磚砌體建筑體外預(yù)應(yīng)力抗震加固技術(shù)研究

魏濤

摘 要：近年來，世界范圍內(nèi)地質(zhì)極為活躍，地震活動(dòng)頻現(xiàn)。在我國境內(nèi)，2008年的汶川地震與2010年的玉樹地震對(duì)當(dāng)?shù)亟ㄖ镌斐闪藰O大的破壞，其中，砌體結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。為此，有必要進(jìn)一步深入研究砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，并采取有效措施對(duì)已建砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固。

關(guān)鍵詞：磚砌體建筑 體外預(yù)應(yīng)力 抗震加固

前言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國城鎮(zhèn)既有建筑總量超過500億m2，而其中以磚砌體墻體為主要承重和抗震墻體的磚砌體建筑所占比例很大，且許多未達(dá)到抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，磚砌體結(jié)構(gòu)整體性相對(duì)較差，砌體材料抗壓強(qiáng)度較高而抗拉、抗剪強(qiáng)度較低，且具有自重大、呈脆性等特點(diǎn)，導(dǎo)致其抗震性能較差，在強(qiáng)烈地震作用下一旦發(fā)生倒塌，將造成大量的人員傷亡。漢川地震、玉樹地震和雅安地震中，大量磚混、磚木結(jié)構(gòu)房屋倒塌，人員傷亡慘重。因此，對(duì)現(xiàn)存的大量不滿足抗震設(shè)防要求的砌體房屋進(jìn)行加固改造，提高其抗震安全性，是當(dāng)前工程建設(shè)領(lǐng)域函待解決的問題。

1.概述

目前，應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固方法大體可以分為兩類，直接加固法與間接加固法。直接加固法包括：增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、外粘鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法、繞絲加固法或高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)片、聚合物砂漿外加層加固法等；類似的工程有江北人民醫(yī)院門診樓加固工程、南京蘇杰學(xué)校浦口校區(qū)加固工程、河海大學(xué)江寧校區(qū)行政樓加固工程、南京曉莊學(xué)院附屬小學(xué)教學(xué)樓加固工程等，都是采取直接加固法；間接加固法包括：外加預(yù)應(yīng)力加固法或增設(shè)支點(diǎn)加固法等。類似的工程有物流外包及倉儲(chǔ)配套服務(wù)中心項(xiàng)目倉庫加固改造工程、寧海中學(xué)1號(hào)教學(xué)樓和藝術(shù)樓加固工程等采取的是間接加固法。其中直接加固法均是通過增設(shè)附加材料或構(gòu)件來分擔(dān)原有結(jié)構(gòu)所受到的地震作用。這些加固措施從有效性、粘結(jié)材料的耐久性、操作一體性、加固效果的連續(xù)性以及經(jīng)濟(jì)性等方面均存在一定的問題。眾所周知，結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞與其抗剪強(qiáng)度的大小直接相關(guān)。對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，影響抗剪強(qiáng)度的因素主要有：砂漿和塊體的強(qiáng)度、法向壓應(yīng)力（即剪-壓復(fù)合受力相關(guān)性）和砌筑施工質(zhì)量等。施楚賢、駱萬康等人對(duì)砌體剪-壓復(fù)合受力的相關(guān)性問題進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)砌體剪切強(qiáng)度破壞過程有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度低、抗壓性能好的特點(diǎn)，國外學(xué)者提出對(duì)砌體施加預(yù)應(yīng)力來提高其抗彎、抗剪能力，并改善其延性性能。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始對(duì)預(yù)應(yīng)力砌體進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力在提高砌體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度、變形、延性及墻體的抗震性能方面有顯著的效果。但是，到目前為止，還僅局限于試驗(yàn)研究階段，在預(yù)應(yīng)力砌體的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面，國內(nèi)規(guī)范幾乎空白。在國外，預(yù)應(yīng)力砌體盡管有應(yīng)用，也主要出現(xiàn)在擋土墻和廠房、倉庫、教堂等高大單層建筑物中的外墻。在中高層建筑結(jié)構(gòu)中如何應(yīng)用預(yù)應(yīng)力砌體是下一步研究發(fā)展的趨勢(shì)。此外，該預(yù)應(yīng)力砌體的理念也很少出現(xiàn)在對(duì)已建砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固之中。

從砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)在的抗剪機(jī)理角度出發(fā)，充分利用砌體剪-壓復(fù)合受力的相關(guān)性所帶來的抗剪潛力，提出了砌體結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力抗震加固方法。通過整體張拉沿砌體墻外部?jī)蓚?cè)全高范圍內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力筋對(duì)墻體施加預(yù)壓力，從而提高砌體墻自身的抗剪強(qiáng)度，并改善其抗震性能。該方法很少增加結(jié)構(gòu)自重、加固貫穿全結(jié)構(gòu)、在穿越樓層時(shí)加固效果保持連續(xù)、加固工程量小、耗資少、施工也方便。與此同時(shí)，以一典型的四層砌體教學(xué)樓結(jié)構(gòu)為例，具體討論了該種抗震加固方法在多層砌體結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)計(jì)算過程。像南理工實(shí)驗(yàn)小學(xué)教學(xué)樓加層改造項(xiàng)目、原姜家園小學(xué)臨時(shí)校區(qū)教學(xué)樓抗震加固項(xiàng)目、南京市揚(yáng)子第四小學(xué)加固工程、鼓樓區(qū)育英外國語學(xué)校教學(xué)樓1、教學(xué)樓2抗震加固改造工程都是采取此類方法進(jìn)行加固處理的?？紤]到多層砌體結(jié)構(gòu)各樓層各部分墻體處于不同的壓應(yīng)力水平，提出了采用“預(yù)應(yīng)力分級(jí)鍵”對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行分級(jí)張拉，根據(jù)各墻體實(shí)際所需來施加對(duì)應(yīng)大小的壓應(yīng)力，從而充分調(diào)動(dòng)了原有結(jié)構(gòu)內(nèi)在的抗震能力。

2.體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固砌體結(jié)構(gòu)施工方法

2.1 預(yù)應(yīng)力筋的選取與連接

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)中的預(yù)應(yīng)力筋可以選用高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線和高強(qiáng)鋼筋（如精軋螺旋鋼筋C25），但根據(jù)國外多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，豎向后張拉構(gòu)件建議選擇高強(qiáng)鋼筋，這是由于體外預(yù)應(yīng)力筋全部暴露在外，使細(xì)軟的鋼絞線或鋼絲束的架設(shè)變得十分困難，而高強(qiáng)鋼筋的剛度較大，不需要太多的臨時(shí)支撐，且更容易定位，施工操作相對(duì)便捷。此外，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)采用高強(qiáng)鋼而不是低碳鋼，因?yàn)榈吞间摃?huì)由于徐變產(chǎn)生很大的預(yù)應(yīng)力損失，而高強(qiáng)鋼可以在施加預(yù)應(yīng)力的過程中達(dá)到高應(yīng)變，從而使砌體徐變和收縮產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失降到最小。另外，選用高強(qiáng)鋼，在同樣的預(yù)拉力下預(yù)應(yīng)力筋的直徑會(huì)更小，這樣可以減少對(duì)房屋外觀的影響。當(dāng)房屋高度較高時(shí)，由于運(yùn)輸?shù)男枰?，預(yù)應(yīng)力筋需要被截?cái)唷Ｒ虼搜胤课莞叨确较?，預(yù)應(yīng)力筋的連接可以采用螺紋套筒連接或焊接，但必須確保有足夠的錨固長(zhǎng)度，以保證連接處能夠有效地傳遞預(yù)拉力。對(duì)于設(shè)置有分級(jí)鍵的地方，可采用在上、下層預(yù)應(yīng)力筋兩端車螺紋，下部預(yù)應(yīng)力筋穿過分級(jí)鍵和樓板，在樓板上方用套筒與上部預(yù)應(yīng)力筋連接。

2.2預(yù)應(yīng)力筋的錨固

一般預(yù)應(yīng)力筋的上部為張拉端，下部為固定端。上部錨固的主要要求是允許不受約束地施加預(yù)應(yīng)力，并將這個(gè)力按照要求分布到周圍的砌體上。本技術(shù)中上部錨固可在預(yù)應(yīng)力筋的端部車螺紋，套上墊塊和螺母，用螺母和螺紋來固定預(yù)應(yīng)力筋。用于上部錨固的墊板應(yīng)該具有足夠的剛度，能夠抵抗作用于墊塊上的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其厚度應(yīng)該根據(jù)計(jì)算確定。

預(yù)應(yīng)力筋下部錨固的主要要求是抵抗預(yù)應(yīng)力對(duì)錨體的局部作用，錨固必須保證對(duì)預(yù)應(yīng)力荷載的抗力不超過錨體的允許粘結(jié)應(yīng)力、剪應(yīng)力、承壓應(yīng)力等。由于需要加固的建筑既有基礎(chǔ)形式已定，因此可根據(jù)具體的基礎(chǔ)形式確定：當(dāng)墻體下部為磚基礎(chǔ)時(shí)，可將基礎(chǔ)鑿開，預(yù)應(yīng)力筋可用插入墻體下部的槽鋼固定，待預(yù)應(yīng)力筋放置就位后，再用微膨脹混凝土澆筑，混凝土中配置適量的鋼筋，通過化學(xué)植筋法錨入原磚基礎(chǔ)中。當(dāng)墻體下部為混凝土基礎(chǔ)時(shí)，若需施加的預(yù)應(yīng)力較小，可直接采用化學(xué)植筋法將預(yù)應(yīng)力筋錨入原基礎(chǔ)中，植筋長(zhǎng)度需經(jīng)過計(jì)算確定；當(dāng)需要施加的預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，可在基礎(chǔ)上鑿孔，預(yù)應(yīng)力筋用錨板固定，待預(yù)應(yīng)力筋放置就位后，再用微膨脹混凝土澆筑，混凝土中配置適量的鋼筋。

2.3預(yù)應(yīng)力筋的張拉

在給砌體墻體施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，推薦兩種方法，這兩種方法都是通過拉伸鋼筋擠壓墊板產(chǎn)生反作用力從而給砌體施加預(yù)應(yīng)力的，它們的區(qū)別在于施力系統(tǒng)的不同。

（1）液壓張拉法

首先用墊板和墊圈套住預(yù)應(yīng)力筋并擰上螺母，將預(yù)應(yīng)力筋固定就位，然后可采用液壓張拉法直接張拉。所施加的拉力值可由張拉器所帶的壓力計(jì)讀出。待張拉至油壓標(biāo)定值后，再用扳手將螺母旋緊至墊板的表面，然后卸載油壓，移去張拉器即可。液壓張拉法精度高，可以很好的適用于預(yù)應(yīng)力筋直徑大和長(zhǎng)度較大的情況。

（2）使用扭矩扳手

扭矩扳手系統(tǒng)是采用扭矩扳手旋緊套在預(yù)應(yīng)力筋張拉端螺紋上的螺母，使它壓緊墊板以拉伸鋼筋的。扭矩扳手帶有按所需扭矩預(yù)先調(diào)好的顯示裝置，因此可準(zhǔn)確地拉伸鋼筋及施加所要求的預(yù)拉力。

結(jié)束語

砌體結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合在城鎮(zhèn)砌體房屋加固改造工程中推廣。

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