既有石結(jié)構(gòu)民宅外走廊重建置換的加固分析

施微丹，吳繁超，林婷婷，金 捷，吳應(yīng)雄

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.福州外語外貿(mào)學(xué)院 智能建造學(xué)院，福建 福州 350202；3.福建省建設(shè)工程造價(jià)管理總站， 福建 福州 350001；4.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

福建沿海地區(qū)石材資源豐富，20世紀(jì)60年代至90年代末民宅大多數(shù)采用石材建造，石材為當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的強(qiáng)度較高的無風(fēng)化花崗巖。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),目前福建省石砌體房屋超過80萬棟，主要為民宅，大多分布于閩南地區(qū)，即泉州、漳州、廈門等地[1]。閩南地區(qū)石砌體房屋的突出特點(diǎn)是：(1)房屋以石墻承重，不僅墻體用石材，基礎(chǔ)、梁、板、柱構(gòu)件都用石材制作，故稱為石結(jié)構(gòu)房屋[2]；(2)石墻由粗料石(即整毛石)砌筑而成，所謂整毛石指的是經(jīng)過工人用專業(yè)工具粗加工的長(zhǎng)條石(俗語稱條石)，條石截面寬度和高度約為210 mm，長(zhǎng)度不一，通常約為高度的2倍～5倍，石墻砌筑砂漿主要為人工自拌的低強(qiáng)度紅黏土砂漿，采用有墊片干砌后甩漿砌筑方法[3-4]；(3)民宅多數(shù)為一至三層，平面布局較為統(tǒng)一。開間方向通常三至四跨，俗稱“三關(guān)張”、“四關(guān)張”。為實(shí)現(xiàn)房外活動(dòng)、遮陽防雨的建筑功能，通常在房屋的南邊設(shè)置外走廊，外走廊是民宅的主要出入口。福建閩南地區(qū)典型石結(jié)構(gòu)民宅如圖1所示。

石材為脆性材質(zhì)，石構(gòu)件自身抗彎、抗拉和抗剪能力較差，受荷后呈脆性破壞。我國(guó)相關(guān)規(guī)范已明確規(guī)定嚴(yán)禁采用石板、石梁及獨(dú)立料石柱作為結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件[5-7]。2009年泉州南安市一幢民宅的三層懸挑石陽臺(tái)板斷裂，如圖2所示。福建閩南地區(qū)既有石結(jié)構(gòu)民宅主要分布在村鎮(zhèn)地區(qū)，多數(shù)按當(dāng)?shù)毓そ车慕?jīng)驗(yàn)建造，未考慮抗震設(shè)防。在可預(yù)見的未來幾十年的時(shí)間內(nèi)，既有石結(jié)構(gòu)民宅大部分仍在使用中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，人們愈加重視其安全性。

從上世紀(jì)80年代起國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者就開展了石結(jié)構(gòu)房屋抗震加固的研究，主要關(guān)注石構(gòu)件的加固，即石墻、石梁、石樓板的加固，對(duì)石結(jié)構(gòu)房屋整體和局部進(jìn)行抗震加固的研究較少。石墻目前的加固方法主要有鋼筋網(wǎng)片水泥砂漿面層加固法、鋼筋混凝土夾板墻加固法、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)加固法等。徐天航等[8]采用鋼筋網(wǎng)片改性砂漿加固條石干砌石墻，對(duì)其進(jìn)行了低周水平往復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法加固石墻面層能顯著提高石墻的受剪承載力和耗能能力。劉文定[9]對(duì)3片鋼筋混凝土面層加固的石墻做了靜力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明采用夾板墻加固后的石墻抗剪承載能力可提高3倍以上，提高砂漿強(qiáng)度或者增大面層厚度可提髙加固效果。

圖2 民宅石陽臺(tái)斷裂

石梁、石樓板的加固方法主要有外加面層加固法、外包(粘)型鋼加固法以及增設(shè)支點(diǎn)法。張楠[10]自配具有一定抗垂掛性能和界面粘結(jié)性能的改性砂漿，在石樓板受拉區(qū)配置鋼筋網(wǎng)片，對(duì)加固后的石樓板進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明石樓板呈現(xiàn)延性彎曲破壞的特征，受彎承載力顯著提高。鄔偉進(jìn)[11]對(duì)4根石梁試件進(jìn)行抗彎試驗(yàn)并用有限元軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明外包型鋼石梁加載后呈現(xiàn)延性破壞。

石結(jié)構(gòu)房屋外走廊由石墻、石柱、石梁、石板這四種石構(gòu)件組成，如圖3所示。石梁直接擱置在石柱上，一般無粘結(jié)材料[12]，在正常的使用中，由于環(huán)境振動(dòng)等因素作用下可能引起石柱移位，造成嚴(yán)重安全問題。在地震下石柱與石梁交接節(jié)點(diǎn)處位移較大，易發(fā)生石柱移位，石梁石板掉落的情況[13]。外走廊是民宅的主要出入口，地震中走廊相比石結(jié)構(gòu)其他部位率先倒塌，屬石結(jié)構(gòu)房屋中抗震最為薄弱的部位。

考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠，技術(shù)成熟，抗震性能較好，因此提出將外走廊石構(gòu)件全部置換為鋼筋混凝土(RC)構(gòu)件。

圖3 外走廊石構(gòu)件實(shí)物解析圖

1 有限元分析

1.1 模型單元?jiǎng)澐?/h3>

采用成熟的有限元軟件LS-DYNA對(duì)石結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行地震模擬分析，采用等比例的分離式三維建模和SOLID 164實(shí)體單元，模擬采用顯式動(dòng)力分析方法，模型忽略砂漿的幾何尺寸，石塊間采用LS-DYNA的綁定脫粘接觸代替砂漿作用。石墻所用石塊尺寸為：寬度210 mm，高度210 mm，長(zhǎng)度840 mm，墻體連接接搓形式分為L(zhǎng)形連接與T形連接。石樓板單條尺寸為：寬度390 mm，厚度140 mm。選擇HJC本構(gòu)模型模擬花崗巖材料，并考慮材料失效條件。對(duì)于單元網(wǎng)格的劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分將單元?jiǎng)澐譃榱骟w單元，計(jì)算單元大小為130 mm×130 mm×130 mm。采用Lagrange算法對(duì)模型進(jìn)行求解，最終通過LS-PREPOST對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化輸出。地震波選用El Centro南北波，考慮到分析的模型均為分離式三維實(shí)體模型，單元和接觸數(shù)量龐大，為簡(jiǎn)化非線性分析計(jì)算工作量，因此僅考慮沿結(jié)構(gòu)單向輸入。

1.2 兩種石結(jié)構(gòu)模型建模分析

建立了典型閩南地區(qū)兩種石結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，平面布置見圖1(d)，層高為3 500 mm。兩種石結(jié)構(gòu)模型即:(1)兩層不帶石構(gòu)件外走廊的石結(jié)構(gòu)；(2)兩層帶RC結(jié)構(gòu)外走廊的石結(jié)構(gòu)，其中RC結(jié)構(gòu)外走廊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件等信息為：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，板厚為130 mm，梁截面為300 mm×500 mm，柱截面為400 mm×400 mm。閩南地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g。模型1考慮石構(gòu)件外走廊僅用兩根石柱支撐石樓板和石梁，地震動(dòng)作用下地震加速度峰值較小時(shí)(55gal)走廊即獨(dú)立倒塌[14]，建模時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型中不設(shè)置石構(gòu)件外走廊，這樣不影響計(jì)算精度；模型2則為帶RC結(jié)構(gòu)外走廊的石結(jié)構(gòu)。

在地震加速度峰值為0.1g作用下，模型1和模型2的破壞形態(tài)見圖4(a)、圖4(b)，圖4(a)可見二層外墻發(fā)生了面外倒塌，部分內(nèi)墻也發(fā)生了面外倒塌，進(jìn)而引發(fā)了二層部分石樓板的砸落。二層多數(shù)墻體出現(xiàn)較明顯開裂，裂縫寬度較大，一層部分墻體也出現(xiàn)裂縫。圖4(c)給出了結(jié)構(gòu)的位移時(shí)程曲線，可見在5.1 s時(shí)，二層層間位移達(dá)到76 mm，層間位移角為1/92，超過嚴(yán)重倒塌破壞的位移角限值，說明結(jié)構(gòu)此時(shí)已處于倒塌狀態(tài)，但是一層層間位移僅為7 mm，層間位移角為1/500，損傷較小[15]。

圖4 石結(jié)構(gòu)有限元分析圖

圖4(b)可見二層房屋角落處部分洞口邊石墻脫落，石墻上方的石板錯(cuò)位較嚴(yán)重，說明結(jié)構(gòu)此時(shí)已處于倒塌狀態(tài)。二層外走廊RC樓板與石墻連接處有輕微翹曲，但房屋整體側(cè)向水平位移被抑制，可見外走廊石構(gòu)件置換為RC構(gòu)件能減小結(jié)構(gòu)的水平位移。

從以上有限元分析結(jié)果可得，外走廊重建置換的條件下，為提高石結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力，應(yīng)當(dāng)盡可能地增大外走廊RC構(gòu)件的剛度，即增大RC構(gòu)件的截面尺寸，并適當(dāng)提高RC構(gòu)件配筋率，同時(shí)確保RC構(gòu)件與石結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造可靠。

2 外走廊重建置換

2.1 石結(jié)構(gòu)外走廊結(jié)構(gòu)布置

典型石結(jié)構(gòu)外走廊結(jié)構(gòu)布置如圖5所示，走廊共2跨，長(zhǎng)度分別為b1和b2，與相鄰室內(nèi)房間的開間相同，寬度L通常為1 500 mm～2 700 mm。

圖5 石結(jié)構(gòu)外走廊結(jié)構(gòu)布置圖

室內(nèi)石板跨度一般由建筑的開間或進(jìn)深決定，大約在3 000 mm～4 000 mm之間。單塊條石板寬度約為300 mm～360 mm，厚度約為120 mm～150 mm。石樓板灰縫間采用低強(qiáng)度砂漿粘結(jié)，石樓板兩端直接擱置在石墻或石梁上，受限于石材開采的天然尺寸，因此常出現(xiàn)支撐長(zhǎng)度不足的情況，其受力模型為兩端簡(jiǎn)支的鉸接板[16]。室外走廊石板與室內(nèi)石板的布置方向通常有兩種：(1)條石板沿X向布置；(2)條石板沿Y向布置，見圖5(a)、圖5(b)。

外走廊和相鄰室內(nèi)石板布置方式通常有四種，分別為：(1)室內(nèi)外石板均沿X向布置，見圖5(c)；(2)室內(nèi)石板Y向布置，室外石板X向布置，見圖5(d)；(3)室內(nèi)石板X向布置，室外石板Y向布置，見圖5(e)；(4) 室內(nèi)外石板均沿Y向布置，見圖5(f)。以下將上述四種布置方式分別稱為XX型、YX型、XY型、YY型石板。室外石板沿條石板的長(zhǎng)向擱置在石墻或石梁上。

與石梁垂直的封邊石梁受力小，寬度小于石梁。石梁與封邊石梁擱置在石柱上。閩南石結(jié)構(gòu)民宅石柱通常采用料石柱砌筑，石柱截面較小，通常邊長(zhǎng)為200 mm～300 mm。

2.2 石結(jié)構(gòu)RC外走廊結(jié)構(gòu)布置與連接

石結(jié)構(gòu)RC外走廊構(gòu)件布置見圖6(a)。Ba樓板四周支座為石墻與RC梁，其受力類似于兩鄰邊固定兩鄰邊簡(jiǎn)支板。Bb樓板四周支座為石墻與RC梁，其受力類似于三邊固定、一邊簡(jiǎn)支或自由端的板。這時(shí)樓板與常規(guī)RC結(jié)構(gòu)的樓板相比支座嵌固條件不同。

RC梁、RC板與石墻采取如下連接方法：

(1) RC梁與石墻的連接。見圖6(b)，RC梁La一端支座為石墻，另一端支座為RC柱。因此其一側(cè)鋼筋可直接錨入石墻中，錨入長(zhǎng)度應(yīng)不小于10d，另一側(cè)鋼筋錨入RC柱中，按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)與施工。

圖6 鋼筋混凝土外走廊結(jié)構(gòu)布置圖

(2) RC板與石墻或石板的連接。針對(duì)室外石板、室內(nèi)石板的布置形式和方向，RC板應(yīng)與石墻或相鄰石板進(jìn)行有效連接。樓板伸入石墻的長(zhǎng)度根據(jù)原石板布置的方向分為兩種，即樓板伸至石墻邊，不進(jìn)入石墻(部分XX型)，見圖7(a)；伸入一半墻寬寬的長(zhǎng)度(XY型、YX型、YY型、部分XX型)，見圖7(b)、圖7(c)。樓板板底受力鋼筋錨入石構(gòu)件不小于10d(d為樓板底部受力鋼筋直徑)。

圖7 RC板與石墻連接構(gòu)造圖

通過以上節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理，可以確保RC構(gòu)件與石結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造可靠。

2.3 石結(jié)構(gòu)RC外走廊置換加固施工

綜上，石結(jié)構(gòu)外走廊重建置換過程中RC構(gòu)件置換不應(yīng)擾動(dòng)原有的石結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是RC構(gòu)件與石結(jié)構(gòu)的連接可靠問題。施工工序如下：外走廊石墻、石板、石梁臨時(shí)支撐→拆除外走廊石構(gòu)件→RC柱及其基礎(chǔ)施工→支設(shè)梁板模板→RC梁受力鋼筋錨入相鄰石墻→綁扎RC梁鋼筋骨架→RC板鋼筋錨入相鄰石構(gòu)件中→綁扎RC板鋼筋→RC梁板混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→卸下臨時(shí)支撐。

3 工程應(yīng)用

石結(jié)構(gòu)房屋外走廊采用RC結(jié)構(gòu)重建置換的加固方法已進(jìn)行了試點(diǎn)工作，如圖8所示。圖中試點(diǎn)民宅位于福建省平潭綜合試驗(yàn)區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，民宅建于20世紀(jì)80年代，為兩層帶外走廊純石結(jié)構(gòu)，層高為3 500 mm。外走廊處石樓板厚度為140 mm，石梁截面尺寸為250 mm×450 mm，原石柱截面尺寸為210 mm×210 mm。采用外走廊重建置換加固，RC構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，RC板跨度為2 100 mm，板厚為130 mm；RC梁跨度為4 200 mm，截面為300 mm×500 mm；RC柱截面為400 mm×400 mm。RC構(gòu)件均適當(dāng)加大了配筋率。實(shí)踐表明，重建置換加固的混凝土工程量少，施工便捷，工期短，造價(jià)不高，施工過程不影響試點(diǎn)民宅居民正常生活，深受群眾的肯定。

圖8 外走廊重建置換圖

需要說明的是：福建閩南地區(qū)部分石結(jié)構(gòu)房屋外走廊兼陽臺(tái)當(dāng)寬度較小時(shí)，采用懸臂石板的建造方式，目前當(dāng)?shù)卣筮M(jìn)行加固，加固通常有兩種做法：增設(shè)鋼梁、鋼柱支撐，見圖9(a)；設(shè)置新增RC梁柱抵緊懸臂石板端部，見圖9(b)。

圖9 懸臂石樓板加固圖

4 結(jié) 論

(1) 增大外走廊RC構(gòu)件的剛度，可抑制地震作用下石結(jié)構(gòu)整體房屋的側(cè)向位移。增大RC構(gòu)件的截面尺寸的同時(shí)，適當(dāng)增大RC構(gòu)件配筋率。

(2) 確保RC構(gòu)件與石結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造可靠。新增RC梁、板受力鋼筋按照要求錨入石墻和RC構(gòu)件中，保證新增的RC構(gòu)件和已有的石結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同受力。

(3) 重建置換加固方法未改變民宅使用功能，不擾動(dòng)原結(jié)構(gòu)，施工便捷，造價(jià)不高。加固后的RC結(jié)構(gòu)與原石結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，形成類似于新型組合結(jié)構(gòu)，起到提高石結(jié)構(gòu)受力性能和抗震性能的作用，保證了既有石結(jié)構(gòu)民宅的繼續(xù)服役能力和結(jié)構(gòu)安全。