既有石結(jié)構(gòu)房屋石樓板加固技術(shù)分析

周 天，朱遠(yuǎn)浩，鄭 亮，蘇明雙

（1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福建春林工程管理有限公司，福建 廈門(mén) 361000； 3.廈門(mén)保順建設(shè)有限公司，福建 廈門(mén) 361100）

中國(guó)石材資源遍在布大江南北，各類石材礦山年開(kāi)發(fā)產(chǎn)量高達(dá)數(shù)億噸，其中以花崗巖、大理石礦山為主。而花崗石資源大部分集中在沿海各省，福建、廣西、山東等五省及自治區(qū)，其生產(chǎn)量幾乎占到全國(guó)花崗石產(chǎn)量的70%。

就福建沿海地區(qū)而言，花崗巖分布廣泛、易于取材，而基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗、經(jīng)濟(jì)、居住條件等原因石砌體房屋遍布沿海村鎮(zhèn)，尤其以閩南石結(jié)構(gòu)建筑最為集中，保有量至少占村鎮(zhèn)建筑總量的60%。王慧芳、郭子雄等通過(guò)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)泉州地區(qū)現(xiàn)存石結(jié)構(gòu)房屋大部分分布在農(nóng)村地區(qū)，其比例高達(dá)80% ，而且是農(nóng)民居民用房的主要結(jié)構(gòu)類型之一，其中惠安縣的村鎮(zhèn)里也是隨處可見(jiàn)的石砌體結(jié)構(gòu)，石結(jié)構(gòu)建筑石墻采用條石進(jìn)行砌筑，基礎(chǔ)及其上部結(jié)構(gòu)的墻、梁、柱、樓板以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件皆采用石材制作，極具當(dāng)?shù)靥厣?/p>

福建省地處中國(guó)東南沿海地震帶、臨近環(huán)太平洋地震帶。在此背景下數(shù)量眾多的石結(jié)構(gòu)房屋易受地震影響。由于石結(jié)構(gòu)安全性不足、石材易發(fā)生脆性斷裂，如果不采取一定的措施對(duì)石結(jié)構(gòu)加固，在震害下易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 石結(jié)構(gòu)房屋

1 石結(jié)構(gòu)存在的安全隱患

石結(jié)構(gòu)房屋建筑大多修建于在20世紀(jì)70年代左右，多數(shù)為地方傳統(tǒng)工匠砌筑而成。由于缺乏必要的房屋設(shè)計(jì)常識(shí)，建造時(shí)未遵循砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，也沒(méi)有考慮抗震設(shè)防，大多數(shù)的石結(jié)構(gòu)住宅均未設(shè)計(jì)圈梁、構(gòu)造柱、圈梁等鋼筋混凝土構(gòu)件，房屋的整體性差，縱橫墻之間聯(lián)系薄弱；絕大部分石塊之間采用三合土或低等級(jí)砂漿粘結(jié)，且密實(shí)度低、抗剪強(qiáng)度弱；各石樓板之間、石樓板與墻體的連接薄弱甚至僅搭接在部分石墻上，支撐（錨固）長(zhǎng)度也不足；構(gòu)件自身強(qiáng)度不足而引起破壞主要表現(xiàn)在石柱、石梁、石樓板等石制構(gòu)件， 石材具有承載力強(qiáng)，耐久性較好等優(yōu)點(diǎn)，但它的脆性材質(zhì)的這一弱點(diǎn)十分顯著，抗拉、抗剪等強(qiáng)度較低，在某些外部沖擊荷載或彎矩、剪力作用下容易產(chǎn)生脆性破壞，這種破壞形態(tài)事先毫無(wú)預(yù)兆，其危害性極大。

圖2 石樓板與石墻搭接

其中石樓板構(gòu)件作為石結(jié)構(gòu)房屋中主要的受彎承載構(gòu)件，跨度較大約有2～4 m，各樓板灰縫間雖存在低強(qiáng)度紅黏土砂漿粘結(jié)，但主要依靠?jī)啥舜罱釉谑瘔Φ牟糠中纬深愃坪?jiǎn)支梁的單向受力模式。裂縫一旦產(chǎn)生，會(huì)迅速發(fā)展最后引起脆性破壞，破壞前沒(méi)有任何征兆，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。海峽都市報(bào)、泉州網(wǎng)、東南早報(bào)等都曾報(bào)道若干石結(jié)構(gòu)倒塌、石樓板斷裂的意外事件，因此要著重考慮石樓板的加固措施，提高石樓板的抗彎承載能力并改變其脆性破壞的形式，是解決石結(jié)構(gòu)建筑安全隱患的一個(gè)決定性因素。

2 石樓板構(gòu)件加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著國(guó)家對(duì)地震和建筑抗震方面的認(rèn)識(shí)逐步提高，學(xué)者們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能及加固改造技術(shù)有一定的研究基礎(chǔ)。石結(jié)構(gòu)民房領(lǐng)域的研究方面，從石材力學(xué)性能、石材砂漿界面粘結(jié)性能等材料方面的研究，到石墻體、受彎石構(gòu)件等石結(jié)構(gòu)建筑中的構(gòu)件加固試驗(yàn)研究，再到石結(jié)構(gòu)整體抗震方面都進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)及理論分析，對(duì)指導(dǎo)石結(jié)構(gòu)抗震加固有一定理論基礎(chǔ)。

2.1 鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固

2.1.1 加固影響因素及效果

郭子雄采用其課題組內(nèi)自行配置的改性砂漿對(duì)石樓板面層進(jìn)行配筋面層加固，進(jìn)行受彎試驗(yàn)研究，加固石樓板配筋率約0.336%試件的破壞形態(tài)類似于RC適筋梁的延性破壞，受彎承載力有所提升。開(kāi)裂彎矩和極限彎矩均隨配筋率和鋼筋強(qiáng)度的增大而增大。而加固配筋率為0.21%試件存在類似鋼筋混凝土梁少筋破壞的彎矩-撓度曲線，說(shuō)明加固石板存在最小配筋率的問(wèn)題需要進(jìn)一步試驗(yàn)探究。張楠對(duì)多個(gè)未加固花崗巖石樓板試件、鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固試件進(jìn)行受彎試驗(yàn)研究。花崗巖石樓板斷裂破壞面往往發(fā)生在最大彎矩區(qū)域的最小截面或有天然缺陷的截面；且其受壓區(qū)的極限應(yīng)變平均值遠(yuǎn)小于圓柱體軸心抗壓試驗(yàn)的結(jié)果。加固試件得出了配筋率對(duì)極限承載力的影響最大。存在的問(wèn)題包括：石材因離散型其本構(gòu)模型有待完善、鋼筋網(wǎng)砂漿實(shí)際加固中存在施工難題、多片石板加固試驗(yàn)有待研究。

陳瀟魁主要考慮加固方式、加固層配筋率對(duì)試件的影響。對(duì)石樓板進(jìn)行鋼筋網(wǎng)水泥砂漿板底面層加固和圍套加固，通過(guò)植筋將鋼筋網(wǎng)固定，試驗(yàn)表明兩種加固方式都有明顯效果，其中植筋掛鉤對(duì)石板正截面抗彎承載力幾乎沒(méi)有不利影響，圍套加固法影響不大反而對(duì)材料協(xié)同作用不利。配筋率小于0.3%的試件均表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，配筋率達(dá)到0.4%左右的試件則表現(xiàn)出較好的延性。

2.1.2 加固試件開(kāi)裂彎矩計(jì)算

陳瀟魁計(jì)算假定包括石材開(kāi)裂前受壓、受拉區(qū)應(yīng)力均呈三角形分布，且均處于彈性受力階段且受拉區(qū)石材恰好達(dá)到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。郭子雄同樣以試件開(kāi)裂石材受拉邊緣達(dá)到其抗拉強(qiáng)度作為開(kāi)裂荷載的標(biāo)志，且假定中性軸位于石樓板截面中心即將改變位置，計(jì)算忽略了加固層砂漿所承受的力。張楠?jiǎng)t考慮砂漿層的受力，所計(jì)算的結(jié)果相比郭子雄所得結(jié)果誤差小。

2.1.3 加固試件受彎承載力計(jì)算

對(duì)石材受彎構(gòu)件面層加固承載力計(jì)算，陳瀟魁給出的公式類似于鋼筋混凝土梁的計(jì)算，受彎承載力包含了加固層鋼筋、受拉區(qū)石材提供的承載力，不考慮加固層的混凝土或水泥砂漿材料。郭子雄等類比鋼筋混凝土梁計(jì)算公式簡(jiǎn)化為截面彎矩由石板受壓區(qū)壓應(yīng)力和加固層鋼筋拉力抵抗承擔(dān)，二者滿足應(yīng)力平衡條件，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比平均誤差在10%以內(nèi)。

2.2 CFRP筋加固

2.2.1 板縫配筋加固

鄭奕鵬研究了板縫、底面加固石板樓蓋構(gòu)件的受彎性能，板縫連接處與實(shí)際不同，采用灌漿料、改性砂漿、自流平砂漿。板縫嵌埋高強(qiáng)鋼筋澆灌高強(qiáng)灌漿料僅對(duì)開(kāi)裂、極限彎矩提高不明顯，砂漿強(qiáng)度大于20 MPa后變化影響不大，加固石板樓蓋中和軸位置隨著配筋率提高而下降。但實(shí)際中板縫間砂漿強(qiáng)度低，而且頂層已存在裝飾裝修難以拆除重新進(jìn)行灰縫灌漿。試驗(yàn)加載是在三塊板上同時(shí)加載，未分析板與板之間的影響。

圖3 試件加固過(guò)程

葉勇在鄭奕鵬的研究基礎(chǔ)上，對(duì)板縫配CFRP筋加固，承載和變形能力有所提升，但加固工程中，若要將石樓板間的灰縫清除并重新加固，該方法在現(xiàn)存石結(jié)構(gòu)房屋中難以實(shí)施。

2.2.2 內(nèi)嵌式預(yù)應(yīng)力加固

除了對(duì)石樓板進(jìn)行面層加固研究外，還有學(xué)者結(jié)合近表面內(nèi)嵌式技術(shù)，針對(duì)石樓加固提出了新的加固方式。

從2014年開(kāi)始，葉勇等就借鑒內(nèi)嵌式技術(shù)對(duì)石樓板進(jìn)行加固研究，提出了一種內(nèi)嵌式預(yù)應(yīng)力CFRP筋的加固方法。試驗(yàn)證明具有較高的開(kāi)裂荷載，采用預(yù)應(yīng)力的CFRP筋強(qiáng)度利用率遠(yuǎn)高于非預(yù)應(yīng)力加固石板?；诮孛娣治龇ń⒘祟A(yù)應(yīng)力NSM-CFRP筋加固石板的分析模型，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

高曉鵬采用表層嵌埋（NSM）加固方法對(duì)石樓板板底開(kāi)槽內(nèi)嵌CFRP鋼筋。加固后構(gòu)件材料間共同工作性能良好，構(gòu)件承載力有效提高。苗偉等在葉勇研究基礎(chǔ)上，主要以配筋率、預(yù)應(yīng)力水平和粘結(jié)劑作為主要試驗(yàn)參數(shù)，并基于鋼絲繩和石板之間的良好粘結(jié)特性，建立了用于預(yù)測(cè)加固石板抗彎強(qiáng)度的簡(jiǎn)化理論模型。

劉翔、葉勇等提出一種預(yù)制增強(qiáng)板加固，實(shí)現(xiàn)對(duì)石樓板的快速加固。該預(yù)制增強(qiáng)板內(nèi)嵌CFRP筋，試驗(yàn)研究增強(qiáng)板的加固方式、寬度、CFRP筋直徑和配筋率對(duì)加固后受彎性能的影響。試驗(yàn)表明預(yù)制增強(qiáng)板與石材的粘結(jié)可靠，加固后構(gòu)件性能明顯提高且具有一定延性。這種預(yù)制的加固板雖然加固快捷方便，但研究不夠成熟，其耐久性能尚未得到驗(yàn)證。

目前對(duì)上述NSM預(yù)應(yīng)力加固方法的試驗(yàn)進(jìn)行的較多，但上述方法不僅在石樓板底面開(kāi)槽對(duì)構(gòu)件截面有所削弱，而且在石樓板兩端固定錨具進(jìn)行張拉，這種方法在實(shí)際使用中的石結(jié)構(gòu)房屋中存在很多問(wèn)題，施工較復(fù)雜，工序多難以推廣。

3 研究展望

縱觀現(xiàn)有的石樓板加固研究，部分研究成果應(yīng)用于既有工程中仍存在一些問(wèn)題。綜合上文的分析，提出以下研究思路。

（1）碳纖維板在加固修復(fù)的應(yīng)用中逐漸廣泛，主要表現(xiàn)在能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力以及施工方案的優(yōu)勢(shì)，該材料所具備強(qiáng)度高、韌性高、施工操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能給石結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件加固工程帶來(lái)應(yīng)用價(jià)值。

（2）目前新發(fā)展的超高性能混凝土（UHPC）具備超高的力學(xué)性能和超高的耐久性。將UHPC材料運(yùn)用到石結(jié)構(gòu)加固技術(shù)上，利用UHPC具有的良好延展性，其抗拉、抗剪強(qiáng)度較石材相比要好很多，這將有助于增加石樓板的受彎承載力。這些優(yōu)異的性能不僅可以有效提高結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)能夠降低加固面層的厚度，以節(jié)約加固成本。

4 結(jié)論

（1）目前石樓板構(gòu)件的抗彎加固技術(shù)研究已有一定的進(jìn)展，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固、鋼筋嵌縫加固、粘貼預(yù)制板加固均能一定程度提升石樓板承載能力并改善構(gòu)件破壞形態(tài)，使其發(fā)生延性破壞。

（2）鋼筋網(wǎng)水泥砂漿這種受拉面層加固方法需要支模澆筑等施工流程、施工困難且耐久性一般；而板縫配筋、板底嵌入鋼筋的加固方案在實(shí)際施工中缺乏可行性、普適性而難以推廣，所以上述這些加固方法基本沒(méi)法在既有石結(jié)構(gòu)房屋中實(shí)施?，F(xiàn)在政府規(guī)定已不允許新建石結(jié)構(gòu)房屋，所以板縫重新配筋、內(nèi)嵌CFRP筋等加固方式不可能實(shí)現(xiàn)。

（3）已有的研究基本是對(duì)單塊石樓板的受彎性能進(jìn)行加固試驗(yàn)，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中數(shù)塊石板通過(guò)灰縫連接共同受力。建議開(kāi)展多片石樓板整體加固研究，逐步形成符合實(shí)際工程的石結(jié)構(gòu)樓蓋加固技術(shù)。

（4）目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)采用超高性能混凝土、碳纖維板材等高性能材料的加固技術(shù)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但缺少利用這些加固材料進(jìn)行石樓板加固的研究工作。