呂志明 高興勝

據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)已建現(xiàn)有建筑中絕大多數(shù)為磚混結(jié)構(gòu)形式的建筑,現(xiàn)存珍貴文物保護(hù)建筑或構(gòu)筑物大多數(shù)是砌體結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高,許多已有建筑已不適應(yīng)現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)。歷次震害表明,許多無(wú)筋磚房遭到了嚴(yán)重破壞甚至倒塌,損傷慘重。甚至一些新建筑也存在安全隱患,但實(shí)際情況并不允許將其全部推倒重建,而只能采取適當(dāng)?shù)拇胧?對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固處理,使這些建筑仍能滿足人們對(duì)建筑安全性、適用性和耐久性的要求。同時(shí),由于我國(guó)多數(shù)地區(qū)都處于地震區(qū),因此在新建建筑不斷增加的同時(shí),對(duì)現(xiàn)有建筑的維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固也引起了工程界的廣泛重視[1]。

1 常見(jiàn)的砌體破壞形式

1.1 多層磚房墻體的破壞主要是剪切破壞

在水平地震力作用下,砌體結(jié)構(gòu)中的墻體往往產(chǎn)生斜裂縫或交叉斜裂縫,從而造成結(jié)構(gòu)的破壞,產(chǎn)生這種裂縫的原因是墻體的抗剪強(qiáng)度不足。從調(diào)查的資料來(lái)看,裂縫形式呈斜向或交叉的“X”形裂縫,當(dāng)墻體的高寬比比較小時(shí),墻體中段出現(xiàn)水平開(kāi)裂,見(jiàn)圖1。

1.2 砌體結(jié)構(gòu)的修復(fù)或加固[1]

砌體結(jié)構(gòu)在下列情況下進(jìn)行修復(fù)或加固:1)由于地基不均勻沉降墻體產(chǎn)生裂縫;2)由于屋面熱脹冷縮,墻體產(chǎn)生溫度裂縫;3)砌體墻、柱局部承載力不足;4)由于房屋改建加層而使原砌體房屋承載力不足;5)在地震設(shè)防區(qū)經(jīng)抗震鑒定,房屋抗震驗(yàn)算或房屋抗震構(gòu)造措施不滿足要求;6)地震發(fā)生房屋受損。

2 墻體加固

目前,工程上對(duì)墻體抗震加固的方法主要有:1)內(nèi)設(shè)構(gòu)造柱與圈梁抗震加固方法;2)外加構(gòu)造柱與鋼拉桿抗震加固方法;3)墻體內(nèi)配筋抗震加固方法;4)預(yù)應(yīng)力磚墻抗震加固方法;5)外貼面層抗震加固方法;6)無(wú)粘結(jié)外包型鋼加固法;7)灌漿法和噴射修補(bǔ)法。

3 碳纖維布加固技術(shù)

碳纖維布(Carbon Fiber Sheet,簡(jiǎn)稱CFS)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面,使兩者共同工作,提高構(gòu)件承載能力,由此達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維布加固技術(shù)是纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用技術(shù)中一種使用較普遍、性能較好的結(jié)構(gòu)外部加固新技術(shù)。

粘貼纖維材料加固技術(shù)的主要特點(diǎn)有[2]:

1)高強(qiáng)高效。纖維材料物理力學(xué)性能優(yōu)異,在加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強(qiáng)度、高彈性模量的特點(diǎn)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力,改善其受力性能,達(dá)到高強(qiáng)高效的目的。2)施工工序簡(jiǎn)單?？捎眯⌒碗妱?dòng)工具操作,可在傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法施工的有限作業(yè)空間內(nèi)施工。工期短,更能在持續(xù)交通的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停運(yùn)的時(shí)間。3)根據(jù)受力分析可以進(jìn)行多層粘貼,其方向也可以靈活掌握,可裁剪,易于操作。4)耐腐蝕性能及耐久性能好。纖維材料多具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,使經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)和維修的結(jié)構(gòu)具有抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力。具有足夠的適應(yīng)氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后以有效防火?？梢源蟠笤鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。5)耐疲勞性能好。6)適用面廣。纖維材料加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ),而且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)的外觀。尤其對(duì)一些大型土木工程等,采用傳統(tǒng)的加固手段幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn),而采用纖維材料加固技術(shù)都能很好地解決。7)纖維材料質(zhì)輕而薄。幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸,對(duì)原結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)造成新的損傷,施工質(zhì)量能夠保證。由于纖維材料是柔性的,即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整也基本可以達(dá)到100%有效粘貼率。加固后的協(xié)調(diào)性較好,能夠與基材緊密連接。

4 加固的程序

4.1 建筑物加固的工作程序

可靠性鑒定→加固方案選擇→加固設(shè)計(jì)→施工組織設(shè)計(jì)→施工→驗(yàn)收。

4.2 碳纖維布的粘貼施工[3]

1)制作準(zhǔn)備。首先在磚墻表面將需要粘結(jié)碳纖維布的區(qū)域用墨線標(biāo)示出來(lái),準(zhǔn)備好施工用的碳纖維布、配套樹(shù)脂、機(jī)具等。2)表面處理。清除磚墻表面剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等的磚塊,接著采用角磨機(jī)將要粘貼碳纖維布的磚墻表面打磨平整,除去表層浮漿、灰塵等雜質(zhì),直至完全露出磚結(jié)構(gòu)新面,再用壓縮空氣將磚墻表面吹干凈。在粘結(jié)碳纖維布前用丙酮將磚墻表面清洗一遍,并使其干燥。3)涂刷底層樹(shù)脂。按產(chǎn)品商提供的工藝規(guī)定進(jìn)行配制底層樹(shù)脂,將稱量好的主劑和固化劑進(jìn)行充分混合,采用軟毛刷將配制好的底層樹(shù)脂墨線標(biāo)示的加固區(qū)域涂刷一道,使底膠充分滲透到磚墻和砂漿表面。4)找平處理。按產(chǎn)品生產(chǎn)商提供的工藝規(guī)定進(jìn)行配制找平樹(shù)脂,將稱量好的主劑和固化劑進(jìn)行充分混合,采用油灰刀將配制好的找平樹(shù)脂涂抹于磚墻和砂漿的凹處,將凹面修補(bǔ)平整。找平樹(shù)脂表面脂干后,盡快進(jìn)行下一道工序。5)粘貼碳纖維布。按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。按產(chǎn)品生產(chǎn)商提供的工藝規(guī)定進(jìn)行配制浸漬樹(shù)脂,將稱量好的主劑和固化劑進(jìn)行充分混合,采用軟毛刷將配制好的浸漬樹(shù)脂均勻涂抹于墨線標(biāo)示的加固區(qū)域。將碳纖維布用手輕壓粘貼于粘貼位置,采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓,排氣,使浸漬樹(shù)脂充分浸透碳纖維布,滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。宜在碳纖維布表面的浸漬樹(shù)脂干后盡快進(jìn)行下一層碳纖維布粘貼。6)表面防護(hù)及養(yǎng)護(hù)。碳纖維布粘貼完成后采用塑料薄膜將試件覆蓋,待粘結(jié)劑完全固化。

墻體高寬比的不同使得碳纖維布內(nèi)的應(yīng)力分布也不同,纖維布的加固效果也有所不同,當(dāng)高寬比小于0.5時(shí),不適宜用“X”的貼布方案,而應(yīng)選用“∧”貼布方案。碳纖維布的角部由于應(yīng)力集中,應(yīng)力相對(duì)較大,所以端部必須錨固。

4.3 施工注意事項(xiàng)

1)分段粘貼碳纖維布時(shí),在接頭處做好搭接標(biāo)志,確保每段碳纖維布之間的搭接長(zhǎng)度大于150 mm。2)施工時(shí)溫度應(yīng)在5℃以上并避免明火。3)做好碳纖維布的錨固工作。

5 結(jié)語(yǔ)

研究表明,碳纖維布用于增強(qiáng)磚砌體抗震能力的加固方法是非常有效的。碳纖維布加固磚墻后的抗剪承載力等于相同條件下未加固墻體的抗剪承載力與加固后碳纖維布所承擔(dān)的抗剪承載力之和。碳纖維布加固墻體的開(kāi)裂荷載(極限荷載)較未加固墻體明顯提高。變形能力也明顯改善,加固后墻體的開(kāi)裂位移顯著增加。開(kāi)裂荷載可提高28.6%～50.0%,開(kāi)裂位移可以提高134.5%～440.7%。碳纖維布加固墻體,無(wú)須貼多層布或者使用高強(qiáng)碳纖維布。碳纖維布用于加固磚墻時(shí),布的幅寬越大,其加固作用也越明顯。碳纖維布通過(guò)桁架模型中的受力拉桿機(jī)制改善墻體內(nèi)的受力狀態(tài),從而提高構(gòu)件的抗剪承載力;另一方面通過(guò)限制墻體裂縫開(kāi)展,也提高了構(gòu)件的抗裂能力。

[1]呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[2]周德源,張 暉,施衛(wèi)星,等.建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]張祥順,谷 倩,管克撿,等.碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002(11):25-26.