白軍剛

(長安大學，陜西西安710064)

砌體結構是國內(nèi)應用比較廣泛的一種結構形式。由于砌體結構的材料來源廣泛，施工不需要大型機械，手工操作比例大，相對造價低廉，具有較好的耐火性和耐久性。因此在上個世紀，尤其是中西部地區(qū)，民用建筑幾乎全部采用砌體結構。據(jù)統(tǒng)計，我國約有80%的工業(yè)和民用建筑采用砌體結構建造，其中民用房屋90%以上為砌體結構［1］。但砌體結構材料延性差，強度離散型大，材料本身的抗拉、抗彎、抗剪強度低，屬脆性材料。且目前農(nóng)村絕大部分房屋建筑為農(nóng)民自建房，圖紙無正規(guī)設計單位設計，材料無正規(guī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，施工無正規(guī)單位組織，因此很難保證其抗震和使用性能。限于我國的基本國情，還沒有足夠財力對不滿足要求的所有建筑拆除重建，即使有足夠的資金來拆除重建，也會造成很大的浪費，更會帶來建筑物剩余價值評估、居民安置、建筑垃圾的回收利用和城市環(huán)境等問題。加固后的房屋不僅安全可靠，且能延長使用年限，所以對既有砌體結構進行全面的檢測、鑒定和加固很有必要。

目前砌體結構常用的加固方法有增大截面法、外加鋼筋混凝土法、外加鋼板法、鋼筋網(wǎng)砂漿加固法、增設圈梁拉桿等方法。這些加固方法往往具有作業(yè)工作量大，施工周期長，需要較大的施工空間，對使用功能外觀具有較大影響等缺點。因此，加強對砌體結構加固方法的研究，尤其是加固后抗震性能的改善的研究，具有重大意義。

1 砌體結構三種加固方法分析比較

1.1 FRP加固方法

FRP加固技術的最早使用于混凝土結構的加固補強中，其研究最早始于美、日等發(fā)達國家。由于FRP方法具有高強高效、施工便捷、耐腐蝕性好、自重輕、適用于各種形狀各個部位的加固等優(yōu)點。因此，近年來國內(nèi)外對FRP加固技術在砌體結構領域的應用和研究有了很大發(fā)展。

FRP加固方法只要是在結構表面粘貼纖維材料。纖維材料的粘貼方法主要有豎向條帶、斜向條帶、正向網(wǎng)格、斜向網(wǎng)格等。

對FRP加固技術的性能研究歸納下來主要有FRP加固的抗震性能的研究，F(xiàn)RP加固的抗剪性能的研究，F(xiàn)RP加固的平面為抗彎性能的研究。

通過周期反復荷載作用對加固構件進行實驗研究［2～5］，得到的實驗結果對比顯示，F(xiàn)RP的使用能夠很好的限制墻體裂縫的發(fā)展，改變墻體的受力狀態(tài)，使滯回環(huán)飽滿，面積增大，延性系數(shù)提高，提高構件的抗震性能、抗剪強度，提高延性和平面外極限抗彎承載力?，F(xiàn)在研究一般認為，外貼FRP對加固后砌體結構抗剪承載力的計算模式為普通墻體的抗剪承載力FRP拉桿機制的抗剪承載力之和(圖1)。

圖1 外貼FRP加固后砌體的抗剪承載力

即:

式中:VU為加固后砌體抗剪承載力;VWALL為普通砌體抗剪承載力;VFRP為FRP拉桿的所承擔的抗剪承載力。

FRP加固方法目前主要使用于混凝土結構中，在砌體結構中目前使用較少。邯鄲市某校逸夫教學樓(四層磚混結構，單面走廊式)采用粘鋼和粘貼纖維材料的加固方法，取得了很好的加固補強效果［6］。

FRP加固方法無法加強墻體間拉結和整體性，且加固中使用的膠黏劑易燃，在120℃時強度幾乎完全喪失。

FRP加固方法對建筑外觀無較大影響，且施工操作簡單，施工速度快，但是在施工過程中也要注意以下要求:

(1)為了發(fā)揮FRP加固方法的性能，在施工過程中必須采取可靠、有效地錨固措施，避免過早出現(xiàn)剝離破壞;

(2)合理設計和控制加固量，一般碳纖維的分條粘貼的加固效果優(yōu)于整幅粘貼的加固效果;

(3)碳纖維轉角粘貼時應采取倒角處理，避免轉角處應力集中造成纖維絲斷裂;

(4)纖維材料不宜應用于反復荷載作用的構件加固;

(5)加固時應盡量卸掉構件所承受的荷載。

1.2 鋼絲繩纏繞加固受壓短柱

雖然砌體結構多以磚墻承重，但在一些廠房和大開間建筑中也存在了大量的磚柱。特別是在一些優(yōu)秀歷史建筑中，時常會看到獨立磚柱的身影。然而，經(jīng)過了多年的環(huán)境侵蝕作用，不可避免地出現(xiàn)材料的劣化，導致磚柱的軸向承載能力降低，影響結構的安全性。

鋼絲繩纏繞加固法原理與約束混凝土柱類似，主要通過鋼絲束對受壓構件的橫向變形進行約束來提高構件整體的抗壓強度，提高塑性變形能力。由于砌體的特殊性，比如豎向裂縫產(chǎn)生較早、磚塊的抗壓強度高而砌體的抗壓強度低。由于無筋砌體短柱的受壓破壞是裂成小柱后的失穩(wěn)破壞，而鋼絲繩的作用在砌體柱開裂后才明顯體現(xiàn)出來，由此得出鋼絲繩約束的主要作用是提高磚砌體柱的穩(wěn)定承載力。由于鋼絲繩對砌體結構的約束是被動的，只有在原有結構開裂產(chǎn)生變形后才產(chǎn)生約束作用，以約束圓柱為例，當產(chǎn)生環(huán)向變形時，鋼絲繩產(chǎn)生的約束力σ1為:

式中:Er為鋼絲繩的變形模量;Ar為單根鋼絲繩的截面積;d為圓柱直徑;s為鋼絲繩豎向間距。

由于目前大部分實驗模型來源于混凝土柱，而砌體柱的特殊性導致目前還無法建立約束砌體短柱的應力－應變模型。通過大量試驗、數(shù)值模擬以及鋼絲繩纏繞加固法與纖維復合材料加固方法［7～10］的相似性表明，鋼絲繩對矩形截面的約束是不均勻的，在角部較大，在截面邊長中點附近較小。且其約束應力分布與截面的倒角半徑有密切關系。所以可以通過增大倒角半徑的方法來增強約束效果。鋼絲繩纏繞加固方法可以顯著提高砌體柱的強度和延性。與纖維約束類加固方法相比，鋼絲繩纏繞加固方法具有較好的耐久性和耐火性，且加固成本較低，具有良好的應用前景。

1.3 鋼窗框加固法

在我國歷次地震中，農(nóng)村住宅同等條件下總是比城市住宅損壞或倒塌的更嚴重。農(nóng)村建筑在我國占大多數(shù)，這使得地震對農(nóng)村房屋造成損壞和人員傷亡的數(shù)量較大，因此迫切需要對農(nóng)村住宅進行加固處理。由于歷史的原因，對農(nóng)村住宅的抗震性能研究較少，迫切需要對其抗震薄弱環(huán)節(jié)和加固措施進行研究。

在廣大農(nóng)村地區(qū)，砌體結構普遍缺少正規(guī)的抗震設計，施工人員為了施工方便和采光通風要求，往往隨意加大門窗洞口尺寸。砌體結構屬于脆性結構體系，在地震水平作用影響下，墻體的開裂和坍塌主要是由于墻體的抗剪強度和抵抗變形能力不足所致。對于沒有相應措施的房屋，開洞引起墻體整體性削弱，并在洞口四角處引起應力集中。在水平地震的往復作用下，首先在洞口四角處開裂破壞。

通過在位移控制下的低周反復荷載作用下，對采用等邊角鋼50 mm×50 mm×4 mm，材料為Q235的鋼窗框進行對比實驗。實驗表明［11］鋼框加固在開裂荷載階段，發(fā)揮作用較對比實驗大的多，在極限荷載時，也比對比實驗增大近50%。并且對增加墻體的變形能力和局部抗倒塌性能作用明顯，且對建筑的使用要求影響不大。

2 結論

(1)FRP加固方法適用于各種形式各種部位的砌體結構或者構件，能顯著提高構件的抗震性能、抗剪強度，提高延性和平面外極限抗彎承載力。且施工操作簡單，施工速度快，對外觀無較大影響。但對于提高墻體之間的拉結和整體性提高不大，抗火性較差。

(2)鋼絲纏繞加固法適用于砌體受壓短柱或相類似的結構構件，可以顯著提高砌體柱的強度、延性和整體穩(wěn)定性。與纖維約束類加固方法相比，鋼絲繩纏繞加固方法具有較好的耐久性和耐火性，且加固成本較低。

(3)鋼窗框加固法適用于開門窗洞口的各種砌體墻體的加固，尤其適用于沒有良好的抗震設計和構造措施的農(nóng)村砌體結構的加固，可以顯著提高墻體的承載能力、變形能力和局部抗倒塌性能，對建筑的使用和外觀要求影響不大。

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