建造時(shí)未考慮抗震設(shè)防，或雖考慮抗震設(shè)防但是抗震等級(jí)較低。同時(shí)，大型體育場(chǎng)館作為城市或地區(qū)的大型公共場(chǎng)館，在發(fā)生較大災(zāi)害時(shí)能夠成為應(yīng)急避難場(chǎng)所。如綿陽(yáng)九洲體育館（圖1）由于具有科學(xué)合理的抗震性能設(shè)計(jì)及高質(zhì)量的建設(shè)，在2008年5月12日汶川大地震中安然無(wú)恙，直到地震臨時(shí)用房建成之前，九洲體育館一直作為最大的抗震指揮和災(zāi)民安置中心，為抗震救災(zāi)做出了巨大的貢獻(xiàn)。因此，有必要對(duì)未考慮抗震設(shè)防或雖考慮抗震設(shè)防但是不滿(mǎn)足抗震設(shè)防要求的體育場(chǎng)館進(jìn)行抗震性能鑒定，并進(jìn)行加固處理，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，減輕地震破壞，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

大跨度體育場(chǎng)館的抗震性能鑒定

（一）需要進(jìn)行抗震鑒定的情況

《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009）明確規(guī)定，下列情況下，現(xiàn)有建筑應(yīng)進(jìn)行抗震鑒定：

1.接近或超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限需要繼續(xù)使用的建筑。

2.原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防或抗震設(shè)防要求提高的建筑。

圖1 災(zāi)后的綿陽(yáng)九洲體育館

3.需要改變結(jié)構(gòu)的用途和使用環(huán)境的建筑。

4.其他有必要進(jìn)行抗震鑒定的建筑。

在實(shí)際工作過(guò)程中上述情況經(jīng)常遇見(jiàn)，例如工人體育館始建于1959年，1961年竣工，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋采用輪輻式懸索結(jié)構(gòu)，為了滿(mǎn)足2008年奧運(yùn)會(huì)的比賽要求，在2005年對(duì)其進(jìn)行了抗震性能鑒定，并進(jìn)行了整體加固；首都體育館于1968年竣工使用，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)為平板型雙向空間鋼網(wǎng)架，同樣為了滿(mǎn)足2008年奧運(yùn)會(huì)的比賽要求，也進(jìn)行了抗震性能鑒定和整體加固；青島國(guó)信體育中心體育場(chǎng)建成于1998年，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為混凝土框架結(jié)構(gòu)，看臺(tái)上罩棚采用新型的整體張拉式索膜結(jié)構(gòu)，為了提升體育場(chǎng)的使用功能，滿(mǎn)足亞足聯(lián)和國(guó)際足聯(lián)對(duì)足球比賽場(chǎng)地的要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體改造，也對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體抗震性能鑒定。

（二）結(jié)構(gòu)檢測(cè)及抗震性能鑒定

1.現(xiàn)場(chǎng)踏勘

現(xiàn)場(chǎng)踏勘是開(kāi)展結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作的先決條件。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，可以了解建筑的現(xiàn)場(chǎng)狀況、使用環(huán)境以及建筑場(chǎng)地類(lèi)別等，此外在現(xiàn)場(chǎng)踏勘過(guò)程中查閱圖紙資料可以獲取建筑物最基本的建造信息，如設(shè)計(jì)施工單位、建造年代、抗震設(shè)防類(lèi)別以及使用過(guò)程中的功能改變或結(jié)構(gòu)改造等。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘一般需要對(duì)建筑整體進(jìn)行宏觀檢查，查看地基基礎(chǔ)和建筑物周邊場(chǎng)地現(xiàn)狀；宏觀檢查建筑不均勻沉降或傾斜現(xiàn)象；檢查混凝土構(gòu)件的表面裂縫和鋼筋銹蝕；檢查鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的銹蝕和變形；檢查膜結(jié)構(gòu)的變形和破損等。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，并依據(jù)相關(guān)的規(guī)范和規(guī)程，制訂詳細(xì)的檢測(cè)鑒定方案，從而在檢測(cè)過(guò)程中做到有的放矢。

2.現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要是針對(duì)主體結(jié)構(gòu)的體系布置、混凝土強(qiáng)度、鋼筋配置、構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)件的變形、鋼筋銹蝕、鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、鋼索內(nèi)力以及抗震構(gòu)造措施等內(nèi)容。為了保證不對(duì)原結(jié)構(gòu)造成損傷，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)基本采用無(wú)損檢測(cè)方法，局部對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行鉆芯或剔鑿鋼筋，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷可以忽略。

主體結(jié)構(gòu)的體系布置主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)圖紙資料進(jìn)行檢查。由于一些體育場(chǎng)館建造年代比較久遠(yuǎn)或使用過(guò)程中進(jìn)行了改造，圖紙資料不全或缺少竣工圖紙，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和圖紙資料可能會(huì)出現(xiàn)差別，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，并對(duì)周邊構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量應(yīng)適當(dāng)增加。

混凝土強(qiáng)度一般采用回彈法進(jìn)行檢測(cè)，并鉆取一定數(shù)量的芯樣對(duì)回彈值進(jìn)行修正。鋼筋配置檢測(cè)一般采用電磁感應(yīng)法，并局部剔鑿驗(yàn)證鋼筋直徑。其他常規(guī)檢測(cè)基本不會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成損害。

由于多數(shù)大跨體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性測(cè)試能夠更加全面地分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可靠性。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試一般采用環(huán)境激勵(lì)測(cè)試結(jié)構(gòu)的各階振型及其對(duì)應(yīng)的頻率，也可以采用人工激勵(lì)的方式進(jìn)行測(cè)試，例如首都體育館在檢測(cè)過(guò)程中就對(duì)有代表性的一榀框架的水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，激勵(lì)方式為環(huán)境激勵(lì)；青島國(guó)信體育中心體育場(chǎng)采用慣性式激振器進(jìn)行激勵(lì)。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)多數(shù)建筑處于正常使用狀態(tài)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的許多附屬物如填充墻、管道設(shè)備以及上部屋蓋等均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定影響，在測(cè)試過(guò)程中盡量選取附屬物較少的區(qū)域。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是大跨體育場(chǎng)館廣泛采用的屋蓋形式，鋼索是鋼結(jié)構(gòu)屋蓋中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在荷載長(zhǎng)期作用下，由于材料蠕變效應(yīng)，拉索將產(chǎn)生松弛，拉索應(yīng)力發(fā)生變化。因此，應(yīng)對(duì)屋蓋中的鋼拉索構(gòu)件進(jìn)行索力檢測(cè)。目前常用的索力測(cè)量方法有壓力表測(cè)定法、壓力傳感器法、頻率測(cè)試法、面外變形推算法、應(yīng)變測(cè)試法和磁通量法等，其中壓力表測(cè)定法、壓力傳感器法一般在施工過(guò)程中應(yīng)用較多，磁通量法要求在張拉之前安裝磁通量傳感器，不適合既有在役拉索的檢測(cè)，目前對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中鋼拉索的檢測(cè)一般采用頻率測(cè)試法和面外變形推算法，例如工人體育館和青島國(guó)信體育中心體育場(chǎng)均采用頻率測(cè)試法進(jìn)行索力測(cè)試。

抗震構(gòu)造措施檢測(cè)主要是對(duì)縱向鋼筋的錨固長(zhǎng)度、配筋率、箍筋間距、箍筋直徑、填充墻拉接鋼筋、柱軸壓比等內(nèi)容進(jìn)行檢查核對(duì)。

3.結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定

結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定要根據(jù)建筑的后續(xù)使用年限采用相應(yīng)的抗震鑒定方法，后續(xù)使用年限30年的建筑（A類(lèi)建筑）應(yīng)進(jìn)行綜合抗震能力兩級(jí)鑒定；后續(xù)使用年限40年的建筑（B類(lèi)建筑）應(yīng)進(jìn)行抗震措施鑒定和抗震承載力驗(yàn)算，對(duì)于后續(xù)使用年限為40年的重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)框架結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行變形驗(yàn)算。在抗震承載力驗(yàn)算過(guò)程中要根據(jù)抗震構(gòu)造措施的符合程度和部位計(jì)入構(gòu)造的影響。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223）相關(guān)規(guī)定，大型、觀眾席容量很多的中型體育場(chǎng)和體育館（含游泳館），抗震設(shè)防類(lèi)別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，因此對(duì)于多數(shù)后續(xù)使用年限40年的大跨體育場(chǎng)館均需要進(jìn)行變形驗(yàn)算。

大跨度體育場(chǎng)館抗震加固

（一）國(guó)外體育場(chǎng)館加固

在防震減災(zāi)方面，日本政府將學(xué)校建筑與避難場(chǎng)所相結(jié)合，其中公立學(xué)校約90%有避難場(chǎng)所功能。

1995年阪神大地震后，日本推出“校舍補(bǔ)強(qiáng)計(jì)劃”，對(duì)中小學(xué)校舍及體育館等進(jìn)行了大規(guī)模的抗震加固。抗震加固的主要特點(diǎn)是從整體抗震性能出發(fā)，找出最薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)抗震加固。例如采用增加斜向鋼支撐、屋蓋水平拉結(jié)措施來(lái)增加建筑物強(qiáng)度，采用柱子外包鋼或增大截面等來(lái)控制構(gòu)件變形。

美國(guó)夏威夷的Aloha體育館建于20世紀(jì)70年代，按照1970年UBC（Uniform Building Code）規(guī)范設(shè)計(jì)，不滿(mǎn)足2006 IBC（International Building Code）規(guī)范抗震和抗風(fēng)的要求。節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，部分油漆脫落。主要抗震加固措施為將體育館外墻的填充墻改為鋼板剪力墻以增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，并在與墻相連接的徑向鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)上增加梁腋板以提高節(jié)點(diǎn)的抗震能力，保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

（二）我國(guó)體育場(chǎng)館加固

新中國(guó)成立前的我國(guó)體育建筑主要為砌體結(jié)構(gòu)，規(guī)模較小，承重形式單一，未考慮抗震設(shè)防。新中國(guó)成立后主要為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主體與鋼結(jié)構(gòu)屋架相結(jié)合。20世紀(jì)80年代以前的建筑物多未考慮抗震設(shè)防，構(gòu)件的配筋以及節(jié)點(diǎn)連接難以滿(mǎn)足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。在既有大跨體育建筑的抗震加固中，有以下兩種主要的加固方式：

1.增加結(jié)構(gòu)的抗震承載力

對(duì)于設(shè)防烈度較低的地區(qū)，抗震加固主要表現(xiàn)在抗震構(gòu)造措施的加固。例如武漢體育館建造于20世紀(jì)50年代，原設(shè)計(jì)為混合結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)低，原主體結(jié)構(gòu)損壞明顯?？拐鸺庸谈脑熘?，采用了鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固墻體、外包鋼加固混凝土梁和碳纖維布加固混凝土樓板等措施，提高了整體建筑的抗震承載力。

對(duì)于抗震設(shè)防烈度大于7度的地區(qū)，往往采用綜合加固方法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。比如首都體育館除去增設(shè)阻尼器外，還通過(guò)增加剪力墻改變?cè)Y(jié)構(gòu)的傳力路徑，形成多道抗震防線(xiàn)。

2.減少結(jié)構(gòu)的地震作用

由于大跨度體育場(chǎng)館的屋蓋通常采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在形成體系后不宜進(jìn)行焊接，所以對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的難度較大，成本也較高，通過(guò)增設(shè)隔震、減震裝置，或者設(shè)置新的耗能減震裝置，減少地震作用對(duì)原結(jié)構(gòu)的地震作用，同時(shí)不加固屋蓋結(jié)構(gòu)就能滿(mǎn)足整體抗震要求。耗能減震是既有大跨度體育館建筑抗震加固的新思路。

五臺(tái)山體育館在框架部分增設(shè)黏滯阻尼器與耗能支撐來(lái)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，頂點(diǎn)位移和層間位移得到有效控制。同原結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移平均降幅為54%，層間位移平均降幅達(dá)69%，極大彌補(bǔ)了原結(jié)構(gòu)延性較差的不足。

奧林匹克中心體育場(chǎng)建于1989年，進(jìn)行抗震加固時(shí)根據(jù)建筑功能的要求，對(duì)稱(chēng)地在一、二層框架部分每層的12個(gè)位置設(shè)置了消能裝置。設(shè)置黏滯阻尼器后，框架結(jié)構(gòu)地震剪力平均減少了20%～25%。

大跨度體育場(chǎng)館抗震加固實(shí)踐

2003年北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的課題“奧運(yùn)場(chǎng)館加固、改造關(guān)鍵技術(shù)研究”針對(duì)北京現(xiàn)有體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，在原設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，借鑒減震的主動(dòng)防災(zāi)技術(shù)，形成了有效的加固技術(shù)，在北京工人體育場(chǎng)、首都體育館、奧體中心等場(chǎng)館的改造工程中得到應(yīng)用，取得良好的效果。

原建筑始建于1989年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)我國(guó)74～78的老規(guī)范。為了滿(mǎn)足奧運(yùn)會(huì)新的功能使用要求，體育場(chǎng)的改擴(kuò)建工作量很大，整體結(jié)構(gòu)的造型也同時(shí)發(fā)生了很大的變化。東西看臺(tái)基本保留原三層混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，在C～D軸之間原結(jié)構(gòu)二層增加了鋼結(jié)構(gòu)樓座看臺(tái)及四層鋼結(jié)構(gòu)房屋，拆除原看臺(tái)網(wǎng)架罩棚，新建了外挑約23～38米的型鋼-拉索鋼罩棚（圖2）。整體結(jié)構(gòu)高度由原25.8m增至38.9m。南北看臺(tái)僅保留原外圈柱及部分梁、板，大部分均為新建結(jié)構(gòu)，拆除原池座看臺(tái)，加寬了看臺(tái)寬度，整體結(jié)構(gòu)高度增加至13.8m。為解決新建樓座看臺(tái)觀眾疏散需要，于體育場(chǎng)角部新建了四個(gè)獨(dú)立的圓形坡道。改造前后照片見(jiàn)圖3、圖4。

對(duì)東西看臺(tái)采用多種模型計(jì)算對(duì)比分析，由于豎向荷載的增加及水平地震力的作用，幾乎80%的原混凝土柱均受力鋼筋配筋不足，需采用粘鋼或增大截面植筋的方法進(jìn)行加固。為了減小整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，降低原混凝土結(jié)構(gòu)的加固量，采用了加裝12個(gè)耗能支撐的加固方案，在普通的“人”字支撐系統(tǒng)中增設(shè)黏滯阻尼器（圖5、圖6）。結(jié)構(gòu)下部變?yōu)殡p重抗側(cè)力體系，這種新型加固方法可以有效地降低整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，減小構(gòu)件由地震產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，從而使原混凝土結(jié)構(gòu)的改造加固量降低，而且也降低了新增鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形，結(jié)構(gòu)整體側(cè)移剛度增強(qiáng)，使整體結(jié)構(gòu)的地震安全性有顯著提高，是一種較為經(jīng)濟(jì)、有效的新型加固手段。