三种砌体结构加固方法的比较

时间：2024-07-28

白军刚

(长安大学，陕西西安710064)

砌体结构是国内应用比较广泛的一种结构形式。由于砌体结构的材料来源广泛，施工不需要大型机械，手工操作比例大，相对造价低廉，具有较好的耐火性和耐久性。因此在上个世纪，尤其是中西部地区，民用建筑几乎全部采用砌体结构。据统计，我国约有80%的工业和民用建筑采用砌体结构建造，其中民用房屋90%以上为砌体结构［1］。但砌体结构材料延性差，强度离散型大，材料本身的抗拉、抗弯、抗剪强度低，属脆性材料。且目前农村绝大部分房屋建筑为农民自建房，图纸无正规设计单位设计，材料无正规生产厂家生产，施工无正规单位组织，因此很难保证其抗震和使用性能。限于我国的基本国情，还没有足够财力对不满足要求的所有建筑拆除重建，即使有足够的资金来拆除重建，也会造成很大的浪费，更会带来建筑物剩余价值评估、居民安置、建筑垃圾的回收利用和城市环境等问题。加固后的房屋不仅安全可靠，且能延长使用年限，所以对既有砌体结构进行全面的检测、鉴定和加固很有必要。

目前砌体结构常用的加固方法有增大截面法、外加钢筋混凝土法、外加钢板法、钢筋网砂浆加固法、增设圈梁拉杆等方法。这些加固方法往往具有作业工作量大，施工周期长，需要较大的施工空间，对使用功能外观具有较大影响等缺点。因此，加强对砌体结构加固方法的研究，尤其是加固后抗震性能的改善的研究，具有重大意义。

1 砌体结构三种加固方法分析比较

1.1 FRP加固方法

FRP加固技术的最早使用于混凝土结构的加固补强中，其研究最早始于美、日等发达国家。由于FRP方法具有高强高效、施工便捷、耐腐蚀性好、自重轻、适用于各种形状各个部位的加固等优点。因此，近年来国内外对FRP加固技术在砌体结构领域的应用和研究有了很大发展。

FRP加固方法只要是在结构表面粘贴纤维材料。纤维材料的粘贴方法主要有竖向条带、斜向条带、正向网格、斜向网格等。

对FRP加固技术的性能研究归纳下来主要有FRP加固的抗震性能的研究，FRP加固的抗剪性能的研究，FRP加固的平面为抗弯性能的研究。

通过周期反复荷载作用对加固构件进行实验研究［2～5］，得到的实验结果对比显示，FRP的使用能够很好的限制墙体裂缝的发展，改变墙体的受力状态，使滞回环饱满，面积增大，延性系数提高，提高构件的抗震性能、抗剪强度，提高延性和平面外极限抗弯承载力。现在研究一般认为，外贴FRP对加固后砌体结构抗剪承载力的计算模式为普通墙体的抗剪承载力FRP拉杆机制的抗剪承载力之和(图1)。

图1 外贴FRP加固后砌体的抗剪承载力

即:

式中:VU为加固后砌体抗剪承载力;VWALL为普通砌体抗剪承载力;VFRP为FRP拉杆的所承担的抗剪承载力。

FRP加固方法目前主要使用于混凝土结构中，在砌体结构中目前使用较少。邯郸市某校逸夫教学楼(四层砖混结构，单面走廊式)采用粘钢和粘贴纤维材料的加固方法，取得了很好的加固补强效果［6］。

FRP加固方法无法加强墙体间拉结和整体性，且加固中使用的胶黏剂易燃，在120℃时强度几乎完全丧失。

FRP加固方法对建筑外观无较大影响，且施工操作简单，施工速度快，但是在施工过程中也要注意以下要求:

(1)为了发挥FRP加固方法的性能，在施工过程中必须采取可靠、有效地锚固措施，避免过早出现剥离破坏;

(2)合理设计和控制加固量，一般碳纤维的分条粘贴的加固效果优于整幅粘贴的加固效果;

(3)碳纤维转角粘贴时应采取倒角处理，避免转角处应力集中造成纤维丝断裂;

(4)纤维材料不宜应用于反复荷载作用的构件加固;

(5)加固时应尽量卸掉构件所承受的荷载。

1.2 钢丝绳缠绕加固受压短柱

虽然砌体结构多以砖墙承重，但在一些厂房和大开间建筑中也存在了大量的砖柱。特别是在一些优秀历史建筑中，时常会看到独立砖柱的身影。然而，经过了多年的环境侵蚀作用，不可避免地出现材料的劣化，导致砖柱的轴向承载能力降低，影响结构的安全性。

钢丝绳缠绕加固法原理与约束混凝土柱类似，主要通过钢丝束对受压构件的横向变形进行约束来提高构件整体的抗压强度，提高塑性变形能力。由于砌体的特殊性，比如竖向裂缝产生较早、砖块的抗压强度高而砌体的抗压强度低。由于无筋砌体短柱的受压破坏是裂成小柱后的失稳破坏，而钢丝绳的作用在砌体柱开裂后才明显体现出来，由此得出钢丝绳约束的主要作用是提高砖砌体柱的稳定承载力。由于钢丝绳对砌体结构的约束是被动的，只有在原有结构开裂产生变形后才产生约束作用，以约束圆柱为例，当产生环向变形时，钢丝绳产生的约束力σ1为:

式中:Er为钢丝绳的变形模量;Ar为单根钢丝绳的截面积;d为圆柱直径;s为钢丝绳竖向间距。

由于目前大部分实验模型来源于混凝土柱，而砌体柱的特殊性导致目前还无法建立约束砌体短柱的应力－应变模型。通过大量试验、数值模拟以及钢丝绳缠绕加固法与纤维复合材料加固方法［7～10］的相似性表明，钢丝绳对矩形截面的约束是不均匀的，在角部较大，在截面边长中点附近较小。且其约束应力分布与截面的倒角半径有密切关系。所以可以通过增大倒角半径的方法来增强约束效果。钢丝绳缠绕加固方法可以显著提高砌体柱的强度和延性。与纤维约束类加固方法相比，钢丝绳缠绕加固方法具有较好的耐久性和耐火性，且加固成本较低，具有良好的应用前景。

1.3 钢窗框加固法

在我国历次地震中，农村住宅同等条件下总是比城市住宅损坏或倒塌的更严重。农村建筑在我国占大多数，这使得地震对农村房屋造成损坏和人员伤亡的数量较大，因此迫切需要对农村住宅进行加固处理。由于历史的原因，对农村住宅的抗震性能研究较少，迫切需要对其抗震薄弱环节和加固措施进行研究。

在广大农村地区，砌体结构普遍缺少正规的抗震设计，施工人员为了施工方便和采光通风要求，往往随意加大门窗洞口尺寸。砌体结构属于脆性结构体系，在地震水平作用影响下，墙体的开裂和坍塌主要是由于墙体的抗剪强度和抵抗变形能力不足所致。对于没有相应措施的房屋，开洞引起墙体整体性削弱，并在洞口四角处引起应力集中。在水平地震的往复作用下，首先在洞口四角处开裂破坏。

通过在位移控制下的低周反复荷载作用下，对采用等边角钢50 mm×50 mm×4 mm，材料为Q235的钢窗框进行对比实验。实验表明［11］钢框加固在开裂荷载阶段，发挥作用较对比实验大的多，在极限荷载时，也比对比实验增大近50%。并且对增加墙体的变形能力和局部抗倒塌性能作用明显，且对建筑的使用要求影响不大。