以UHPC加固歷史建筑砌體墻的偽靜力試驗(yàn)研究

位三棟 彭 斌 鄭七振 龍莉波 馬躍強(qiáng) 陳 剛

1. 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093；2. 上海建工二建集團(tuán) 上海 200080；3. 上海建筑逆作法工程研究中心 上海 200080

砌體結(jié)構(gòu)在我國(guó)已有悠久的發(fā)展歷史，曾被廣泛地用于工業(yè)和民用建筑中。雖然我國(guó)已著重推動(dòng)建筑材料改革，推廣新型安全的綠色建筑材料，但現(xiàn)存的大量磚混結(jié)構(gòu)建筑是無(wú)法忽視的。隨著城市化的推進(jìn)，歷史建筑在城市中占據(jù)著不可替代的作用，其蘊(yùn)含的歷史人文價(jià)值是無(wú)可替代的。因此保護(hù)歷史建筑受到社會(huì)的高度關(guān)注，而對(duì)歷史建筑的加固再使用已逐漸成為社會(huì)的熱點(diǎn)。因此研究出合理、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的加固方式就顯得尤為重要。傳統(tǒng)加固方法，如鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固方法需要錨固鋼筋網(wǎng)，不可避免地會(huì)對(duì)歷史建筑造成一定程度的損傷。混凝土板墻加固方法會(huì)減少建筑物的使用空間。最近涌現(xiàn)出一些新型加固方法如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但該方法不能很好地提高歷史建筑的剛度，故其抗震加固效果不明顯。

超高性能混凝土（UHPC）以其“三高”而著稱(chēng)，即耐久性高、工作性高、強(qiáng)度高，被稱(chēng)為21世紀(jì)混凝土。在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，隨著綠色混凝土工程材料的推進(jìn)和發(fā)展，超高強(qiáng)高性能混凝土在改善環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益、解決工程中的疑難問(wèn)題等方面引起了社會(huì)各界的極大關(guān)注。在國(guó)外，UHPC已經(jīng)被用于很多工程，如巴黎JeanBouin體育場(chǎng)，馬賽地中海博物館等。國(guó)內(nèi)對(duì)UHPC的應(yīng)用也已逐漸展開(kāi)，馮軍驍?shù)萚1]已研究將UHPC用于預(yù)制裝配梁節(jié)點(diǎn)連接，得到很好的效果。邵旭東等[2]已將UHPC用于連續(xù)箱梁橋。而UHPC在砌體加固方面還未得到研究和應(yīng)用。本文采用上海羅洋新材料科技有限公司提供的UHPC面層加固低強(qiáng)度歷史磚砌體墻，探究加固效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2片砌體墻，一片為未加固對(duì)比試件W1，W1試驗(yàn)后單面加固為WU1，另外一片是加固試件W2。墻體長(zhǎng)1 740 mm、高1 130 mm、厚240 mm（圖1），底頂梁均采用C30混凝土澆筑，在頂、底梁上均預(yù)留寬240 mm的鍵，以防止連接處滑移，因客觀條件限制，磚墻與頂梁的交接處用早強(qiáng)灌漿料連接。墻體由2人按分層流水作業(yè)法砌筑，砌筑方式為一順一丁，灰縫厚度為10 mm。為模擬歷史建筑的現(xiàn)狀，砌墻用的磚采用有100 a歷史的建筑拆下的磚，并采用配制的低強(qiáng)度砂漿。由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)與測(cè)磚回彈儀實(shí)測(cè)，磚的強(qiáng)度為5.6 MPa。試配砂漿是石灰砂漿，強(qiáng)度為0.6 MPa，墻體完成砌筑與養(yǎng)護(hù)后采用砂漿貫入儀實(shí)測(cè)砂漿強(qiáng)度為0.4 MPa。

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造

W1試驗(yàn)后以及W2砌筑完成并養(yǎng)護(hù)一周后，用上海羅洋新材料科技有限公司提供的UHPC材料單面加固，加固厚度為40 mm，用支模澆筑的方式施工加固面層（圖2），具體試件參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工

表1 試件參數(shù)

1.2 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

砌體墻試驗(yàn)加載時(shí)，試件設(shè)計(jì)軸壓比為0.3，用千斤頂在墻頂端分2級(jí)加載至78 kN。在墻端采用50 t級(jí)MTS電液伺服作動(dòng)器施加低周反復(fù)荷載，采用荷載分級(jí)控制的方法，每級(jí)增加5 kN，初始值為5 kN，每級(jí)荷載下循環(huán)1次，直到試件出現(xiàn)較明顯的損傷破壞或承載力下降到極限荷載的85%時(shí)試驗(yàn)終止。試驗(yàn)中采集應(yīng)變、位移、荷載三部分?jǐn)?shù)據(jù)（圖3）。

圖3 位移計(jì)與應(yīng)變片位置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞過(guò)程

1）未加固試件W1主要破壞過(guò)程為：豎向荷載施加過(guò)程中墻體無(wú)明顯變化。當(dāng)水平荷載加載至20 kN時(shí)（以作動(dòng)器推為正，拉為負(fù)），墻體出現(xiàn)輕微響聲，有眾多寬0.49 mm的細(xì)小裂縫出現(xiàn)，但裂縫無(wú)明顯貫通。繼續(xù)加載至±35 kN時(shí)裂縫逐漸擴(kuò)大并基本貫通，在墻上形成“X”形交斜裂縫。當(dāng)正向加載至41.4 kN時(shí)，荷載突然下降，墻體發(fā)出很大響聲，自左上到右下的貫通斜裂縫達(dá)到的最大寬度為2.98 mm，對(duì)于反方向，當(dāng)加載到－43.1 kN時(shí)，形成自右上到左下的貫通斜裂縫寬度為3.4 mm。在此時(shí)，正反荷載都有明顯下降，卸載后終止試驗(yàn)。此條裂縫在左上跨越3皮磚，同時(shí)也穿過(guò)右下3皮磚；左下穿過(guò)2皮磚，右上跨過(guò)1皮磚，其余基本分布在砂漿灰縫中。認(rèn)為未加固墻體W1出現(xiàn)斜壓破壞（圖4），峰值水平荷載為43.1 kN。

2）加固試件WU1破壞過(guò)程為：由于WU1是W1破壞后加固的狀態(tài)，故在其未加固面已經(jīng)存在W1的貫通“X”形裂縫以及各細(xì)小裂縫。加載到45 kN時(shí)加固面與未加固面均無(wú)明顯變化，繼續(xù)加載至60 kN時(shí)墻體出現(xiàn)明顯響聲，并在墻體底部與底梁連接處出現(xiàn)水平裂縫，加固面層無(wú)任何變化，繼續(xù)加載至80 kN時(shí)，墻體底部裂縫水平貫通，在與頂梁連接處出現(xiàn)細(xì)小的水平剪切裂縫。當(dāng)加載至90 kN時(shí)，此時(shí)峰值荷載已接近43.1 kN的2倍，此后不再循環(huán)反復(fù)加載，采用單向加載至破壞。正向加載至102 kN時(shí)底層明顯脫落掉灰，加固面無(wú)明顯變化。此后荷載不斷波動(dòng)，裂縫不斷出現(xiàn)，當(dāng)加載到134 kN時(shí)，荷載突然下降，墻體上部與底層1皮磚明顯滑移錯(cuò)位，加固面跟隨墻面與底梁發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)。停止加載，認(rèn)為墻體出現(xiàn)剪切滑移破壞（圖5），UHPC加固后墻體水平峰值荷載是加固前的3倍。

圖4 W1破壞形態(tài)

圖5 WU1破壞形態(tài)

3）加固試件W2破壞過(guò)程為：W2是新砌筑墻體，養(yǎng)護(hù)1周后用UHPC加固。加載到＋50 kN時(shí)墻體出現(xiàn)響聲，－60 kN時(shí)左下方出現(xiàn)輕微響聲，并且在底部出現(xiàn)細(xì)裂縫。當(dāng)加載到90 kN時(shí)底部裂縫變寬，并水平貫通，未加固墻面與加固墻面均無(wú)明顯裂縫出現(xiàn)，加載到±100 kN時(shí)底部出現(xiàn)響聲，并且底部裂縫變寬。此后不再進(jìn)行循環(huán)加載，采用單方向施加推力，荷載增加過(guò)程中，墻面不斷出現(xiàn)灰粉脫落。加固層始終無(wú)明顯變化，當(dāng)加載至167 kN時(shí)荷載明顯下降，墻體仍是在底層出現(xiàn)剪切滑移，加固面跟隨墻體與底梁發(fā)生滑移（圖6）。

2片墻體在破壞后，為探究UHPC與墻面的連接情況，對(duì)2片墻體進(jìn)行了取芯，WU1未能取到UHPC與墻面連接完好的芯樣?？赡苁且?yàn)閃1墻面有石灰粉的存在，阻礙了UHPC與墻面的接觸。由W2的芯樣（圖7）可以看出，UHPC與墻面黏結(jié)的比較牢固。

圖6 W2破壞形態(tài)

圖7 W2芯樣

2.2 滯回曲線(xiàn)

對(duì)比W1與WU1〔圖8（a）、（b）〕滯回曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)施加荷載高于50 kN時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)一定強(qiáng)化，由于WU1和W1是同一片墻體，而且WU1是W1破壞后加固的狀態(tài)，可以認(rèn)為此后是加固層UHPC發(fā)揮了作用。W2的曲線(xiàn)較WU1完整〔圖8（c）〕，這是由于WU1是損傷后的墻體再加固，而W2是完整的新墻體加固。

對(duì)比3圖可以看出，墻體在UHPC加固后的水平承載力明顯高于加固前的，強(qiáng)度提高值多于1倍。

圖8 墻體滯回曲線(xiàn)

3 結(jié)論與展望

1）厚40 mm的UHPC加固后的墻體，其水平承載能力有很大程度的提高，提高幅值可達(dá)200%。

2）對(duì)已經(jīng)損傷的墻體可以采用UHPC加固，并且也能得到很好的加固效果。

3）從試件破壞形態(tài)來(lái)看，UHPC加固后的墻體都是在底層連接處剪切破壞，下一步可考慮將加固延伸到地基處或在節(jié)點(diǎn)處采用鋼筋加強(qiáng)連接。

4）厚40 mm的UHPC加固層對(duì)墻體強(qiáng)度的提高太大，工程應(yīng)用中也許可以減少用量，因此對(duì)不同厚度的UHPC加固有待進(jìn)一步研究[3-7]。

由于本次試驗(yàn)試件數(shù)量有限，樣本數(shù)據(jù)不充分，因此試驗(yàn)結(jié)論可能會(huì)有一定程度的偶然性。