引言

目前砌体结构是我国主要的建筑结构形式之一,而砌体结构刚度大,产生的地震作用较大,震害严重。许多既有砌体结构建筑已经进入中老年期,抗震性能下降,加之我国结构设计和抗震标准不断提高,已有结构的安全性能已不能满足要求。村镇砌体结构的建设缺乏监管力度,其建筑质量偏低,抗震能力更差,在历次大地震中震害触目惊心(周中一,2012;孟凡龙,2011),砌体结构尤其是村镇砌体房屋的加固迫在眉睫。

砌体结构有许多传统的加固方法(孟凡龙,2011;别宇飞,2013),如钢筋网片面层、混凝土板墙、粘钢加固和X形钢支撑加固等方法。这些传统加固方法在实际中均有应用并各有优缺点,有的湿作业时间长,有的对已有建筑空间影响较大,有的造价偏高施工复杂等,这些都限制了砌体结构尤其是村镇砌体结构房屋的加固进程。寻求施工方便、造价低廉和性能良好的新型砌体结构加固技术已经很紧迫。本文对嵌筋加固、钢带加固、玻璃纤维复合材料加固和打包带加固四种新型砌体加固方法进行总结分析,期望为砌体结构尤其是村镇砌体结构房屋的加固提供参考。

1 新型加固技术研究进展
1.1 嵌筋加固技术

嵌筋加固利用配筋砌体的原理,在水平灰缝内嵌入钢筋,提高砌体承载力、变形和耗能性能等,该加固技术构造简单、施工方便,据估算所增加的钢筋约为2kg/m2,故总的加固成本较低。

孟凡龙(2011)将钢筋通过嵌缝胶泥嵌固于墙体内部,并对21片砖墙进行拟静力试验。嵌筋加固提高了墙体的整体性,高宽比分别为0.5和1.8时,墙体侧向承载力分别提高了24.78%和53.16%,素墙体嵌筋加固后其性能高于砌墙时直接放入钢筋的配筋墙体,墙体的变形能力由原来的2.15提高到3.19以上。别宇飞(2013)对不同高宽比的水平嵌筋砖砌体墙体进行了低周反复试验,高宽比为0.7的墙体,开裂荷载、极限荷载、破坏荷载和破坏位移分别提高4%、9%、18.2%和29.4%;高宽比为1.75时,极限荷载、破坏荷载和破坏位移分别提高6.7%、5.7%和15%。后植筋墙体的等效粘滞阻尼比ξ较无筋墙体高,说明带钢筋的墙体其吸收能量的比重增大,ABAQUS(通用有限元分析软件)模拟分析与试验结果相当。王秀英(2014)对嵌筋加固前后墙体进行了水平低周反复荷载试验,发现高宽比为0.7的嵌筋墙体的极限荷载、破坏荷载和破坏位移分别提高了13.6%、13.6%和17.5%;高宽比为1.75的嵌筋墙体的极限荷载、破坏荷载和破坏位移分别提高了22.7%、25.5%和27.4%。加筋试件的能量耗散系数和等效粘滞阻尼比系数均大于未处理试件,表明耗能能力和变形能力提高。Antonio(2014)用预紧不锈钢绞线沿柱全高嵌筋加固砖柱,为防止应力集中在柱四角预埋钢板,并加强约束效果,在柱中预钻孔埋钢管穿筋(图1),发现未加固试件表现为脆性破坏,抗压强度按八边型、方形和矩形截面依次减小,单肢箍加固的抗压强度提高123—143%,重叠加固的抗压强度提高196%,轴向应变增加1.8倍。

图 1 角钢及钢管穿筋 Fig. 1Angle steel and steel bar through the steel tube
1.2 钢带加固技术

国内外用钢带加固混凝土构件和节点以及砌体结构等,钢带以条状或网状铺设在构件上,钢带可以预紧,钢带之间用卡扣连接,该加固技术施工方便、操作简单、成本低廉。

Farooq等(2012)对比了碳纤维和钢带加固烧结砖砌体的抗震性能,发现加固后抗剪承载力分别提高2.14和1.57倍,破坏时横向位移分别提高4.28和3.40倍,位移延性分别提高1.97和2.67倍,与碳纤维加固相比,钢带加固抗侧能力提高不多,但其他的抗震加固效果较好,关键是价格较低。Farooq等(2014)通过试验研究了单双面加固、不同的配筋率及井字型和斜交两种设置方向等不同加固方案对高宽比为0.7烧结砖墙体的抗震性能的影响,发现双面加固的抗侧刚度比单面加固的抗侧刚度高,但与横向配筋率不成正比;加固构件的侧向位移均有提高,双面加固侧移和屈服点位移比单面加固的大;所有构件都表现出对称稳定的滞回特性,未加固墙体的滞回曲线狭窄,表现为明显的脆性破坏,单面加固的墙体滞回曲线饱满,表现为延性的剪切破坏,有较好的能量耗散和延性特性,双面加固的墙体滞回曲线在中心捏拢,有较少的残余横向位移,加固墙体剪切强度提高1.6—2.44倍,累积的能量耗散提高10.45—22.58倍,延性系数提高2.14—2.83倍;单面配筋有较高的延性,双面配筋抗侧刚度较高但延性较单面加固差,0.27%配筋率有较好的性能。Farooq等(2014)还研究了墙体在3种不同轴向压力和不同方向设置钢带加固墙体的抗震性能,发现轴向压力越大,墙体抗压强度越大,破坏模式由无裂缝的滑移破坏到压碎-滑移剪切的复合破坏模式,表现出较大的延性,滞回曲线变得丰满,加固后的试件抗剪强度提高1.17到2.05倍,耗能能力提高,延性提高2.6到2.8倍,矩形网格的加固效果大于45度对角加固。Darbhanzi等(2014)在墙体的两边分别用两条竖向布置成钢轨式的钢带加固砌体墙体,对于高宽比为0.5的试样,屈服强度减小了70%,最大强度增加了160%;对于高宽比为0.7的试样,屈服强度和最大强度分别增加了210%和280%,最大位移和屈服位移分别增加了300%和30%,延性系数平均提高270%,初始和有效弹性模量分别降低70%和50%。

1.3 玻璃纤维复合材料(GFRP)加固技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)加固结构性能优良,但价格昂贵,玻璃纤维每平方米的价格最多是碳纤维的1/5,极大地降低了加固成本。近年国内外将GFRP布满贴、条状或网状粘贴在砌体构件表面进行加固,并对加固后的力学性能、抗震性能和粘结性能等方面做了多方面的研究(张波,2014)。

翁大根等(2003)用试验证明粘贴GFRP布能有效增强砌体抗震整体性,具有等效于提高砂浆强度的效果,GFRP的厚度满足其抗拉能力大于砌体的抗剪能力时,能增强砌体的抗裂和水平极限抗剪承载力,墙端设有钢筋混凝土构造柱时将会提高墙片的水平抗剪承载力。王全凤等(2006)用GFRP加固带壁柱砖墙,通过低周往复试验发现,加固后试件的抗震性能、极限变形能力明显增强,提高幅度66—256%,墙体刚度退化减缓,混合加固方式在极限位移状态下比斜向加固的墙体耗能性能好,加固量增加、采用“对拉”锚固措施可有效地提高墙体的变形和耗能性能。王欣等(2006)研究了玻璃纤维双面“XX”形加固粉煤灰砌块墙片的抗震性能,加固旧粉煤灰砌块墙体的承载力基本和未破坏前接近,直接用玻璃纤维加固的墙片极限荷载、破坏位移分别提高了19.2%和26.3%,延性系数提高了1.23倍,滞回曲线丰满,刚度退化性能得到了改善,承载力降低系数曲线相对平缓,降低程度较小,改善了墙片的累积损伤。由世岐(2007)通过试验研究了GFRP布加固砌体抗压、抗剪、抗弯和抗震性能及效果,发现GFRP布加固砌体的抗压强度提高,抗剪强度提高率在73—88%之间,极限弯矩是未加固砖梁的2.04—5.13倍,跨中挠度是未加固砖梁的1.22—8.11倍,抗剪和抗弯加固效果明显;在低周反复荷载作用下,GFRP布加固砌体墙片的抗震能力提高,耗能能力明显增加,耗能系数提高幅度在45—485%之间,加固砌体墙片的骨架曲线下降段比较平缓,延性系数提高了1.0—3.1倍。Júnia等(2015)用GFRP沿全高加固了受损砌体墙体,试验发现发生剥离破坏后杨氏模量值和应力应变曲线同加固墙相似,说明刚度和最初的承载力基本回复,试验还发现抗压强度增加49%。Arsalan等(2012)用垂直相交、沿墙片对角布置和满布的GFRP加固试件,并进行了对角的压缩试验,垂直相交加固的试件抗剪强度是未加固试件的2.45—4.32倍,对角加固的效果更好,加固后的位移、延性系数和破坏能量都有提高。王全凤等(2007)发现GFRP可以有效地提高砖墙的平面外抗弯能力和延性,当GFRP加固量达到一定程度,其平面外抗弯承载能力得到较大的提高,而平面外方向的抗剪承载能力提高有限,试件的平面外受荷能力由其抗剪承载能力控制。除了GFRP布以外,张智等(2010)用喷射GFRP整喷加固砖墙,加固墙体承载能力、开裂位移、极限位移和延性系数有了明显的提高。Jorge等(2012)将玻璃纤维条用粘结和锚固的方法加固砌体结构,并用新的试验方法进行29个试件的不同锚固个数和间距的粘结试验;发现锚固明显提高了试件的强度和变形性能,多种锚固结合比单一锚固的加固效果好,增大锚固间距导致剥离破坏,锚固间距适中效果较好。

1.4 打包带加固技术
图 2 角钢打包带加固 Fig. 2Strengthened with angle steel-packing belt

打包带取材方便、抗拉强度大、耐久性好,将条状或加工成网格的打包带围箍在墙体上,内外打包带可拉结,该加固技术湿作业少,施工简单,Navaratnarajah等(2012,2013a,2013b,2014)分析得到打包带加固成本约在0.85—3.4美元/m2,加固成本低廉,同时对打包带加固砌体房屋的抗震性能也进行了研究和应用。

曾银枝(2011)用角钢和塑钢打包带加固砖墙,沿墙高间隔20cm用打包带围箍,打包带张紧后接头处各用3个卡扣紧固(图2)。通过低周往复荷载试验发现,加固后墙体的抗剪承载力由加固前的62kN提高到80kN,承载力的提高幅度为29%;极限位移较开裂位移增加了11.33mm,提高幅度为300%以上,墙体的延性明显提高,滞回环面积增大,变形能力得到加强,延性增加,骨架曲线下降段平缓,从而改善了整体结构的抗震性能。姚新强(2011)等在西藏自治区农牧民安居工程中,将打包带编织成网,墙体两侧打包带拉结对砌体墙进行加固(图3、图4),通过振动台试验发现加固后模型的动力特性、位移反应、加速度反应均受到影响,打包带加固有效提高了房屋整体性,墙体变形恢复力增强,控制了裂缝开展,震害要明显轻于未加固模型,并用ABAQUS软件进行了数值分析,加固和原型结构的加速度、位移、应力应变和拉损伤等值和试验结果一致,验证了用打包带进行抗震加固的可行性。周戟等(2013)应用有限元软件模拟分析打包带与碳纤维两种材料加固农村砌体结构房屋后的整体动力特性,打包带与碳纤维加固模型的承载能力分别提高了50%和133%,加固结构的裂缝分布更加均匀,宽度较小;极限位移是未加固结构的1.66与3.23倍,加固后地震加速度响应相对减小,加固后的时程曲线相对平缓,峰值区域宽度相对增加,并且曲线的峰值点出现相对滞后。

图 3 墙体打包带加固 Fig. 3Reinforcement with polypropylene band
图 4 打包带拉结 Fig. 4Connecting of polypropylene band

Navaratnarajah等(2012,2013a,2013b,2014)通过工程造价比较认为PP打包带加固经济性最好,并对PP打包带网格加固砌体结构性能进行了系列的研究,认为该加固技术抗震安全性较高。Navaratnarajah等(2012)用PP打包带加固拱顶砖砌体房屋,通过振动台试验发现加固后墙体抵抗横向侧移的水平是未加固的45倍,能量耗散能力是未加固墙体的25倍。Navaratnarajah等(2013a)用PP打包带加固木屋架石砌体结构,通过沿阶梯型截面受剪试验,发现打包带网格间距40mm加固效果最优,加固的石砌体墙体开裂后有残余强度,延性比未加固墙体提高至少20倍;通过1:4模型振动台试验发现加固结构在严重破坏时和极限状态时的横向侧移分别是未加固结构的5.5和6.2倍,开裂后加固模型的横向剪切力系数比未加固的高,加固房屋模型严重破坏时和极限状态时的能量耗散能力分别是未加固结构的3.1和3.3倍,表明PP打包带明显增强了砌体结构的抗侧能力;通过耐久性试验,发现打包带的抗拉强度与应用温度呈反比关系,在阳光下暴露几个月,抗拉强度退化,并建议用灰泥等砂浆涂抹。Navaratnarajah等(2013b)用PP打包带加固烧结砖和土坯砌体墙体,沿阶梯型截面受剪试验发现原结构一裂就坏,没有残余强度,加固后砌体墙体开裂是个渐进的过程,开裂后有残余强度,砌块破坏整个墙体仍保持稳定;打包带与灰缝呈45斜角的变形能力比平行于灰缝加固的高,打包带的张紧和固定间距越小,剩余强度与初始强度的比值越大,加固后进行抹面处理至少80%的初始强度可以保留;带孔钢板连接器固定比塑料绳固定的强度损失小,但加固后进行抹面处理至少84%的初始强度可以保留;平面外弯曲试验表明加固后的墙体竖向位移明显增大,未加固的一裂就坏,加固的烧结砖墙体剩余强度至少为初始强度的45%。Navaratnarajah等(2014)用PP打包带加固两层土坯房屋,通过1:4模型振动台试验发现严重破坏时1层和2层横向侧移分别是未加固结构的27和26倍,开裂后加固模型的横向剪切强度有很大提高,在各个阶段加固房屋模型的能量耗散能力至少比未加固的提高20倍,严重破坏时提高42倍。

2 实用建议

上述四种加固技术通过改变墙体在水平荷载作用下的破坏形式,使得墙体从裂而即坏的脆性破坏转变为裂缝分散、裂缝的宽度小而密,且不断增多的延性破坏,从而明显改善了墙体的抗震性能,具备显著的社会效益、经济效益和环境效益。为了加快新型加固技术的推广应用,笔者给出实用建议。

嵌筋加固技术中配筋率为嵌筋墙体开裂性能的主要影响因素,配筋率越大,所承受的开裂荷载值越大,采用同样直径的钢筋时,随着嵌筋间距的减小,开裂荷载值的提高程度越大。实际工程中建议采用合适的配筋率,选择较粗的钢筋,较大的嵌筋距离;在用钢量和配筋率相同的条件下,单面嵌筋比双面嵌筋能更好地提高荷载值;墙体开槽位置和深度对墙体的极限承载能力和变形能力影响较大,故施工过程中应该严格控制开槽位置和深度,建议采用深度≥50mm,宽为15mm,在槽内每隔500mm钻孔,穿入拉结筋,槽中的灰尘要清除干净。

钢带加固可有效提高墙体平面内剪力,墙体的抗震性能的提高归因于在钢带的约束下墙体的整体性增强,墙体的破裂和滑移性能的改变,墙体由脆性破坏过渡为延性破坏模式,故在实际加固中,保持合理的配筋率来改变砌体的破坏模式,配筋率建议采用0.27%,在配筋率相同的情况下,建议采用加固效果较好、施工方便的矩形网格形式,其次优先采用单面加固方式。

GFRP加固能提高墙体的强度,增强墙体的抗震能力,但随着位移的增加,易出现空鼓和剥离,GFRP布加固砌体不能很好地约束砌体侧面变形,故建议工程加固中在墙体中增加锚固以延缓空鼓和剥离的出现,墙体端部两侧增加夹具以有效抑制侧面变形,GFRP布的层数及布的种类对试件抗压、抗剪强度影响不明显,加固层数也不是越多越好,实际工程中砌体抗压、抗剪最大加固量不超过满粘一层GFRP布或加固层数不宜超过两层,加固时采用45°斜向粘贴加固效果较好。

打包带加固方法以其突出的价格优势,易于施工操作、对房间使用影响较小的优势,在经济相对落后、施工环境较差的广大农村地区有较大的应用前景,在实地的工程应用中应注意将打包带拉紧紧贴墙面,打包带进行横向拉结,打包带上增加砂浆保护层,使打包带的作用充分发挥。

3 结语

嵌筋加固、钢带加固、玻璃纤维复合材料加固和打包带加固,其构造简单、施工方便、造价低廉,加固后墙体的承载力、变形性能和抗震性能等都得到了提高,是新型且具有广阔应用前景的砌体结构加固技术。其中,钢带加固和打包带加固无论在施工、成本还是加固效果上,更具优势,尤其对经济水平相对较低的广大村镇砌体结构有广阔的研究推广前景。虽然这些新型加固技术取得较大的进展,但仍有很多问题有待进一步研究确定,如加固墙体抗剪强度的计算、加固因素与连续倒塌的关系等,以及实际工程应用中加固材料的合理配筋率范围,具体的加固间隔和形式等。

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