2024年3月26日发(作者：)
。
： 研究
匠 函虱ｉ
既有建筑装配化外套加固成套技术研究与应用
一北京市建筑设计研究院有限公司苗启松李文峰圈东东
、
经过多年的努力，我国大部分建
筑面积超过３０００￣－平方米，涉及工作
和生活的人数约２００万。北京地区建筑
抗震设防烈度为８度，清朝康熙十八年
曾发生了８级特大地震，附近地区如唐
山、邢台、迁安等地区也发生过强震。
这类未加固的既有建筑在破坏地震作用
下将导致难以估量的人员伤亡和经济损
失，对其进行抗震加固已经迫在眉睫。
对既有的抗震能力较低的建筑进
行加固，提高其抗震性能，既可满足抗
震设防要求和新的使用要求，也能取得
筑已具备了很好的抗震能力，但有相
当一部分建筑建设年代较早，由于当
时经济水平的限制及规范的不完善，
存在大量未考虑抗震设防或虽然考虑
了抗震设防但抗震设防目标较低的建
筑。我国在２０世纪７Ｏ年代以前建造的
建筑基本没有考虑抗震设防问题，在
７０年代后建造的许多建筑都不能达到
建筑抗震设计规范的要求。按设计基
准期５０年计算，我国约有几十亿平方
米的建筑物己进入了“中年”或“老
年”服役阶段，受当时社会经济水平
显著的社会效益和经济效益。我国传统
的建筑结构抗震加固技术，主要通过提
高承载力和增加结构变形能力，即延性
来实现。其中，以提高承载力为目标的
抗震加固方法，对于提高结构的抗震性
能、减少地震损伤有很好的效果。典型
做法如增设抗震墙和增设钢支撑框架。
以增加结构延性为目标的抗震加固方
限制，其抗震能力难以抵御６级以上的
破坏性地震。未经抗震设防或抗震设
防标准不足的砌体结构在历次地震中
破坏严重，如１ ９７６年唐山大地震，砖
混建筑倒塌率为７０％～９０％：１ ９９３年
云南普洱地震，多层砖混结构破坏率
达７５％：２００８年汶川地震，多层砖混
结构破坏率达到５０％。２０１ ５年６月，
贵州发生３起砌体房屋倒塌事故，这些
房屋仅在重力荷载作用下就发生了倒
塌，若发生地震，可能会造成更大面
积的房屋倒塌。
北京市于上世纪六七十年代建造
了大量多层砌体结构住宅，很多采用了
北京市建筑设计研究院编制的６４住２、
法，主要集中于对框架梁柱的加固。典
型的做法如粘钢加固法和粘碳纤维加固
法。现行标；隹规范中的常用加固方法一
般需要入户施工，中断建筑功能的使
用，内加固时会减小使用面积，居民需
搬迁，周转困难，资源浪费和环境污染
严重，扰民严重，极易导致居民反对，
政策上难以实施，考虑垃圾消纳环境成
本，拆除重建成本至少是加固成本的１ Ｏ
倍，已难以适应当代经济社会可持续发
展的要求，因而需要着力研究与推广新
型抗震加固方法。新的抗震加固方法需
７３住１、７４住１及７６住１等系列住宅标准
图，在建造时无抗震措施。这些建筑至
今已使用了４０余年 多数未进行过抗震
加固，存在着结构材料老化、整体抗震
性能差、居住舒适度低的问题。据不完
全统计，截至２０１６年底，北京市尚有
１ ９７９年底前建成的、未加固的既有建
要满足尽量不入户施工、不中断建筑使
用功能、高效快速加固、减少资源浪费
和能源消耗、施工周期短和绿色环保等
要求。
装配化外套加固成套技术
“有机更新”理论原是吴良镛院
士提出的城市规划理论，其核心思想是
城市改造应顺应城市原有的肌理，实现
有机秩序。基于“有机更新”理论核心
思想，建筑结构抗震加固技术发展的理
想模式是尽量减小甚至消除加固施工对
建筑功能的中断和影响，在不降低使用
性能的条件下实现抗震性能的提升，就
像有机体的新陈代谢，在发挥正常功
能的同时完成有机体的更新。基于城市
“有机更新理论”的核心思想，分析建
筑结构抗震加固技术发展趋势，建筑结
构“不入户加固”的新型外套结构加固
方法，更能体现出当前经济社会可持续
发展的适用性。外套结构加固就是利用
外套结构与原有结构的协同工作，增强
原结构的整体抗震能力，或改变原结构
的结构体系，进而改善原结构的受力状
态和变形模式，从而提高结构的整体抗
震性能，是一种结构体系的加固方法。
外套结构加固方案分为分离式和整体式
两种：分离式加固方案由于新、旧结构
的质量、刚度的差异，地震中容易引起
相互碰撞，引起房屋破坏甚至倒塌：整
体式加固方案受力模型比较复杂，目前
尚无合理可靠的计算方法，需要结合原
卧室 卧室
１厅
‘］厅
卧室
卧室
卧室
卧室
图１ ７４住１甲单元建筑平面布置图
研
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结构的抗震性能进行专门研究。外套结
构加固方案另一个突出优点是能够和结
构加层联系起来，大规模拆建或新建房
屋，会造成资源的浪费，投入大，速度
慢，故采用加层改造技术是旧房改造的
发展方向之一。对旧房进行外套结构加
层改造既可以增加建筑的使用面积，又
可以改善房屋的使用功能，对缓解城市
建设用地紧张、改善人民居住条件都具
有现实意义。为贯彻《中共中央国务
院关于进一步加强城市规划建设管理工
作的若干意见 等政策和国家生态文明
建设要求，结合中国新型城镇化建设需
求，积极开展预制装配式混凝土结构建
筑产业化关键技术研究，提升建筑产品
品质、提高建造效率效益、减少劳动用
工，实现建筑业资源节省、节能减排、
绿色环保可持续发展目标，具有十分重
要意义。建筑产业化的关键是建筑的工
业化生产和施工，外套结构加固技术可
以将抗震加固和建筑工业化有机结合，
最大限度地实现建筑工业化生产和施
工，节能减排。（图１）
以北京地区上世纪７０年代常用的
７４住１户型抗震加固为例，既有多层砌
体住宅抗震加固工程对加固方法有特殊
的要求，具体表现为
（１）原结构抗震构造和承载力一
般均不满足要求。如图１所示，该类型
住宅纵向抗震承载力一般不满足要求，
在外墙外侧采用板墙加固时，会占用阳
台内的使用面积：该类型住宅横向也经
常不满足抗震要求，如采用常规加固方
法则需要加厚内部墙体。
（２）原建筑户型小、使用面积紧
张，内部加固实施困难。仍以７４住１户
型为例，各户型的建筑面积均为５０平方
米左右，卫生间使用面积不足２ ０平方
米。如在加固时增加墙体厚度，会影响
使用空间、造成户内原有设备管线及装
修的破坏，势必会增加工程造价、延长
工期，引起业主反对而导致实施困难。
（３）施工工期紧张，施工扰民问
题敏感。住宅加固施工过程中，存在
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）既有混凝土结构装配化外套加固
图２装配化外套加固方法示意
大量的噪音、粉尘污染问题，会对住户
结构则包含有配筋率和强度较低的旧混
的日常生活造成很大影响，因此，从避 凝土结构和配筋率和强度较高的新混凝
免扰民角度考虑应尽量缩短施工工期，
土结构，如图２（ｂ）所示，这是一种
另外，现场工期延长还会增加施工措施
体系化的加固方案，改变了传统技术
费、人工费等各种费用，导致工程总造
“头疼医头、脚疼 脚”的加固理念，
价上升；较长的施工工期还会带来施工
通过附加延性、耗能更好的新结构，控
安全性问题。因此，需采用工期短、污
制老结构的变形模式，从整体上改变了
染少的加固方案。
原结构抗震不利的动力特征。
综上所述，传统砌体结构加固方
法需入户施工、需占用户内使用面积，
装配化外套加固相关试验
且工期较长：从工程实施角度而言，存
研究与论证
在较大困难。
为解决上述难题，需研发新的多
整体结构试验和构件试验
层砌体住宅抗震加固方法。从避免内部
以北京市老旧多层砌体住宅为研
加固、减少入户施工、减少对住户影
究对象，开展了一系列试验研究。外贴
响、缩短施工工期的角度出发，提出了
预制墙板加固试验检验了新老结构连接
采用外套预制结构进行砌体住宅加固的 措施的可靠性和在各个变形阶段传力贡
方法（以下简称“外套工业化抗震加固
献率，为设计方法提供依据：既有砌体
方法”），以推动既有多层砌体住宅抗 结构外套加固足尺模型试验（图３）和
震加固的实施。该加固方法的思路如图
既有砌体结构外套加固振动台试验（图
２（ａ）所示，在既有 建筑两侧增设装配
４）检验了新老结构变形协调机理，验
式外套结构，横向和
纵向分别外套和外
证了既有结构非延性破坏向加固结构延
贴预制钢筋混凝土墙
，
外套结构与既有
性破坏模式的转化。其中足尺试验模型
结构紧密结合、共同 工作，在外套结构
在超大震（地震动峰值为０ ４０ｇ）情况
基础底板下设置旋转
钻进预制复合桩，
下，结构横向与纵向最大层间位移角分
调整外套结构与既有 结构之间沉降差。 别为１门６７和１／２３３，可以满足后续使用
加固后的砌体结构属
于由砌体材料与混 年５Ｅ３０年以及“大震不倒”的抗震设防
凝土组成的混合结构 加固后的混凝士
要求
未加固５层砌体模型 （１］）外套装配式加固后模型
图３既有砌体装配化外套加固５层足尺模型试验
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图４既有砌体外套加固（５＋２）１／４
缩尺模型振动台试验
图５单边加固的低配筋率墙体
抗震性能试验
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水平抗剪键Ｉ边臻构件
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以北京“前三门”约４０栋建于
１ ９７６年前后的低配筋剪力墙结构为研
究对象，开展了一系列试验研究。包括
低配筋剪力墙加固抗震性能实验（图
５）加固结构整体１／２缩尺模型拟静力与
拟动力试验（图６）和１／６缩尺模型振动
台试验（图７）。加固结构整体１／２缩尺
模型试验结果表明地震波加速度峰值
模式发展，避免了原结构对抗窟极为不
利的层变形集中模式，大幅度提升了既
有结构的抗倒塌能力。根据加固结构整
体模型纵横墙两个方向裂缝的发展情
况和变形模式，新老结构的变形是协调
的，佃为保证加固后结构存横向的整体
性，需采取顶层拉结、底部｝奇结及摔制
外加横墙最小尺寸的构造措施。
研发新的外套加固结构与老的既
为０．４０ｇ时，结构顶部横向和纵向最大
位移分别为４５ｍｍ：￣１１３１ ｍｍ，位移角分
别为１／２５０￣－Ｂ１／３８Ｏ，满足“大震不倒”
的设防要求。并对低配筋剪力墙加固前
有结构协同工作关键技术，保证了加
固的可靠性。深入研究了基于销镟一植
筋一灌浆组合连接的新老结构之问结合
面连接技术。新的加固材料与１日的既有
结构材料之间的界面在结构受力时，结
合面会出现｝直、压、弯、剪等复杂应
力，特别是受弯或偏压构件，结合面的
后的抗震性能进行了数值模拟和参数分
析；对前三门低配筋剪力墙结构进行了
外套装配化设计研究；基于试验研究、
理论分析和试设计成果提出了低配筋剪
力墙加固设计方法。
在两种加固结构体系内，以弯曲
剪应力较大。新旧材料结合面是一个薄
弱环节，其抗剪强度远远低于整浇结构
材料的抗剪强度，新旧材料能否共同工
作，关键在于结合面剪力能否有效的传
变形为主的附加结构约束以剪切变形为
主的既有结构，使其向弯剪复合型变形
专题研究
面 西酝 雨而
递。因此，开展了采用预制剪力墙墙板
加固砌体外纵墙后的复合墙片的抗震性
能试验（图８、图９），新老结构之间
的连接方式分为“灌浆＋植筋”、“销键
小、障碍物多、绿色环保、施工周期短
等特殊要求，其基础施工难度很大，同
时为配合上部结构装配化加固需求，项
目组提出了一种新型的旋转钻进预制复
＋植筋”、“灌浆＋销键＋植筋”３种，试
验结果表明：灌浆连接方式能较大幅度
提高构件的承载能力及抗侧刚度，并能
合桩。旋转钻进预制复合桩主要由钢
桩、注浆体和灌注体组成（图１ １）。旋
转钻进预制复合桩成桩角度多样化、承
载力相对较高，适用于大部分土体，对
地下水水位无任何要求。项目组根据旋
转钻进预制复合桩桩型的设计和施工要
有效控制墙体裂缝开展，提出的连接技
术可行。开展了新旧混凝土连接节点试
验，试验结果表明：合理的植筋深度与
钢筋直径可以实现与现浇结构钢筋锚固
相当的性能。创造了预制墙片竖向连接
的型钢连接节点形式（图１ Ｏ），传统
求，研制组装了配套专用施工机械样机
（图１ ２）。包括钢桩旋转钻进机车、
后注浆环保车等，能较好的完成钢桩钻
进、后注浆施工等。在北京市房屋建筑
方案采用灌浆套筒、机械套管等方式
连接，难以保证连接质量。本项目上下
层预制混凝土墙片中采用型钢构件进行
抗震节能综合改造工程中，老城区道路
狭窄，施工空间十分狭小，项目提出的
连接，其中，边缘约束构件中的型钢用
于传递弯矩，墙板中间的预埋件传递剪
力，上下层问采用法兰螺栓连接，连接
速度快，且避免后浇区域的复杂的钢筋
工程。试验表明：这种新型连接节点形
方法在施工中充分发挥了本桩型及施工
机械的特点，每根桩施工时间不足３０分
钟，且立即具有一定承载能力，大大缩
短了桩基础的施工周期，对原有建筑干
扰很小。
式具有足够的抗弯和抗剪承载力。
适用于装配化外套加固方
基于旋转钻进预制复合桩的外套
结构沉降控制技术
采用外套结构加固既有建筑结构
时，既有结构的基础沉降变形已经趋于
稳定，但外套结构的基础沉降还未完
成，外套结构与既有结构基础存在沉降
差。由于沉降控制要求高、施工场地窄
、
法的设计软件
开发了适用于装配化外套加固方
法的设计软件Ｆｅｃｉｓ—ＲＭ，为既有建筑
装配化外套加固技术提供了设计工具。
砌体结构与混凝土结构装配化外套抗震
加固计算原理类似，但前者计算更为复
Ｉ■（士 ）
、
， 一…－－－，
图１ ０预制剪力墙型钢连接节点试验 图１１旋转钻进预制复合桩示意图
杂。砌体结构装配化外套抗震加固的设
计过程涉及至少两种结构材料（砌体和
混凝土），另外还需要独特的施工过程
模拟才能得到恒载作用下较；佳确的构件
内力，目前国产软件尚不具备此项功
能，而Ｍｌｄａｓ和ＳＡＰ２ＯＯＯ等通用有限元
软件应用起来过于繁琐，需要手工干预
分析过程，且不能直接得到外套结构的
配筋结果。且包含砌体和混凝土材料双
层剪力墙的计算分析目前也无软件能直
接支持。基于自主核，￡ 的有限元软件，
开发了专用分析设计软件Ｆｅｃｉｓ—ＲＭ（图
１ ３），可完整解决现有软件的应用限
制，满足砌体加固的设计需要（图１４、
图１５）
工程应用及推广
在北京市房屋抗震节能综合改造试
点工程的实践基础上，为指导装配式外
套加固技术的应用，项目组编写了 北京
地区既有建筑外套结构抗震加固技术导
则 多层砌体结构外套装配式钢筋混凝
土墙抗震加固图集》，将相关成果纳入并
主编了 房屋结构综合安全性鉴定标；佳》
ＤＢ１ １／６３７—２０１ ５、北京市地方标准 建筑
抗震加固技术规程 ＤＢ１ １／６８９～２０１ ６等，
对装配式外套结构加固设计方法和构造措
施等进行了详细的规定。
自２０１ １年以来，既有建筑装配化
外套加固成套技术在北京市老旧小区抗
震节能综合改造工程中得到广泛应用，
应用面积达６６万平方米，加固改造涉及
的住户达３万余人。既有建筑装配化外
ｉ
图１ ５墙肢设计内力
套加固技术具有施工周期短和绿色环保
的优势，还可以适当增加既有建筑使用
面积，改善居民居住品质，深受居民欢
迎，大大推动了北京市老旧小区综合改
造工程的实施，解决了大量既有件宅的
安全问题，为保障北京地区既有住宅的
抗震防灾性能做出了重要贡献，并取得
了显著的经济和社会效益。
据有关部门统计，到１９８５年底，
我国拥有城镇房屋面积４６亿平方米，这
些建筑物已进入了“中、老年”服役阶
段，抗震能力不足，是国家抗震减灾工
程中最薄弱的环节。随着经济的发展和
抗震设计技术的进步，我国设防烈度区
划图和抗震规范都进行了改进， 中国
地震动参数区划图 ＧＢ１８３０６—２０１５已
于２０１６年６月１日实施，部分建筑的抗
震设防水；隹得到提高，这导致大量按照
原规范设计的现有建筑抗震性能不能满
足当前的抗震设防要求。将老旧建筑加
固改造与工业化有机结合，可为我国现
存的抗震危房提供一种切实可行目 具有
推广意义的解危方案。
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