UHPC單面無損加固歷史建筑砌體墻技術研究

王竹君

(上海建工二建集團有限公司 上海 200090)

0 引言

我國存在著大量亟待加固修繕、保護性改造和再利用的歷史建筑。歷史建筑的建設時期較早，通常無法滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的要求，加之在長期服役過程中累積了不同程度的損傷，功能退化，需要通過加固修繕的方式，提升其承載能力與抗震能力。但歷史建筑的改擴建施工也會對結構本身造成一定的擾動。因此，對歷史建筑的加固，不僅要考慮永久使用階段的要求，還需要考慮施工階段的影響。

外包鋼筋混凝土的增大截面法，是歷史建筑砌體墻的一種常規(guī)加固方式。這種方法簡單經(jīng)濟、技術成熟、應用廣泛，卻也存在一些不足。例如，鋼筋混凝土外包加固時需要在原結構上植筋、設置對穿錨桿，對保護等級較高、要求無損加固的歷史建筑不適用；混凝土材料強度和延性有限，加固后墻體抵御變形能力不足；混凝土外包加固厚度較大，影響歷史建筑的室內使用面積等。

因此，工程界開始探索替代普通鋼筋混凝土的新型加固材料。纖維增強混凝土材料(如超高性能混凝土UHPC、高延性纖維增強水泥基復合材料ECC等)具有高強度、高韌性和高耐久性的特征，是較為理想的加固材料。國內外也對纖維增強混凝土材料在砌體結構加固中的應用做了一些研究[1-5]：

Liu[6]根據(jù)UHPC和砌體材料參數(shù)進行分析，UHPC加固的墻體抗剪承載力提高了約30%～80%。

上海建工二建集團有限公司與上海理工大學對UHPC加固歷史磚墻的力學性能進行了室內試驗研究[7]。

現(xiàn)有研究表明，UHPC加固歷史建筑砌體墻，可以在對墻體破壞最小化的前提下，提高砌體墻的承載能力和變形能力，改善墻體抗震性能，為砌體結構加固提供了一種良好的方法。但現(xiàn)有針對UHPC加固歷史磚墻的研究仍停留在室內試驗階段，實際工程的應用效果仍需進一步探索。本文從現(xiàn)行設計規(guī)范、永久使用狀態(tài)、特殊施工工況和抗震性能等角度出發(fā)，研究了UHPC加固歷史磚墻的受力性能，為未來的歷史建筑加固項目提供經(jīng)驗與參考。

1 工程概況

本文依托上海市黃浦區(qū)的某歷史建筑街區(qū)改造項目，項目內的主要歷史建筑為一幢5層的“□”形混合結構。工程對歷史建筑進行加固修繕，在歷史建筑合圍的內部場地新建三層地下室，并采用管幕法施工歷史建筑與新建地下室之間的地下連通道，如圖1所示。管幕工作井位于歷史建筑內部，工作井施工時，為了創(chuàng)造施工空間，需要拆除歷史建筑一層的部分砌體承重墻，并在相應的位置采用臨時立柱支撐二層墻體。因此，二層砌體墻的加固，除了需要滿足永久使用階段的要求外，還需抵抗地下空間開發(fā)、管幕及其工作井施工期間產(chǎn)生的變形和沉降。

圖1 需加固的二層墻體概況示意圖

歷史建筑的二層層高為4.5 m，需要加固的砌體墻長度為13.7 m，如圖2(c)所示。砌體墻厚度為240 mm，采用青磚及混合砂漿砌筑。根據(jù)鑒定勘察結果，砂漿強度等級為M3，砌塊強度等級為MU10。根據(jù)《砌體結構設計規(guī)范》(GB5003-2011)可推定，砌體的抗壓強度設計值為1.34 MPa?？紤]軸心抗拉和彎曲抗拉的最小抗拉強度，設計值為0.086 MPa。

二層砌體墻加固的原設計方案為混凝土面層加固，采用60 mm厚度的鋼筋混凝土加固面層，如圖2(a)所示，混凝土強度C25，配置φ8@200鋼筋網(wǎng)片，并在墻中設置φ8的L形錨筋，采用對穿螺桿支模澆筑。

為提高歷史建筑砌體墻的加固效果，同時減少對墻面的損傷和室內空間占用，利用UHPC的優(yōu)異性能，設計了基于UHPC的超薄單面無損加固方案。采用40 mm厚度的UHPC加固面層，如圖2(b)所示，鋼纖維摻量2%，強度等級C120，不設置鋼筋網(wǎng)片。

(a)鋼筋混凝土面層加固示意圖 (b)超高性能混凝土UHPC面層加固示意圖

(c)單面加固的墻體示意圖圖2 歷史建筑砌體墻加固方案

2 設計規(guī)范下的加固墻體受壓承載力分析

采用平面尺寸3 m×3 m的不同厚度的砌體墻，研究不同厚度的UHPC和鋼筋混凝土面層加固后的墻體受壓承載力。磚砌墻體抗壓強度設計值為1.34 MPa；UHPC抗壓強度設計值為120 MPa；C25混凝土抗壓強度設計值為16.7 MPa。采用鋼筋混凝土面層加固軸心受壓的砌體構件，其正截面受壓承載力驗算[8]：

表1 UHPC加固面層強度利用系數(shù)

根據(jù)上式，計算出不同厚度的砌體墻在不同材料以及不同加固厚度下的承載力，計算結果如表2和圖3所示。

表2 砌體墻受壓承載力 kN

圖3 砌體墻受壓承載力

由受壓承載力計算結果分析可得：在同等的加固層厚度下，采用UHPC加固的墻體受壓承載力，是普通鋼筋混凝土加固的1.4～1.6倍；采用40 mm厚UHPC的超薄單面無損加固方案，砌體墻的受壓承載力約是原設計方案(60 mm厚鋼筋混凝土加固)墻體受壓承載力的1.1倍。因此，在原設計方案能夠滿足設計要求的前提下，基于UHPC的超薄單面無損加固方案，亦能滿足設計要求。

3 永久使用狀態(tài)的加固效果分析

在結構有限元分析軟件Midas Gen中建立大樓的局部模型，用于模擬UHPC加固的砌體墻在永久使用階段的受力性能。建模范圍沿著研究對象向兩側各延伸一跨結構，包括大樓1～4層的混凝土梁、板、柱結構和砌體墻結構，如圖4所示。

圖4 大樓局部模型(含40 mm厚UHPC加固墻體)

結構所承受的荷載包括：①恒荷載，結構自重G；②活荷載，樓面活荷載L(2.5 kN/m2)。根據(jù)《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB50068-2018)[9]，荷載組合取為1.3G+1.5L。根據(jù)材料供應商提供的UHPC材料性能參數(shù)，材料的抗壓強度為120 MPa，抗拉初裂強度(彈性抗拉強度)為9.2 MPa，極限抗拉強度為11.5 MPa，彈性模量為43 GPa，泊松比為0.2，重度為27 kN/m3。墻體在永久使用階段的位移和應力分析結果，如圖5～圖7所示。

圖5 永久使用狀態(tài)下UHPC加固墻體的位移云圖

圖6 永久使用狀態(tài)下UHPC加固墻體的最大主應力云圖

圖7 永久使用狀態(tài)下UHPC加固墻體的最小主應力云圖

在永久使用階段，UHPC加固的砌體墻的最大位移為0.85 mm，最大相對變形為0.78 mm。UHPC的最大主應力為0.30 MPa，未超過UHPC材料的彈性抗拉強度(9.2 MPa)。砌體墻的最大主應力為0.013 MPa，未超過砌體結構抗拉強度(0.086 MPa)，墻體不會出現(xiàn)裂縫。UHPC的最小主應力為6.33 MPa，未超過UHPC材料的抗壓強度(120 MPa)，砌體墻的最小主應力為0.274 MPa，未超過砌體結構抗壓強度(1.34 MPa)，墻體不會出現(xiàn)受壓破壞。因此，UHPC加固的墻體滿足永久使用階段的要求。

4 特殊施工工況下的加固效果分析

除了考慮設計規(guī)范和永久使用狀態(tài)之外，加固的墻體還面臨施工過程中的各類特殊工況，包括一層墻體拆除、管幕施工、新建地下室等施工過程引起的變形和沉降。為此，在Midas Gen中建立大樓的局部模型，模擬一層墻體拆除和地下空間開發(fā)期間的UHPC加固墻體受力性能，如圖8所示。墻體承受的荷載包括：①恒荷載，結構自重G；②活荷載，樓面施工荷載L(5 kN/m2)、管幕施工導致的基礎沉降U。根據(jù)《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB50068-2018)[9]，考慮施工過程中的兩種特殊工況：①一層墻體拆除，荷載組合取為1.3 G+1.5 L；②管幕施工導致的沉降，荷載組合取為1.3 G+1.5 L+U。

圖8 一層墻體拆除、地下空間開發(fā)階段的大樓局部模型(含40 mm厚UHPC加固墻體)

在工況①一層墻體拆除情況下，40 mm厚UHPC加固墻體受力計算結果如圖9～圖11所示。限于篇幅，為圖示清晰，僅顯示加固墻體部分的分析結果。UHPC加固墻體最大位移為0.71 mm，墻體最大相對變形為0.52 mm。UHPC的最大主應力為1.49 MPa，未超過UHPC材料的彈性抗拉強度(9.2 MPa)；砌體墻的最大主應力為0.065 MPa，未超過砌體結構的抗拉強度(0.086 MPa)，墻體不會出現(xiàn)裂縫。UHPC的最小主應力為4.81 MPa，未超過UHPC材料的抗壓強度(120 MPa)；砌體墻的最小主應力為0.21 MPa，未超過砌體結構抗壓強度(1.34 MPa)，墻體不會出現(xiàn)受壓破壞。

圖9 工況①加固墻體位移云圖

圖10 工況①加固墻體最大主應力云圖

圖11 工況①加固墻體最小主應力云圖

工況②考慮地下空間開發(fā)和管幕施工等過程產(chǎn)生的差異沉降。經(jīng)過分析，當二層墻體下方完全無豎向支撐時，墻體和托換梁的最大撓度為0.64 mm。因此，施工可產(chǎn)生的最大差異沉降為0.64 mm。

當二層墻體下的支撐柱與墻兩端的差異沉降小于0.35 mm時，墻體的變形和受力情況如圖12～圖14所示。UHPC的最大主應力為2.03 MPa，未超過UHPC材料的彈性抗拉強度(9.2 MPa)。砌體墻的最大主應力為0.086 MPa，剛好達到砌體結構的抗拉強度(0.086 MPa)，砌體結構處于開裂的臨界狀態(tài)。UHPC的最小主應力為3.54 MPa，未超過UHPC材料的抗壓強度(120 MPa)；砌體墻最小主應力為0.15 MPa，未超過砌體結構抗壓強度(1.34 MPa)，墻體不會出現(xiàn)受壓破壞。該狀態(tài)為砌體結構出現(xiàn)裂縫的臨界狀態(tài)，但UHPC加固層內的應力水平仍然較低，結構整體具有較充分的彈性變形空間，安全性滿足要求。

圖12 工況②加固墻體位移云圖(差異沉降0.35 mm)

圖13 工況②加固墻體最大主應力云圖(差異沉降0.35 mm)

圖14 工況②加固墻體最小主應力云圖(差異沉降0.35 mm)

當二層墻體下的支撐柱與墻兩端的差異沉降在0.35 mm～0.64 mm之間時，墻體的變形和受力情況如圖15～圖17所示。UHPC的最大主應力為2.53 MPa，未超過UHPC材料的彈性抗拉強度(9.2 MPa)，砌體墻的最大主應力為0.11 MPa，超過砌體結構的抗拉強度(0.086 MPa)，砌體結構發(fā)生開裂。UHPC的最小主應力為3.19MPa，未超過UHPC材料的抗壓強度(120 MPa)，砌體墻的最小主應力為0.14 MPa，未超過砌體結構抗壓強度(1.34 MPa)，墻體不會出現(xiàn)受壓破壞。該狀態(tài)下砌體墻發(fā)生開裂，但UHPC加固層內的應力水平仍然較低，結構整體具有較為充分的彈性變形空間，安全性滿足要求。

圖15 工況②加固墻體位移云圖(差異沉降0.64 mm)

圖16 工況②加固墻體最大主應力云圖(差異沉降0.64 mm)

圖17 工況②加固墻體最小主應力云圖(差異沉降0.64 mm)

綜合以上分析，當歷史建筑保護等級要求規(guī)定原砌體墻完全不允許出現(xiàn)裂縫時，應控制二層墻體下的支撐柱與墻兩端的差異沉降不超過0.35 mm。在地下空間開發(fā)產(chǎn)生的差異沉降下，墻體的最大撓度為0.64 mm，此時砌體結構會產(chǎn)生裂縫，但UHPC仍處于彈性受力狀態(tài)，結構整體具有良好的承載和變形能力。

5 抗震性能分析

通過建立大樓整體模型，對結構進行抗震分析，施加的荷載包括0.4 kN/m2的風荷載、2.5 kN/m2的活載以及結構自重，如圖18所示。

圖18 大樓整體模型(含有40 mm厚UHPC加固的歷史磚墻)

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)，上海地區(qū)的地震設防烈度為7度，II類場地?？拐痱炈憬Y果如表3～表4所示，大樓的最大平均層間位移角為1/678，小于層間位移角限值1/550。側向剛度規(guī)則?？芍?，UHPC加固砌體墻后的大樓滿足抗震設計要求。

表3 層間位移角驗算結果

表4 層間剛度比與層間剪力驗算結果

6 結語

本文以實際工程為依托，從現(xiàn)行設計規(guī)范、永久使用狀態(tài)、特殊施工工況和抗震性能等角度，研究和分析了UHPC超薄無損加固歷史建筑砌體墻的受力性能，得出以下結論:

(1)通過規(guī)范設計計算，40 mm厚度的UHPC加固砌體墻，其受壓承載能力優(yōu)于60 mm厚混凝土加固砌體墻。在原混凝土加固方案能滿足設計要求前提下，UHPC超薄無損加固方案亦能滿足設計要求。

(2)考慮永久使用階段的荷載情況，UHPC加固的砌體墻應力均在彈性范圍內，墻體不會出現(xiàn)受壓或受拉破壞。

(3)通過分析UHPC加固的砌體墻在一層墻體拆除、新建地下室、管幕施工等特殊施工工況下的結構響應，可知當歷史建筑保護等級要求原砌體墻完全不允許出現(xiàn)裂縫時，需要嚴格控制二層墻體下的支撐柱與墻兩端的差異沉降。在地下空間開發(fā)產(chǎn)生最大差異沉降情況下，砌體結構會產(chǎn)生裂縫，但UHPC加固面層仍處于彈性受力狀態(tài)，結構整體具有良好的承載和變形能力。

(4)抗震分析中，根據(jù)層間位移角、層剪力和剪重比、側向剛度不規(guī)則驗算的結果可知，采用UHPC加固砌體墻后的大樓，整體抗震性能滿足要求。

綜上，采用UHPC加固歷史建筑的砌體墻，能夠在保證結構安全的前提下，有效減少加固面層的厚度，提高室內空間使用率。同時，UHPC加固的砌體墻，具有良好的承載能力和變形能力，在永久使用狀態(tài)和地下空間開發(fā)導致的差異沉降下，均能夠保證整體結構的安全。