多層砌體結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)的探討

劉方

前言

砌體結(jié)構(gòu)的歷史要追溯到中國(guó)的“秦磚漢瓦”、古埃及的“金字塔”、巴比倫的“空中花園”等。我國(guó)有大面積國(guó)土位于高烈度地震設(shè)防區(qū)，這些地區(qū)大量的建筑結(jié)構(gòu)屬于砌體結(jié)構(gòu)，尤其是廣大農(nóng)村、中小城市以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的絕大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)都是砌體結(jié)構(gòu)，這也導(dǎo)致了與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在較強(qiáng)地震作用下的人員傷亡與直接經(jīng)濟(jì)損失較大（圖1）。

圖1 砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞場(chǎng)景（汶川地震）

長(zhǎng)期以來，大量的研究成果以及震害調(diào)查結(jié)果都表明，我國(guó)地震中的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失基本上都是由于建筑物的倒塌與破壞引起的。其中砌體結(jié)構(gòu)的破壞與倒塌造成的傷亡和損失占整體傷亡和損失的很大一部分。砌體結(jié)構(gòu)自身的抗震能力直接影響著地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的程度，因此，要想最大程度地降低這種影響，就需要對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與加固進(jìn)行深入的研究。

砌體結(jié)構(gòu)是指用磚石、砌塊以及膠結(jié)材料通過砌筑工藝而形成的供人類使用、生活的一種結(jié)構(gòu)。它的構(gòu)成材料的力學(xué)性能主要是抗壓、不抗拉、不抗彎等，這也就導(dǎo)致了砌體結(jié)構(gòu)在地震力作用下抗拉能力、抗剪能力、抗彎能力相對(duì)較低，特別容易裂開、倒塌，具有明顯“脆性”破壞的特征。同等級(jí)地震作用下，砌體結(jié)構(gòu)破壞的概率相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等其他各類建筑結(jié)構(gòu)類型要高許多。究其原因，還是因?yàn)榻^大多數(shù)砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)不夠合理、細(xì)部構(gòu)造后處理不當(dāng)、施工過程的質(zhì)量管理舉措欠缺、實(shí)施建造行為的主體防震抗震意識(shí)淺薄。

多層砌體結(jié)構(gòu)地震破壞模式及機(jī)理探討

在地震作用力的影響下，從受力分析的角度講砌體結(jié)構(gòu)的傳力路徑為：地震剪切力首先通過砌體結(jié)構(gòu)的樓板傳遞給墻體（主要承重構(gòu)件），再由墻體傳遞給基礎(chǔ)。在這個(gè)傳力過程中，墻體是主要的承重構(gòu)件，由于自身具有較大的強(qiáng)度和剛度，所以在地震作用下，墻體吸收了絕大部分的地震振動(dòng)能量。在這種情況下，砌體結(jié)構(gòu)的墻體不但承受著豎向的壓力，也承受著水平向的剪力，這就導(dǎo)致墻體內(nèi)部的受力是極其復(fù)雜的，砌體構(gòu)成材料處于復(fù)雜應(yīng)力的狀態(tài)，直至復(fù)雜應(yīng)力達(dá)到砌體結(jié)構(gòu)的承載能力而最終破壞或者倒塌。

特別值得注意的是，砌體門窗洞口的設(shè)置使得砌體墻體形成了數(shù)量較多的非連續(xù)的局部墻體或者墻段，造成了砌體結(jié)構(gòu)整體性較差而抗剪強(qiáng)度大幅降低。開洞墻體破壞主要有2種情形：（1）窗間墻體比窗下墻體先破壞（圖2）。由于墻體開洞，墻體水平方向上間斷不連續(xù)，在地震作用下，同一高度墻體會(huì)集體退出工作，甚至引起砌體結(jié)構(gòu)的坍塌，破壞過程相對(duì)短而快速，不利于墻體整體功能的發(fā)揮，后期修復(fù)也比較困難，修復(fù)工藝十分復(fù)雜，代價(jià)也大。（2）窗下墻體比窗間墻體先破壞。由于窗下的墻體是連續(xù)而不間斷的，其退出工作不會(huì)立即導(dǎo)致整面墻體的垮塌，能提前吸收部分地震能量，給墻體整體抗震性能的發(fā)揮爭(zhēng)取了時(shí)間，最大程度地增加了墻體的延性性能，后期修復(fù)方便、快速，代價(jià)較低。

圖2 窗間墻體典型破壞

開洞墻體的抗震設(shè)計(jì)

墻體的不同破壞模式對(duì)墻體的整體穩(wěn)定性、安全性的影響是不同的，如果按照人為預(yù)期，最佳的破壞模式應(yīng)該是窗下墻體的破壞比窗間墻體先發(fā)生或者窗下墻體和窗間墻體同時(shí)破壞。所以，這就要求，在進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)置、施工質(zhì)量管理的時(shí)候，盡可能地讓墻體“促進(jìn)或者接近”產(chǎn)生這種理想化的破壞情形。

圖3 窗下墻體典型破壞

我國(guó)的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范認(rèn)為：窗下墻體由于沒有開洞，其抵抗側(cè)向位移的能力遠(yuǎn)大于窗間的墻體，單單進(jìn)行一定的構(gòu)造措施設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)抗震的要求。這種定性的構(gòu)造措施有其簡(jiǎn)單易行的優(yōu)勢(shì)，但是針對(duì)地震中普遍出現(xiàn)的窗下墻、窗間墻破壞震害，對(duì)窗下墻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)選也是一種發(fā)展趨勢(shì)。就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)針對(duì)窗下墻設(shè)計(jì)計(jì)算的方法而言，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者都將壁式框架（圖4）計(jì)算分析概念用于窗下墻內(nèi)力計(jì)算中，同時(shí)考慮窗間墻與窗下墻的彎曲、抗剪形變，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行內(nèi)力分析和相關(guān)計(jì)算。并由此衍生出了在進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)窗下墻也要進(jìn)行受力計(jì)算分析的新方法，給廣大砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供了新思路。因此，在進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算時(shí)，利用壁式框架模型開展，同時(shí)考慮窗下墻體因素，這樣才能獲得更好的抗震效果。

圖4 壁式框架簡(jiǎn)圖

多層砌體結(jié)構(gòu)抗震加固應(yīng)用建議

（一）捆綁裝配式綜合加固技術(shù)

捆綁裝配式綜合加固技術(shù)指的是在外縱墻、外橫墻上，對(duì)構(gòu)造柱用薄壁鋼方管混凝土（圖5），對(duì)圈梁用槽鋼進(jìn)行加固處理，用扁型鋼或者角鋼托對(duì)內(nèi)橫墻加固的綜合性磚砌體加固思路。這種綜合性的加固方法優(yōu)于傳統(tǒng)的單一形式的加固方法，極大地提高了砌體結(jié)構(gòu)加固的施工速度，極大地提升了被加固砌體結(jié)構(gòu)的安全程度，這種捆綁形式的綜合性加固技術(shù)對(duì)多層磚混結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)年久的多層砌體結(jié)構(gòu)效果特別明顯，具有施工速度快、施工程序簡(jiǎn)單、造價(jià)比較低、社會(huì)效益比較好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，此種加固類型防震抗震效果比較好，經(jīng)加固后的房屋安全性比較高，有力地保障了使用者的生活舒適、安全。

圖5 扁鋼加固實(shí)例

（二）壓漿錨桿拉結(jié)加固技術(shù)

壓漿錨桿拉結(jié)砌體加固技術(shù)是指在砌體結(jié)構(gòu)后加圈梁和后加柱體的位置先進(jìn)行鉆孔，再將外加柱和圈梁伸出的鋼筋錨入孔內(nèi)，再對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行水玻璃砂漿的壓力注漿而最終形成的聯(lián)結(jié)加固技術(shù)（圖6）。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、連接強(qiáng)度大且牢靠、質(zhì)量好、節(jié)約鋼材、施工時(shí)為室外作業(yè)而對(duì)室內(nèi)干擾少。

圖6 壓漿錨桿拉結(jié)技術(shù)簡(jiǎn)圖

（三）鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固技術(shù)

鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固技術(shù)是指在砌體結(jié)構(gòu)墻體表面進(jìn)行鋼筋網(wǎng)綁扎鋪設(shè)，形成鋼筋網(wǎng)架，與墻體進(jìn)行一定的聯(lián)結(jié)，然后進(jìn)行砂漿覆面處理的砌體加固技術(shù)（圖7）。我國(guó)很多學(xué)者對(duì)此種加固技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，目前是比較成熟的。從數(shù)據(jù)來看，此種方法適用于墻體未開裂時(shí)對(duì)墻體進(jìn)行處理，由于加固處理增加了墻體抗水平力的能力，所以，墻體的抗剪強(qiáng)度較未加固有較大幅度的提升。當(dāng)墻體開裂后，如果再用此種方法進(jìn)行加固，雖然抗水平力能力有所提升，但是墻體剛度、強(qiáng)度提升效果不是那么明顯。不過，無論哪種情形下采取此類方式進(jìn)行處理，墻體的變形能力和延性都有不同程度的提升。但加固產(chǎn)生的抗水平能力的提升幅度需要高于預(yù)期地震作用下的水平破壞力，這種方法的效果才明顯。因此，廣大工程實(shí)施者在采取此類方法時(shí)，建議進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦碚摲治黾皟?nèi)力計(jì)算，以確保加固的有效性，確保工程質(zhì)量，保證施工行為的實(shí)際意義。

圖7 鋼筋網(wǎng)砂漿面層施工案例

（四）預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

最早使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固可追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的技術(shù)是采取在樓蓋下部的墻體內(nèi)外側(cè)各加一道鋼筋混凝土圈梁，并使用鋼拉桿將兩道外加的鋼筋混凝土圈梁互相拉結(jié)，墻體與鋼筋混凝土圈梁呈夾心狀。由于這種形式的拉結(jié)，兩道外加圈梁之間隔著一道墻體，而且外加的鋼筋混凝土圈梁與屋蓋或者樓板并不直接接觸，所以，外加圈梁與墻體不能形成整體，抗震效果非常有限。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種預(yù)應(yīng)力拉結(jié)加固只有當(dāng)?shù)卣饡r(shí)屋蓋或者樓板發(fā)生相對(duì)較大的側(cè)向移動(dòng)時(shí)（即樓蓋或者樓板在有一定的破壞的前提下），加固的效果才得以體現(xiàn)。這種加固形式雖然工藝簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、有一定的成效，但是缺點(diǎn)明顯，比如“五花大綁”不美觀，性能發(fā)揮不及時(shí)略顯浪費(fèi)、加固工作量大等，適合形體不大、要求不高的砌體結(jié)構(gòu)。后來，又有人對(duì)此方法進(jìn)行了改良，采用后張法預(yù)應(yīng)力張拉方式張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲束，將樓蓋或者屋蓋轉(zhuǎn)化成剛性較強(qiáng)的水平方向的“深梁”（圖8），外加在兩頭和中間設(shè)置3道用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固法處理的磚墻、鋼筋混凝土門框和窗框，形成了一個(gè)抗剪筒體，吸收絕大部分地震剪力，加固效果大幅度提升，加固工作量也大幅度降低。

圖8 預(yù)應(yīng)力筋形式

（五） 消能支撐技術(shù)

消能支撐（圖9）是指根據(jù)實(shí)際工程需要，通過在砌體結(jié)構(gòu)中較為重要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如圈梁、構(gòu)造柱等）下部或者旁邊設(shè)置一定的吸能原件（如彈塑性變形元件和構(gòu)件）將地震產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者其他形式的能量（如摩擦、彈塑性變形等），代價(jià)是消能原件破壞，但是，延遲了砌體主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段的時(shí)間，主體結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件不先破壞。消能支撐加固技術(shù)不僅為抗震加固提供了新方法，且適用面極其廣泛，尤其在軟土地基、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、多維震動(dòng)等工程中效果十分明顯，極大地提升了砌體結(jié)構(gòu)的安全性、防震抗震性能。

圖9 消能支撐實(shí)例

總結(jié)

在砌體結(jié)構(gòu)加固方法、方案選擇時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注方案和方法的組合應(yīng)用，用最低的代價(jià)獲得最好的效果，以經(jīng)濟(jì)效果和指標(biāo)效果為參考，再考慮施工的簡(jiǎn)便性，篩選最優(yōu)的綜合性方案才是砌體結(jié)構(gòu)加工工程人要做的首要事情。本文陳述了砌體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理及模式，重點(diǎn)說明了設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮的要點(diǎn)，講解了目前最普遍最常用的砌體結(jié)構(gòu)加固方案，為廣大老舊小區(qū)、抗震薄弱點(diǎn)明顯的砌體結(jié)構(gòu)建筑加固改造提供了一定的參考，相信在經(jīng)過全面設(shè)計(jì)、綜合考慮、嚴(yán)格施工、嚴(yán)格管理、促進(jìn)質(zhì)量等一系列的工程行為下，砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能能得到整體提升。