既有建筑結構加固改造與性能提升現狀與發展

肖從真 李建輝 馬天怡 魏 越 巫振弘 喬保娟

既有建筑結構加固改造與性能提升現狀與發展

肖從真 李建輝 馬天怡 魏 越 巫振弘 喬保娟

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

我國城市發展已經從增量規劃轉向存量規劃，以高質量發展為目標的既有建筑結構加固改造與性能提升將成為當前甚至相當長時期內建筑領域的主要工作。文章介紹了既有建筑結構從加固改造到性能提升的發展歷程，從安全性和抗震性能鑒定、加固改造與性能提升技術、韌性評價三個方面系統闡述了國內外關于既有建筑結構改造的最新研究成果，并指出了既有建筑結構安全性和抗震性能鑒定中存在的技術問題。最后，對未來既有建筑結構加固改造與性能提升未來發展方向做出了展望。

既有建筑；加固改造；性能提升；鑒定；韌性評價；技術問題；展望

0 引 言

黨的十八大以來，國家的新型城鎮化建設取得重大歷史成就，城鎮化水平和質量大幅提升，城鎮發展邁上新的歷史性臺階。2022年，我國城鎮化率已達到65.22%，從國際經驗上看，城鎮化率在接近或者超過70%時，城鎮化速率將明顯放緩，城鎮化發展模式將從“高速發展”轉向“高質量發展”[1]。當前，城鎮化發展面臨的問題挑戰和機遇動力并存，城鎮的生態質量、安全韌性、治理能力等方面，仍存在較大的提升空間。2023年，全國住房和城鄉建設工作會議提出，我國將以實施城市更新行動為抓手，著力打造宜居、韌性、智慧城市[2]。我國城市發展已經進入城市更新的重要時期，由大規模增量建設轉為存量提質改造和增量結構調整并重的階段。推動高質量發展，以既有建筑改造為主要內容的城市更新逐漸成為我國基本建設的主旋律。

截至2022年底，我國既有建筑面積接近700億m2。不同于新建建筑，既有建筑改造受到限制更多，實施相對困難，同時，面臨新舊技術標準不統一的難題。因此，需要系統開展既有建筑結構加固改造標準、技術的研究，通過性能化設計的手段，達到性能提升的目標。本文簡要介紹了既有建筑結構抗震鑒定、加固改造標準的發展歷程，總結了既有建筑加固改造與性能提升技術與韌性評價方法的最新成果，并對未來發展方向進行了展望。

1 既有建筑加固改造思路與發展歷程

我國的既有建筑結構抗震鑒定與加固工作已開展了將近60年，始于1966年邢臺地震后，期間國家有三次大的投入用于房屋建筑與基礎設施抗震加固工作[3]。

1）1995年底共加固各類建筑物2.4億m2，支出經費44億元，關系國計民生的能源、交通、通信、水利等國家重點工程基本加固完成。

2）1998年鑒于北京及周邊地區地震形勢嚴竣，中央啟動了“首都圈抗震加固示范區項目”，安排國債資金13.1億元的專項經費，用于首都圈中央國家機關行政事業單位辦公樓、大型公共建筑及部分醫院與學校的抗震加固，共完成了357個項目600多萬m2的抗震加固任務。

3）2008年汶川地震后，鑒于中小學校舍倒塌造成不少學生死亡、社會反響極大，國務院啟動了“全國中小學校舍安全工程”，中央投入280億元，在全國近3億m2的中小學校舍開展抗震加固、提高綜合防災能力建設，使學校校舍達到重點設防類抗震設防標準。

1.1 既有建筑結構抗震加固的發展歷程

1.1.1 20世紀60年代

1966年3月8日邢臺地震后，當地農村一些簡易民房對前后墻采用簡單的鋼絲繩進行了拉結處理，這些房屋在3月22日發生的地震中并未遭到嚴重破壞，由此開始了我國對現有房屋的抗震鑒定與加固工作，首先在北京、天津地區開展了房屋的抗震普查與鑒定。

1968年原國家建委京津地區抗震辦公室發布了五本標準草案，并在京津地區開展了抗震鑒定與加固的試點工作。

1.1.2 20世紀70年代

1975年發布了《京津地區工業與民用建筑抗震鑒定標準》（試行），該標準中按結構類型分類編寫了抗震鑒定要求和加固處理意見，修改了有關圈梁的加固意見和單層空曠磚房帶壁柱墻高厚比的規定等。

1977發布了TJ 23—77《工業與民用建筑抗震鑒定標準》，配合該標準編制了一些抗震加固圖集。標志著抗震鑒定與加固工作已成為防震減災的重要組成部分，逐步進入規范化、制度化的軌道。

1.1.3 20世紀80—90年代

1977年—1978年間，許多單位相繼進行了夾板墻、組合柱、外加柱、磚墻裂縫修復和墻體壓力灌漿等項目的試驗研究，并于1978年12月召開了全國抗震加固科研成果交流會。會后編制了《民用磚房抗震加固技術措施》，這對提高磚房抗震加固設計質量起到了一定的指導作用。

1980年后，抗震加固技術的研究不斷深入，在此期間編制了《工業與民用建筑抗震加固技術措施》《冶金建筑抗震加固技術措施》，這段時間內的試驗規模和研究深度，均已標志著我國抗震加固技術的研究已進入世界先進行列。

1988年，完成了《房屋抗震鑒定與加固設計規程》（送審稿）。之后該標準被分為兩本，就是后來的GB 50023—95《建筑抗震鑒定標準》與JGJ 116—98《建筑抗震加固技術規程》。

1.1.4 21世紀初期

汶川地震后，根據住房城鄉建設部的要求，并配合全國中小學校舍安工程的順利開展，GB 50023—95《建筑抗震鑒定標準》、JGJ 116—98《建筑抗震加固技術規程》進行了緊急修訂，修訂過程中吸納了TJ 23—77《工業與民用建筑抗震鑒定標準》實施以來抗震鑒定與加固的最新研究成果，總結了國內外歷次大地震、特別是汶川地震的震災經驗教訓，GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》[4]、JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術規程》[5]于2009年正式發布實施。

與GB 50023—95《建筑抗震鑒定標準》、JGJ 116—98《建筑抗震加固技術規程》相比，GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》在以下幾個方面有了技術上的重大進步：1）引入了后續使用年限的概念；2）抗震鑒定的設防目標更加明確；3）提高了學校、醫院等重點設防類建筑的設防標準；4）增加了消能減震、粘貼碳纖維布、鋼絞線聚合物砂漿等抗震加固新技術。

1.1.5 最新情況

《建設工程抗震管理條例（草案）》已于2021年5月12日獲國務院批準，它是建筑抗震工作的法律性文件，同年，GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》[6]、GB 55022—2021《既有建筑維護與改造通用規范》[7]正式頒布實施。當前，國家標準《建筑消能減震加固技術標準》已經通過審查，這將為提高建筑物抗震能力發揮重要作用。

1.2 既有建筑綠色改造、綜合性能提升的發展

隨著經濟的發展和科技的進步，特別是為了應對能源危機的形勢和可持續發展的戰略要求，改造不僅僅是從結構的安全性出發，還對整體建筑乃至整個區域從空間、功能和效能上進行改造，改造后可以實現建筑空間的擴展、使用功能的提高、能耗的降低和使用舒適度的提升。目的是更好地滿足人們生活工作的需求，達到節能降碳的目標，符合可持續發展的理念[8]。

2005年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》（國發〔2005〕44號）頒布，將城市功能提升與空間節約利用、建筑節能與綠色建筑、城市生態居住環境質量保障等作為城鎮化與城市發展領域的優先主題。從2006年開始，既有建筑的改造主要圍繞安全性改造、節能節水改造、功能性改造、環境改善等綠色化改造內容，關注氣候變化，強調建筑低碳發展?！秶倚滦统擎偦巹潱?014—2020年）》提出改造提升中心城區功能，推動新型城市建設，要求按照改造更新與保護修復并重的要求，健全舊城改造機制，優化提升舊城功能。2015年中央城市工作會議提出優化存量的重點任務，推進城市既有建筑節能及綠色化改造，北方地區城市全面推進既有建筑節能改造[9-10]。

從2016年至今，我國既有建筑改造進入到綜合性能提升改造階段，2016年2月6日頒發《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，要求有序實施城市修補和有機更新，解決老城區環境品質下降、空間秩序混亂等問題，通過維護加固老建筑等措施，恢復老城區功能和活力。2021年9月，《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》（中發【2021】36號文）正式發布，明確了我國做好碳達峰、碳中和工作的重要意見。我國城鎮總建筑存量約740億m2，體量巨大，其碳排放約占我國碳排放總量的20%。因此，推動既有建筑低碳綠色化提升改造成為未來很長一段時間我國城市更新領域的主要工作。

2 既有建筑結構安全性和抗震性能鑒定

既有建筑的鑒定包括安全性鑒定與抗震鑒定，安全性鑒定指僅考慮永久荷載與可變荷載作用下的結構承載能力鑒定，抗震鑒定則為在鑒定過程中考慮地震作用影響的抗震能力鑒定[6]。二者的發展歷程、鑒定思路與方法均不同。

2.1 安全性鑒定發展歷程

1984年頒布的《房屋完損等級評定標準》[11]是我國最早對既有房屋建筑進行整體完好性或損壞程度等級評定的標準，標志著我國房屋安全鑒定的開端[12]。1990年，我國出臺了首部可靠性鑒定標準——GBJ 144—1990《工業建筑可靠性鑒定標準》，創立了基于故障樹（Fault Tree）理論的工業建筑結構可靠性鑒定傳力樹模型，解決了長期以來我國缺少可靠性量化評定方法的現狀[13]，9年后發布的GB 50292—1999《民用建筑可靠性鑒定標準》[14]是我國首部民用建筑鑒定標準，并于2015年發布了最新版[15]。

2021年發布的GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》[6]在安全性鑒定方面依然延續了上述兩本鑒定標準的思路，其內容和程序如圖1所示，屬于根據分級模式設計的評定程序，分為構件層次、子系統層次、系統層次三級，可以根據實際需要僅進行至某一層級，每一層級劃分為不同的安全性等級，按最低等級項目鑒定結果或綜合評定結果確定層級的最終安全等級。由上所述，可靠性鑒定標準跨越的三十年間，鑒定的整體思路與方法沒有發生根本性的變化。

圖1 安全性鑒定的內容

2.2 抗震鑒定發展歷程

我國首部抗震設計標準TJ 11—74《工業與民用建筑抗震設計規范（試行）》于1974年發布，此前的建筑在設計時均未考慮抗震設防，因此六七十年代發生的數次大地震造成了巨大的人員傷亡及財產損失，直接推動了我國抗震鑒定標準的發展。

我國抗震鑒定的發展大致可分為兩個階段：第一階段是起步階段：以《京津地區工業與民用建筑抗震鑒定標準》（試行）、TJ 23—77《工業與民用建筑抗震鑒定標準》為代表，該時期對于抗震構造措施、抗震承載力的鑒定是分別進行的，震害預測工作量極大。GB 50023—95《建筑抗震鑒定標準》基于篩選法的原理提出了兩級鑒定方法，并提出了綜合抗震能力的概念，通過第一級宏觀鑒定篩選出不需要加固的建筑，第二級鑒定則以抗震承載力驗算為主，減少了不必要的工作，也標志著我國抗震鑒定進入了成熟發展階段（圖2）。我國現行GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》中基本沿用了GB 50023—95《建筑抗震鑒定標準》的鑒定思路[3-4,16]。

圖2 抗震鑒定的內容與流程

2.3 存在的問題

2.3.1 執行標準的選擇

近年來，我國工程建設標準的底線要求逐步提高，2008至2016年間，我國抗震設計規范修訂了3次，2018年發布的GB 50068—2018《建筑可靠性設計統一標準》[17]提高了永久荷載與可變荷載的分項系數，2021年發布的抗震通規進一步將重力荷載分項系數由1.2調整為1.3，提升了新建建筑的安全性。

但是這些調整對于既有建筑的鑒定工作帶來了一定的影響，GB 50292—1999《民用建筑可靠性鑒定標準》中規定，用于承載力驗算的抗力作用效應比中的抗力和效應均應按現行標準執行，這會造成構件按承載力評定等級降低，進而有可能會導致鑒定單元評級為結果需要“必須立即采取措施”，出現安全性鑒定結論與現場檢測結果不符的情況。GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》中對此進行了改進，規定執行標準應根據鑒定目的進行選擇，但在具體執行過程中仍存在一些細節問題。

2.3.2 安全性與抗震鑒定的關系

二者的關系問題一直以來存在較大的爭議，結構的安全性從廣義上來說包含抗震安全性，GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》中也規定“既有建筑的鑒定應同時進行安全性鑒定和抗震鑒定”。但是對于具體工程情況，如局部加固與改造，僅涉及到個別構件承載力的復核問題，是否需要對整體結構同時進行安全性與抗震鑒定？對此，程紹革[18]指出，由于GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》中同時規定了安全性鑒定可只進行到構件層次，此時的鑒定不屬于對整體結構的鑒定，因此也就自然不必同時對整體結構進行抗震鑒定，對GB 55021—2021《既有建筑鑒定與加固通用規范》中第2.0.4條的正確理解應為：安全性鑒定后不一定要做抗震鑒定，抗震鑒定前必須要進行整體結構安全性鑒定。

2.3.3 鑒定等級評定方法

既有建筑的鑒定工作中現場調查與檢測占很大比重，而現場調查的結果主要依據視覺判斷和專家經驗，尚未建立宏觀損傷現象與客觀損傷指標的關系[19]，受主觀意識和認知偏差的影響大，對于構件層次的安全性鑒定、抗震構造鑒定，仍采取“短板控制”的鑒定方法是否合理有待進一步研究[20]。

2.3.4 使用設計規范驗算既有建筑

擬建建筑與既有建筑的主要區別在于擬建建筑具有不確定性，隨機因素非常多，而既有建筑是客觀存在的，可以通過現場調查、檢測等手段“去隨機性”，因此，在抗力計算時，荷載分項系數、材料強度分項系數等與設計考慮的不確定性完全不同，劉立渠等[21]指出，直接采用設計規范的計算公式進行既有建筑的驗算是造成鑒定結論與現場調研結論不符的深層原因。

3 既有建筑結構加固改造與性能提升技術

3.1 常用技術

3.1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是在混凝土構件外增加混凝土和鋼筋，可以提高構件承載力和剛度。通常用于受彎加固（梁、板構件）、壓彎拉彎加固（柱、墻構件）及復雜受力構件（壓彎剪構件、節點區加固）[22]。該方法采用同時增加鋼筋和混凝土的方式進行加固，最小加固厚度取決于材料和工藝。經過加固，截面的剛度和承載力都有顯著的提高。加固中采取鋼筋搭接、焊接和混凝土粗糙面連接的方式，保證加固后構件基本滿足平截面假定。承載力驗算時，多按照平截面假定合理估計原有鋼筋應力，計算整個截面的承載能力。

增大截面加固法的研究主要集中于增大截面加固法對于受彎、壓彎和拉彎正截面承載力[23-25]、斜截面承載力[26]、抗震延性[27]和可靠度[28]的影響。增大截面法對于原先存在劣化或損傷的混凝土構件也有良好的效果，較新的研究包括高溫損傷[29-30]、震后損傷[31-32]、銹蝕損傷[33]、靜力損傷[34]后的混凝土構件，采用增大截面加固法后的承載力研究。對于其他加固方法不易解決的節點核心區加固問題也常采用增大截面加固法。同時，為提高加固性能，也有采用高性能混凝土對截面進行加固等大相關研究[35]。增大截面法中，采用高性能易澆筑的混凝土材料、新舊混凝土界面傳力機制、截面疲勞性能和考慮原劣化混凝土的承載力分析尚需要進一步研究。

3.1.2 包鋼、粘鋼加固

包鋼加固和粘鋼加固是兩種不完全相同的加固思路。其中包鋼加固是在混凝土構件外包型鋼及綴板連接成架構與原混凝土結構共同受力，包鋼加固構件更接近于組合構件受力方式。包鋼加固方式包括外包角鋼加固[36-37]、外套鋼管加固[38]、型鋼混凝土組合梁[39]等。外包鋼型材具有單獨受力能力，與原混凝土材料復合受力。外包鋼材起到骨架作用承擔部分受力，對原混凝土構件起到支撐作用，被附著的混凝土構件改善了鋼骨架的受壓穩定問題，合理受力的構件可以起到類似組合結構一加“1+1>2”的效果。其計算方式也與組合結構類似，按照平截面假定考慮鋼材貢獻，同時考慮加固構件的二次受力問題。研究表明，外包型材可以對原混凝土構件產生約束效應，起到改善混凝土受力、提高構件延性[36, 40-41]的作用。

粘鋼加固是在混凝土構件外皮粘貼鋼板以補強鋼筋，提高局部受拉承載力。通過粘貼界面傳力，新粘貼與原被加固構件共同受力。粘貼鋼板可以控制彎曲、受拉產生的直裂縫，也可以控制受剪產生的斜裂縫，可以有效提高構件正截面和斜截面承載力，通常適用于受彎、受拉和大偏心受壓構件[42]，也有用于節點加固[43-45]。由于粘鋼加固通過鋼板黏結界面應力[46-48]提高構件受彎和受剪承載力[38, 48-51]，其加固極限承載力不僅取決于外加鋼板的數量，同時受制于黏結界面的傳遞能力，在粘鋼加固的破壞試驗中會出現黏結界面破壞[48, 52-53]，因此通常會限制粘鋼加固的承載力上限，且需要考慮新增鋼板二次受力效率問題。

3.1.3 纖維復合材料粘貼加固

常用于混凝土結構加固的纖維包括碳纖維[54]、玄武巖纖維[55]、芳綸纖維[54]等。對于受拉、受彎和受剪構件，纖維復合材料粘貼加固的原理與粘鋼加固類似，主要通過黏結界面傳遞應力，控制被加固構件的裂縫開展，起到共同受力的效果。相比鋼板，纖維復合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕、粘貼貼合性好和施工便利等優點。纖維布粘貼加固可以類似粘鋼加固使用[56]，通過在混凝土構件外皮粘貼高強度纖維復材以提高局部受拉承載力，提高構件受彎[56-60]或受剪承載力[61-63]。類似粘鋼加固，碳纖維布與混凝土黏結界面的剝離破壞[64]和加固前初始應力[65-66]應給予重視。通常需要限制纖維復合材料加固的承載力上限，且在考慮二次受力的情況下按應力分配考慮粘貼纖維承擔的應力對其承載力進行折減。

纖維復合材料加固不僅適用于受彎、受拉和大偏心受壓構件，也適用于軸心受力構件和抗震構件[67]。纖維復合材料可以較為方便地對柱構件進行包裹，提高混凝土的周圍約束。按照約束混凝土理論，受約束的混凝土可以有效提高其軸心極限承載力和延性。較多研究表明，采用纖維復合材料包裹加固后的柱構件的受壓、壓彎承載力[68]和延性[69]得到了顯著的提升。纖維復合材料加固圓柱構件的約束效應更好，對于方柱需要將柱邊角改圓之后再用纖維復合材料進行包裹。由于受力依賴于界面連接，對于構件母材易破碎的情況下，試驗表明纖維復合材料粘貼加固對砌體墻的加固作用有限[58]。

3.1.4 高強鋼絞線砂漿加固

高強鋼絞線砂漿加固，其加固方式類似于加大截面法，是將網片作為受拉構件與混凝土變形協調、共同受力，在待加固構件外增加一層加固覆蓋層。高強鋼絞線砂漿加固在混凝土外表面附加較小直徑的鋼筋網，采用涂抹的方式將砂漿涂抹到待加固構件表面。相比加大截面法，其涂抹的方式施工效率更高，完成面最小厚度更??；相比粘鋼和粘碳纖維加固，由于有水泥砂漿的包裹，加固材料的防火和耐腐蝕性可得到保障，加固成本更低。為提高加固效率，通常采用高強鋼絞線，并在鋼絞線上施加預應力。

高強鋼絞線砂漿加固應用較為廣泛，是砌體墻抗震加固[70-71]的一種常用技術手段。當鋼絞線的含鋼率較高時，可以顯著地改善砂漿的受力性能。對于混凝土梁、柱和墻等構件復雜受力狀況下的加固均有研究和應用。對于混凝土構件，常用高強鋼絞線砂漿加固的方式包括混凝土樓板加固[72]、混凝土梁加固[73-75]、框架節點加固[75-77]、裂縫控制[76]。高強鋼絞線砂漿加固方式加固的方式同樣會受到附著截面的影響，因此加固的厚度不宜太厚，通常需限制提升承載力上限。同時，高強鋼絞線包裹柱身也可以達到類似于纖維復核材料包裹的作用，通過提高混凝土的周圍約束，顯著提高柱在軸心受壓、偏壓下的極限承載力和延性[78]。

3.2 減隔震加固技術

3.2.1 消能減震加固

消能減震技術是一種高效的抗震手段，在結構的合理位置設置耗能能力優異的阻尼器[79]，提高結構的耗能能力和抗側延性[80]。在20世紀70年代從機械控制領域引入土木工程，經過近50年的發展，在被動控制、半主動控制和主動控制方面有大量研究，同時適用于新建和加固結構。當前應用最為廣泛的是被動減震技術。在20世紀90年代的一批首都圈防震減災示范區建設中，北京火車站、北京飯店和北京展覽館等標志性建筑即采用了消能減震技術進行加固，2008年汶川地震及后續的震后建筑加固中亦采用了減震技術。國務院、住建部、北京市等各級主管部門都發布了在加固結構中推廣使用減隔震的要求。

經過多年的研究、產線迭代和工程實踐，消能減震已經由當初90年代完全依賴進口，到如今國內已經發展出了非常成熟、豐富的消能減震產品生產線。國產產品的質量和性能不次于進口產品，種類和型號尚在不斷更新迭代中。常用的消能減震產品包括，屈曲約束支撐[81-84]、黏滯阻尼器[85]、摩擦阻尼器[86]、黏彈性阻尼器[87]等。消能減震加固對于多層框架結構的抗震加固效果最佳，可以顯著改善結構的整體抗震性能，將加固集中于安裝阻尼器的跨附近，避免了常規加固方式下大量的加固，節約加固時間和加固造價，方案具有一定優勢。

消能減震設計方法也在不斷發展中，可以通過附加阻尼比和等效剛度考慮阻尼器對結構抗震能力的貢獻[88-89]，降低了設計難度。另外，對于原結構構造不滿足的情況，尚可以采用體系性能化設計的方法[84, 90-91]，擴展了消能減震加固的適用范圍。

3.2.2 隔震加固

隔震技術通過隔震墊延長結構自振周期并提高耗能能力，可以顯著提高上部結構抗震能力。與減震技術同樣起源于20世紀70年代，90年代在我國得到應用。在多次地震檢驗中，隔震建筑表現出良好的抗震性能。采用隔震的建筑內裝修損傷小、家具不宜倒伏和人員舒適度較高等優點使得其在醫院、學校類對抗震要求高的建筑中得到了大量應用。同減震技術類似，當前隔震產品已實現國產化，并有各級主管部門的政策支持，發展較快。隔震層、隔震溝、外裝飾、樓梯、電梯和通風井等的隔震構造措施[92]影響了隔震建筑的完成度，應當予以關注。

隔震加固的適用范圍較廣，對大多數高寬比不大、抗震能力不足的結構都有非常優異的加固效果。經過隔震加固的建筑，其抗震性能和震后易恢復性都可以得到極大提升，在大量框架結構[93]、框架剪力墻、剪力墻結構和磚混結構[94]都有大量的隔震加固應用。但由于隔震層、隔震溝和管線改造等方面的需求，隔震加固的造價偏高和周期相對較長，相對適合于抗震要求較高的建筑加固，該加固方式對于歷史建筑[94-97]、需要位置平移的建筑、底部損傷的建筑[97-98]尤其適用。

3.3 結構抗震加固韌性技術

3.3.1 附加子結構技術

附加子結構的加固方式[99-100]是結構整體體系加固方式的一種，傳統加固中常有采用，如增加剪力墻、增加受力框架和增加支撐的方式。其思路是對結構附加一個額外的結構體系以提升原結構的抗震性能，在中國國家博物館的加固中就采用的是增加受力框架的方式；在一些砌體結構和框架結構中，常采用增設剪力墻或增加支撐的方式。

除了傳統硬抗的思路，還有采取改善結構變形耗能性能的思路，如采用附加消能框架、搖擺墻體系和自復位體系，通過子結構協調原結構變形能力，使得原結構整體抗震性能得到極大提升。搖擺墻體系通過與原結構并聯一個底部交接墻體，可以有效控制結構變形和損傷的離散性[100]。自復位體系可以附加在子結構上以實現結構自動復位[101]。

3.3.2 可恢復功能的防震技術

隨著人們對抗震要求的不斷發展，對抗震建筑的要求已經從單一的保障生命、財產安全發展到需考慮震后恢復效率的階段。根據多次地震災害經驗，對于城市遭受地震沖擊后，大量建筑的加固需求將對城市加固維修能力形成沖擊。此時需要快速恢復城市中重要建筑的功能，因此韌性城市概念被提出。對于城市重要建筑，控制其震時反應、減少其震后損失、實現快速可恢復成為越來越關注的話題。對結構抗震的評估，也從單一的力學概念，發展到經濟學、系統控制和全生命期范圍。結構魯棒性、防倒塌能力、中震下正常使用性能和震后可恢復性成為關注焦點。

可恢復功能的防震技術是指在設計初即充分考慮結構在震后快速恢復使用功能的技術[102]。通過合理設計損傷集中部位，在地震發生后，可以通過快速更換或加固損傷部位從而快速恢復使用功能。通過合理設計的隔震和減震手段可以有利于提高建筑的震后可恢復性，更加廣義的概念是在結構的一些易損部位實現高延性和可更換功能，當前在研究的可更換部位包括可更換連梁[101,103]、可更換柱[104-105]、可更換節點[106-107]和可更換剪力墻角[108-109]等。通過精細化設計、系統性分析，以及完善的部品部件系統，有望在將來的發展中實現這一目標。

4 既有建筑結構韌性評價

既有建筑結構抗震性能評估方法主要經歷了二大階段。第一代抗震性能評估方法以美國聯邦緊急事務管理署（Federal Emergency Manage Agency，FEMA）FEMA 273、FEMA 356和ASCE/SEI 41–06等為代表，采用確定性方法，依據由地震強度等級和結構性能等級構成的性能水準矩陣來評估單體建筑的抗震性能，該方法有一定的局限性：1）采用確定性分析方法，未考慮地震動的隨機性對評估結果進行概率分析；2）往往忽略了非結構構件及設備損傷對整體結構性能的影響；3）以結構層間位移角、材料應變等專業術語反映評估結果，對于非專業人士難以理解，增加了決策難度[110]。

第二代抗震性能評估方法開始于2002年，FEMA發起了ATC—58計劃，旨在發展新一代建筑抗震性能設計和評估方法。

2012年，美國聯邦緊急事務管理署和美國技術應用委員會基于全概率韌性評估框架提出了FEMA P–58建筑性能評估方法[112]，并開發了配套評估工具PACT[113]（Performance Assessment Calculation Tool）。FEMA P–58方法引入了概率分析方法，增強了評估結果的可信度，建立了包括人員傷亡、修復費用和修復時間等性能指標的評價方法，比第一代方法所采用的專業性結果更便于決策方理解。人員傷亡、修復費用和修復時間等性能指標反映了建筑維持與恢復原有建筑功能的能力，也被稱為韌性評價指標。FEMA P–58方法根據工程需求參數（層間位移角、樓面加速度等）和構件易損性數據庫確定構件損傷狀態，再根據構件損傷狀態通過損失函數計算性能評估指標，奠定了建筑抗震韌性評價的理論基礎。

2013年，奧雅納工程咨詢有限公司聯合多家單位基于 FEMA P–58方法依托PACT工具發布了REDi Rating System[114]，改進了修復時間計算方法（計入震后延遲開工時間及公共設施中斷時間），首次引進了評級系統，建立了一套4 個維度（組織韌性、建筑韌性、環境韌性、損失評估）、 3 個等級（白金級、金級、銀級）和 65 個指標的建筑抗震韌性指數評估體系。

2015年，美國韌性委員會建立了建筑性能評價系統USRC Rating System[115]，建立一套3個維度（安全、損傷、可恢復）、5個等級（白金級、金級、銀級、銅級和成員級）的韌性評級體系，對建筑進行掛牌評價及交易評價，推動了建筑結構韌性評級在社會范圍內的普及。USRC本身并不提供新的韌性評估方法，而是基于 ASCE 41–13問卷調查或 FEMA P–58、REDi 提供的評估結果獲得韌性評級。

2021年，由清華大學牽頭相關單位編制的GB/T 38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》[116]正式實施。該標準根據我國試驗數據和震害調查修正了結構構件和部分非結構構件易損性數據，建立了三星制韌性評級體系。潘鵬團隊基于該標準設計并開發了適用于我國的建筑抗震韌性評價系統[117]，極大地推動了我國建筑抗震韌性評價工作的發展。

總體來說，以上四種抗震韌性評估方法在工程需求參數的獲取、需求參數矩陣擴充及構件損傷狀態判定方面基本一致，評價流程如圖3（a）所示。建筑信息包括結構構件和建筑非結構構件的種類、數量、材料、幾何尺寸，設備的種類、數量、安裝方式等。對于既有建筑，宜進行振動測試，依據測試結果進行模型修正，并在給定地震水準下進行非線性動力時程分析。

圖3 建筑抗震韌性評價流程

由于式（1）所表征的是一組復雜的積分函數關系，無法直接求得解析解，可采用蒙特卡洛方法求解。非線性動力時程分析往往需要耗費大量的時間，一般只做少量地震動的時程分析，這就需要對原始樣本進行擴充，得到大量的模擬樣本。假定原始樣本矩陣滿足聯合對數正態分布，擴充后的矩陣與原始矩陣具有相同的均值與協方差。對于工程需求參數數目大于時程分析的地震動數目或工程需求參數線性相關的情況，協方差矩陣非滿秩，Yang等[118]提出的方法中Cholesky分解算法將變得不穩定，可采用FEMA P–58[112]附錄G方法進行樣本矩陣擴充。

以上四種傳統的抗震韌性評估方法預測精度多停留在性能組，而非構件組。換言之，評估方法針對的是一類構件而非一個構件，而不同位置、布置方式的構件損傷狀態可能相差較大。比如，對于存在樓層變形不均勻、扭轉不規則等情況的結構，同一樓層不同位置的構件變形是不同的，通過一個統一的層間位移角難以準確反映同樓層所有構件的變形。對于沒有層概念的空間結構，無法定義層間位移角，因而傳統的根據層間位移角判斷構件損傷狀態的方法無法對該類結構進行抗震韌性評價。為增強建筑抗震韌性評價方法對沒有層概念的空間結構的適用性，提高樓層變形不均勻、扭轉不規則結構的構件損傷狀態判斷的準確性，使之可以更靈活地適用于復雜建筑，肖從真等[119]參照GB/T 38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》對韌性評價流程進行了改進，提出了基于構件損傷狀態的抗震韌性評價方法，并開發了配套軟件SAUSG-RES，韌性評價流程如圖3（b）所示，詳細步驟如下：

1）地震危險性分析，確定地震動強度，選取合適的地震動記錄。

2）采用纖維梁和分層殼模型或塑性鉸模型進行非線性動力時程分析獲取結構響應。

3）根據非線性時程分析結果，采用基于材料應力應變或者損傷的構件性能評價標準或者基于構件轉角或位移角的構件性能評價標準來判定構件損傷狀態。

4）提取構件損傷狀態作為原始樣本，并對構件損傷狀態矩陣進行擴充。

5）根據擴充后的構件損傷狀態矩陣，按照GB/ T 38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》計算修復費用、修復時間及人員傷亡指標。

6）計算修復費用、修復時間及人員傷亡指標給定置信水平的置信區間，估計置信上限。

7）根據修復費用、修復時間及人員傷亡指標的置信上限進行韌性評級。

根據非線性時程分析材料應力、應變或構件轉角判斷結構構件損傷狀態的方法，增強了抗震韌性評價方法對于沒有層概念的空間結構的適用性，提高了存在樓層變形不均勻、扭轉不規則等情況的結構的構件損傷狀態判斷結果的準確性。采用抗震韌性評價指標給定置信水平的置信上限進行抗震韌性評級，考慮了地震動數目及時程分析結果離散性的影響，提升了韌性評價結果的可靠性。

5 結論與展望

5.1 結 論

1）我國既有建筑結構抗震鑒定與加固工作始于1966年，目前歷經了20世紀60年代、20世紀70年代、20世紀80—90年代、21世紀四個階段，當前既有建筑改造已由單一的結構加固進入到功能、節能、綠色、低碳等綜合性能提升改造階段。

2）鑒定是既有建筑加固前的必要程序，也是工程師制定科學合理的加固方案的技術依據，我國既有建筑鑒定發展的幾十年間，鑒定標準與方法逐漸完善，但在工程實踐應用中仍存在一些問題。

3）經過多年發展，既有建筑結構加固改造與性能提升技術有了顯著進步，該技術已經從構件局部加固發展到了體系加固和性能化加固方法，從被動式的損傷后修復發展到預估損傷實現可快速替換恢復技術，從單一力學概念發展到城市建筑群概念。

4）建筑抗震韌性評價方法在第一代抗震性能評價方法基礎上引入了概率分析方法，增強了評估結果的可信度，考慮了非結構構件的影響，建立了包括人員傷亡、修復費用和修復時間等性能指標的評價方法，便于決策方理解。以FEMA P–58、REDi、USRC和GB/T 38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》為代表的抗震韌性評價方法極大地推動了國內外建筑抗震韌性評價工作的發展。

5.2 展 望

1）既有建筑改造以滿足建筑功能需求為前提，在保證結構安全的基礎上，提升消防性能、綠色改造、降低能效、減少碳排放是未來發展方向，需重點研究有效的消防補償措施、高效的綠色改造和能效提升技術。

2）隨著我國既有建筑存量的逐年提升，鑒定需求也將逐步增長，亟需針對目前工程實踐中發現的具體問題，從鑒定理論、技術方法等方面進一步細化、完善我國既有建筑鑒定標準，為既有建筑鑒定工作提供理論依據與技術支撐。

3）隨著經濟發展和技術進步，既有建筑結構加固改造與性能提升技術的需求也在增長中，更先進準確的體系化和性能化加固設計方法，更高性能的可更換部品部件和減隔震產品，以建筑群為目標的更高魯棒性、更快震后恢復功能的建筑技術等將是未來的重點研究方向。

4）既有建筑抗震韌性評價體系及基于韌性的性能提升設計理論亟待完善相關基礎性研究工作，包括：制定合理的既有建筑抗震韌性目標、完善結構構件及非結構構件易損性數據庫、與建筑信息模型（BIM）結合獲取精細化結構構件和非結構構件信息、研究不同加固方案對既有建筑抗震韌性評價指標的影響規律，建立和完善既有建筑抗震韌性評價體系及相關規范等。

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Current Situation and Development of Retrofitting and Performance Improvement for Existing Building Structures

XIAO Congzhen LI Jianhui MA Tianyi WEI Yue WU Zhenhong QIAO Baojuan

(China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

China's urban development has shifted from incremental planning to inventory planning. With the goal of high quality development, retrofitting and performance improvement for existing building structures have become the main task of building sector at present or even for a quite long time. The paper introduced the developmet process from retrofitting to performance improvement of existing building structures, systematically expounded the latest research results of existing building structure reconstruction at home and abroad from three aspects: safety and seismic performance appraisal, retrofitting and performance improvement technology, and resilience evaluation. Moreover, the technical problems existing in the safety and seismic performance evaluation of existing building structures were pointed out. Finally, the future development of retrofitting and performance improvement for existing building structures was prospected.

existing building; retrofitting; performance improvement; appraisal; resilience evaluation; technical problem; prospect

肖從真, 李建輝, 馬天怡, 等. 既有建筑結構加固改造與性能提升現狀與發展[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 20-30. XIAO C Z, LI J H, MA T Y, et al. Current Situation and Development of Retrofitting and Performance Improvement for Existing Building Structures[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 20-30 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23120812

*北京市自然科學基金項目(8212019)。

肖從真，男，1967年出生，博士，研究員，主要從事高層建筑結構的研究。

李建輝，主要從事高層建筑結構的研究，lijh@cabr-design.com。

2023-12-08