抗震、加固与监测技术

9.1 消能减震技术

9.1.1 技术内容

消能减震技术是将结构的某些构件设计成消能构件,或在结构的某些部位装设消能装置。在风或小震作用时,结构具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求;当出现大风或大震作用时,随着结构侧向变形的增大,消能构件或消能装置率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震或风振能量,使主体结构避免出现明显的非弹性状态,且迅速衰减结构的地震或风振反应(位移、速度、加速度等),保护主体结构及构件在强地震或大风中免遭破坏或倒塌,达到减震抗震的目的。

消能部件一般由消能器、连接支撑和其他连接构件等组成。

消能部件中的消能器(又称阻尼器)分为速度相关型如粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼墙、粘弹性阻尼墙;位移相关型如金属屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等和其它类型,如调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼器(TLD)等。

采用消能减震技术的结构体系与传统抗震结构体系相比,具有更高安全性、经济性和技术合理性。

9.1.2 技术指标

建筑结构消能减震设计方案,应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术和经济可行性的对比分析后确定。采用消能减震技术结构体系的设计、施工、验收和维护应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011和《建筑消能建筑技术规程》JGJ 297进行,设计安装做法可参考国家建筑标准设计图集《建筑结构消能减震(振)设计》09SG610-2,其产品应符合现行行业标准《建筑消能阻尼器》JG/T 209的规定。

9.1.3 适用范围

消能减震技术主要应用于多高层建筑,高耸塔架,大跨度桥梁,柔性管道、管线(生命线工程),既有建筑的抗震(或抗风)性能的改善,文物建筑及有纪念意义的建(构)筑物的保护等。

9.1.4 工程案例

江苏省宿迁市建设大厦、北京威盛大厦等新建工程,以及北京火车站、北京展览馆、西安长乐苑招商局广场4号楼等加固改造工程。

9.2 建筑隔震技术

9.2.1 技术内容

基础隔震系统是通过在基础和上部结构之间,设置一个专门的隔震支座和耗能元件(如铅阻尼器、油阻尼器、钢棒阻尼器、粘弹性阻尼器和滑板支座等),形成刚度很低的柔性底层,称为隔震层。通过隔震层的隔震和耗能元件,使基础和上部结构断开,将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构三部分,延长上部结构的基本周期,从而避开地震的主频带范围,使上部结构与水平地面运动在相当程度上解除了耦连关系,同时利用隔震层的高阻尼特性,消耗输入地震动的能量,使传递到隔震结构上的地震作用进一步减小,提高隔震建筑的安全性。目前除基础隔震外,人们对层间隔震的研究和应用也越来越多。

隔震技术已经系统化、实用化,它包括摩擦滑移系统、叠层橡胶支座系统、摩擦摆系统等,其中目前工程界最常用的是叠层橡胶支座隔震系统。这种隔震系统,性能稳定可靠,采用专门的叠层橡胶支座作为隔震元件,是由一层层的薄钢板和橡胶相互叠置,经过专门的硫化工艺粘合而成,其结构、配方、工艺需要特殊的设计,属于一种橡胶厚制品。目前常用的橡胶隔震支座有天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

9.2.2 技术指标

采用隔震技术后的上部结构地震作用一般可减小3~6倍,地震时建筑物上部结构的反应以第一振型为主,类似于刚体平动。其地震反应很小,结构构件和内部设备都不会发生破坏或丧失正常的使用功能,在内部工作和生活的人员不仅不会遭受伤害,也不会感受到强烈的摇晃,强震发生后人员无需疏散,房屋无需修理或仅需一般修理,从而保证建筑物的安全甚至避免非结构构件如设备、装修破坏等次生灾害的发生。

建筑隔震设计方案,应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后确定。采用隔震技术结构体系的计算分析应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011进行,设计安装做法可参考国家建筑标准设计图集《建筑结构隔震构造详图》03SG610-1,其产品应符合现行行业标准《建筑隔震橡胶支座》JG 118的规定。

9.2.3 适用范围

建筑隔震技术一般应用于重要的建筑,一般指甲、乙类等特别重要的建筑;也可应用于有特殊性使用要求的建筑,传统抗震技术难以达到抗震要求的或有更高抗震要求的某些建筑,也可用于抗震性能不满足要求的既有建筑的加固改造,文物建筑及有纪念意义的建(构)筑物的保护等。

9.2.4 工程案例

北京三里河七部委联合办公楼、北京地铁复八线、福建省防震减灾中心大楼、昆明新机场等。

9.3 结构构件加固技术

9.3.1 技术内容

结构构件加固技术常用的有钢绞线网片聚合物砂浆加固技术和外包钢加固技术。

钢绞线网片聚合物砂浆加固技术是在被加固构件进行界面处理后,将钢绞线网片敷设于被加固构件的受拉部位,再在其上涂抹聚合物砂浆。其中钢绞线是受力的主体,在加固后的结构中发挥其高于普通钢筋的抗拉强度;聚合物砂浆有良好的渗透性、对氯化物和一般化工品的阻抗性好,粘结强度和密实程度高,一方面可起保护钢绞线网片的作用,另一方面将其粘结在原结构上形成整体,使钢绞线网片与原结构构件变形协调、共同工作,以有效提高其承载能力和刚度。

外包钢加固法是在钢筋混凝土梁、柱四周包型钢的一种加固方法,可分为干式和湿式两种。湿式外包钢加固法,是在外包型钢与构件之间采用改性环氧树脂化学灌浆等方法进行粘结,以使型钢与原构件能整体共同工作。干式外包钢加固法的型钢与原构件之间无粘结(有时填以水泥砂浆),不传递结合面剪力,与湿式相比,干式外包钢法施工更方便,但承载力的提高不如湿式外包钢法有效。

9.3.2 技术指标

钢绞线网片聚合物砂浆加固的材料和设计计算及施工应符合行业标准《钢绞线网片聚合物砂浆加固加固技术规程》JGJ 337的要求;外包钢加固的设计计算和胶粘剂的要求应符合国家现行标准《混凝土结构加固设计规范》GB 50367和行业标准《建筑抗震加固技术规程》JGJ 116的规定,关于钢材、焊缝设计及其施工的要求应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定。

9.3.3 适用范围

钢绞线网片聚合物砂浆加固技术适用于砌体结构砖墙、钢筋混凝土结构梁、板、柱和节点的加固。外包钢加固技术适用于需要提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土梁、柱结构的加固。

9.3.4 工程案例

钢绞线网片聚合物砂浆与外包钢加固技术已在北京火车站、北京工人体育场、北京工人体育馆、中国国家博物馆、厦门郑成功纪念馆、厦门特区纪念馆等加固改造工程中应用。

9.4 建筑移位技术

9.4.1 技术内容

建筑物移位技术是指在保持房屋建筑与结构整体性和可用性不变的前提下,将其从原址移到新址的既有建筑保护技术。建筑物移位具有技术要求高、工程风险大的特点。建筑物移位包括以下技术环节:新址基础施工、移位基础与轨道布设、结构托换与安装行走机构、牵引设备与系统控制、建筑物移位施工、新址基础上就位连接。其中结构托换是指对整体结构或部分结构进行合理改造,改变荷载传力路径的工程技术,通过结构托换将上部结构与基础分离,为安装行走机构创造条件;移位轨道及牵引系统控制是指移位过程中轨道设计及牵引系统的实施,通过液压系统施加动力后驱动结构在移位轨道上行走;就位连接是指建筑物移到指定位置后原建筑与新基础连接成为整体,其中可靠的连接处理是保证建筑物在新址基础上结构安全的重要环节。

9.4.2 技术指标

采用建筑移位技术的结构设计可依据国家现行行业标准《建(构)筑物移位工程技术规程》JGJ/T 239及《建筑物移位纠倾增层改造技术规范》CECS225进行,变形监测做法可按现行行业标准《建筑变形测量规范》JGJ8执行。

9.4.3 适用范围

适用于具有使用价值或保留价值或历史价值的既有建(构)物的整体移位,对于这些既有建(构)物因规划调整、小区平面布置改变等原因,需整体从原址移位到附近新址,其移位方式包括平移、旋转及局部顶升。可考虑进行移位的建(构)筑物为:一般工业与民用建筑,其层数为多层,其结构形式可包括砌体结构、钢筋混凝土结构、砖木结构、钢结构等;其他构筑物;古建筑、历史建筑与特殊建筑。

9.4.4 工程案例

厦门市人民检察院综合楼6层钢筋混凝土框架结构平移工程、泉州佳丽彩印厂专家楼平移工程、北京英国大使馆(国家一级文物)整体平移工程、济南宏济堂历史建筑整体移位工程等。

9.5 结构无损性拆除技术

9.5.1 技术内容

无损性拆除技术主要包括金刚石无损钻切技术和水力破除技术,这两种技术对结构产生的扰动小,对保留结构基本无冲击,不损坏保留结构的性能状态,同时它具有低噪声、轻污染、效率高的特点。主要用于既有建(构)物结构改造时部分结构与构件的无损性拆除。

(1)金刚石无损钻切技术

利用金刚石工具包括金刚石绳锯、金刚石圆盘锯、金刚石薄壁钻等,通过其对既有混凝土结构构件进行锯切、切削与钻孔形成切割面,将结构需切割拆除的部分与保留的结构分离,满足保留既有混凝土结构的受力性能和使用寿命的技术要求。

(2)水力破除技术

水力破除技术是采用高速水射流来破除混凝土的静力铣刨技术。混凝土是多孔材料且抗拉强度相对较低,高速水射流穿透混凝土孔隙时产生内压,当内压超过混凝土的抗拉强度时,混凝土即被破除,而水流对钢筋没有影响,故钢筋可以原样保留。

9.5.2 技术指标

(1)金刚石无损钻切技术

1)金刚石绳锯:

绳索的变向是通过导向轮的组合安装来实现的,施工过程中导向轮的安装与主动驱动轮中的位置关系应巧妙的设计,以满足切割要求。

绳索切割线速度不低于18m/s。

金刚石绳索的质量标准应满足切割过程中最大张拉强度的要求。

2)金刚石圆盘锯 :

切割锯片与切割深度的关系见表9.1。

表9.1 切割锯片与切割深度关系表

锯片直径/mm 400 600 700 1200
切割深度/mm 150 250 300 500

切割锯的轨道安装偏差控制在3mm以内,锯片固定完成后检查调整锯片与切割面的垂直度,平行于墙体切割楼板时,距离墙边最小切割距离为30mm。

3)金刚石薄壁钻:

采用十字画线法确定钻孔中心,孔位偏差不超过3mm。

利用连续钻孔进行切割时,钻孔采用Φ89mm或Φ108mm孔径施工,1m长度方向上布置钻孔数为11~13个。切割直线偏差小于20mm。

(2)水力破除技术

水力破除技术参数主要为压力、流量、冲程;如压力大、流量小则施工效率会大大降低,压力小、流量大则无法破除混凝土,冲程大则破除深度大,冲程小则破除深度小,三者有着密不可分,应针对不同标号强度、级配的混凝土参数的进行设定。具体参数详见表9.2。

表9.2水力破除技术参数表

破除形式 压力/MPa 流量/(L/min)
机器人形式 180~220 180~220
手持式形式 220~260 20~26

9.5.3 适用范围

适用于各类既有钢筋混凝土结构建筑的局部结构拆改及有保留结构要求的工程施工。

9.5.4 工程案例

北京三元桥(跨京顺路)桥梁快速大修工程、京港澳高速公路石安段支漳河特大桥改扩建工程、北京牡丹园公寓2号楼拆除工程等。

9.6 深基坑施工监测技术

9.6.1 技术内容

基坑工程监测是指通过对基坑控制参数进行一定期间内的量值及变化进行监测,并根据监测数据评估判断或预测基坑安全状态,为安全控制措施提供技术依据。

监测内容一般包括支护结构的内力和位移、基坑底部及周边土体的位移、周边建筑物的位移、周边管线和设施的位移及地下水状况等。

监测系统一般包括传感器、数据采集传输系统、数据库、状态分析评估与预测软件等。

通过在工程支护(围护)结构上布设位移监测点,进行定期或实时监测,根据变形值判定是否需要采取相应措施,消除影响,避免进一步变形发生的危险。监测方法可分为基准线法和坐标法。

在水平位移监测点旁布设围护结构的沉降监测点,布点要求间隔15~25m布设一个监测点,利用高程监测的方法对围护结构顶部进行沉降监测。

基坑围护结构沿垂直方向水平位移的监测,用测斜仪由下至上测量预先埋设在墙体内测斜管的变形情况,以了解基坑开挖施工过程中基坑支护结构在各个深度上的水平位移情况,用以了解和推算围护体变形。

临近建筑物沉降监测,利用高程监测的方法来了解临近建筑物的沉降,从而了解其是否会引起不均匀沉降。

在施工现场沉降影响范围之外,布设3个基准点为该工程临近建筑物沉降监测的基准点。临近建筑物沉降监测的监测方法、使用仪器、监测精度同建筑物主体沉降监测。

9.6.2 技术指标

(1)变形报警值。水平位移报警值,按一级安全等级考虑,最大水平位移≤0.14%H;按二级安全等级考虑,最大水平位移≤0.3%H

(2)地面沉降量报警值。按一级安全等级考虑,最大沉降量≤0.1%H;按二级安全等级考虑,最大沉降量≤0.2%H

(3)监测报警指标一般以总变化量和变化速率两个量控制,累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限值。若有监测项目的数据超过报警指标,应从累计变化量与日变量两方面考虑。

9.6.3 适用范围

用于深基坑钻、挖孔灌注桩、地连墙、重力坝等围(支)护结构的变形监测。

9.6.4 工程案例

深圳中航广场工程、上海万达商业中心等。

9.7 大型复杂结构施工安全性监测技术

9.7.1 技术内容

大型复杂结构是指大跨度钢结构、大跨度混凝土结构、索膜结构、超限复杂结构、施工质量控制要求高且有重要影响的结构、桥梁结构等,以及采用滑移、转体、顶升、提升等特殊施工过程的结构。

大型复杂结构施工安全性监测以控制结构在施工期间的安全为主要目的,重点技术是通过检测结构安全控制参数在一定期间内的量值及变化,并根据监测数据评估或预判结构安全状态,必要时采取相应控制措施以保证结构安全。监测参数一般包括变形、应力应变、荷载、温度和结构动态参数等。

监测系统包括传感器、数据采集传输系统、数据库、状态分析评估与显示软件等。

9.7.2 技术指标

监测技术指标主要包括传感器及数据采集传输系统测试稳定性和精度,其稳定性指标一般为监测期间内最大漂移小于工程允许的范围,测试精度一般满足结构状态值的5%以内。监测点布置与数量满足工程监测的需要,并满足《建筑与桥梁结构监测技术规范》GB50982等国家现行监测、测量等规范标准要求。

9.7.3 适用范围

大跨度钢结构、大跨度混凝土结构、索膜结构、超限复杂结构、施工质量控制要求高且有重要影响的建筑结构和桥梁结构等,包含有滑移、转体、顶升、提升等特殊施工过程的结构。

9.7.4 工程案例

武汉绿地中心、上海中心、深圳平安金融中心、天津津塔、上海东方明珠塔、广州电视塔等超高层与高耸结构、国家体育场钢结构、五棵松体育馆钢结构、国家大剧院钢结构、深圳会展中心钢结构、昆明新机场、上海大剧院、2010年上海世博会世博轴钢结构与索膜结构、中国航海博物馆结构;大同大剧院钢筋混凝土薄壳结构等大跨空间结构,CCTV新台址异形结构;大同美术馆三角锥钢结构顶推滑移工程,贵州盘县大桥顶推工程,中航技研发中心顶升工程等。

9.8 爆破工程监测技术

9.8.1 技术内容

在爆破作业中爆破振动对基础、建筑物自身、周边环境物均会造成一定的影响,无论从工程施工的角度还是环境安全的需要,均要对爆破作业提出控制,将爆破引发的各类效应列为控制和监测爆破影响的重要项目。

爆破监测的主要项目主要包括:(1)爆破质点振动速度;(2)爆破动应变;(3)爆破孔隙动水压力;(4)爆破水击波、动水压力及涌浪;(5)爆破有害气体、空气冲击波及噪声;(6)爆破前周边建筑物的检测与评估;(7)爆破中周边建筑物振动加速度、倾斜及裂缝。

振动速度加速度传感器、应变计、渗压计、水击波传感器、脉动压力传感器、倾斜计、裂缝计等分别与各类数据采集分析装置组成监测系统;对有害气体的分析可采用有毒气体检测仪;空气冲击波及噪声监测可采用专用的爆破噪声测试系统或声级计。

9.8.2技术指标

爆破监测在具体实施中应符合国家现行标准《爆破安全规程》GB6722、《作业场所空气中粉尘测定方法》GB5748、《水电水利工程爆破安全监测规程》DL/T5333。

9.8.3 适用范围

适用于市政工程、海港码头、铁路、公路、水利水电工程中的岩石类爆破。

9.8.4 工程案例

三峡水利枢纽三期上游围堰拆除工程、小浪底水利枢纽的左右岸开挖工程、秦山核电站大型基坑开挖爆破、重庆轻轨三号线江北机场站工程、南水北调丹江口水库加高工程、西北热力穿山隧道爆破施工。

9.9 受周边施工影响的建(构)筑物检测、监测技术

9.9.1 技术内容

周边施工指在既有建(构)筑物下部或临近区域进行深基坑开挖降水、地铁穿越、地下顶管、综合管廊等的施工,这些施工易引发周边建(构)筑物的不均匀沉降、变形及开裂等,致使结构或既有线路出现开裂、不均匀沉降、倾斜甚至坍塌等事故,因此有必要对受施工影响的周边建(构)筑物进行检测与风险评估,并对其进行施工期间的监测,严格控制其沉降、位移、应力、变形、开裂等各项指标。

各类穿越既有线路或穿越既有建(构)筑物的工程,施工前应按施工工艺及步骤进行数值模拟,分析地表及上部结构变形与内力,并结合计算结果调整和设定施工监控指标。

9.9.2 技术指标

检测主要是对既有结构的现状、结构性态进行检测与调查,记录结构外观缺陷与损伤、裂缝、差异沉降、倾斜等作为施工前结构初始值,并对结构进行承载力评定及预变形分析。结构承载力评定应包含较大差异沉降、倾斜或缺陷的作用;监测及预警主要为受影响的建(构)筑物结构内部变形及应力,倾斜与不均匀沉降,典型裂缝的宽度与开展,其他典型缺陷等。

9.9.3 适用范围

周边施工包含深基坑施工、地铁穿越施工、地下顶管施工、综合管廊施工等。

9.9.4 工程案例

天津老城厢深基坑开挖对周边居民楼影响监测,天津地下管廊顶管施工对周边居民楼影响监测,北京地铁10号线穿越施工过程检测监测,合肥地铁3号线穿越施工对上部建筑影响检测监测与评估。

9.10 隧道安全监测技术

9.10.1 技术内容

对隧道衬砌结构变形监测,根据监测数据判定隧道的安全性,实现隧道安全监测。

监测系统应包括监测断面测点棱镜、自动全站仪、通讯装置、控制计算机以及数据中心服务器,采用实时在线控制方式,可实现数据的受控采集和实时分析,同时实现监测数据和报警信息的实时发布。

系统实施具体要求如下:

(1)在隧道衬砌结构表面设置监测断面,监测断面应设置在变形影响区内,监测断面间距一般5~15m,特殊地质地段和重要构筑物附近的断面应适当加密;

(2)每个监测断面设置监测棱镜若干,一般要在拱顶、拱腰、拱脚等部位设置监测点;

(3)在监测区域外的稳定区布置基准断面,可以在监测区外布置2个基准断面,每断面设置棱镜2~5个,两基准断面之间棱镜组成基线,采用自动全站仪进行基于基线的变形测量;

(4)自动全站仪应尽量设置在两个基准断面之间,同时要避让最大变形区域,减少监测过程中具有有限角度补偿的自动全站仪的人工纠偏工作量;

(5)监测报警阈值根据现场实际情况计算设置,同时符合相关规范。

9.10.2 技术指标

监测实施过程应符合现行国家标准《工程测量规范》GB50026、《城市轨道交通工程测量规范》GB50308等。

9.10.3 适用范围

施工和运营中的隧道安全监测。

9.10.4 工程案例

深圳地铁9号线,深圳地铁9号线西延线等。

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