周 天，朱遠浩，鄭 亮，蘇明雙

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

中國石材資源遍在布大江南北，各類石材礦山年開發(fā)產(chǎn)量高達數(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?shù)仫L俗、經(jīng)濟、居住條件等原因石砌體房屋遍布沿海村鎮(zhèn)，尤其以閩南石結構建筑最為集中，保有量至少占村鎮(zhèn)建筑總量的60%。王慧芳、郭子雄等通過實地調研，發(fā)現(xiàn)泉州地區(qū)現(xiàn)存石結構房屋大部分分布在農(nóng)村地區(qū)，其比例高達80% ，而且是農(nóng)民居民用房的主要結構類型之一，其中惠安縣的村鎮(zhèn)里也是隨處可見的石砌體結構，石結構建筑石墻采用條石進行砌筑，基礎及其上部結構的墻、梁、柱、樓板以及非結構構件皆采用石材制作，極具當?shù)靥厣?/p>

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

圖1 石結構房屋

1 石結構存在的安全隱患

石結構房屋建筑大多修建于在20世紀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計常識，建造時未遵循砌體結構設計規(guī)范，也沒有考慮抗震設防，大多數(shù)的石結構住宅均未設計圈梁、構造柱、圈梁等鋼筋混凝土構件，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砂漿粘結，且密實度低、抗剪強度弱；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）長度也不足；構件自身強度不足而引起破壞主要表現(xiàn)在石柱、石梁、石樓板等石制構件， 石材具有承載力強，耐久性較好等優(yōu)點，但它的脆性材質的這一弱點十分顯著，抗拉、抗剪等強度較低，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)事先毫無預兆，其危害性極大。

圖2 石樓板與石墻搭接

其中石樓板構件作為石結構房屋中主要的受彎承載構件，跨度較大約有2～4 m，各樓板灰縫間雖存在低強度紅黏土砂漿粘結，但主要依靠兩端搭接在石墻的部分形成類似簡支梁的單向受力模式。裂縫一旦產(chǎn)生，會迅速發(fā)展最后引起脆性破壞，破壞前沒有任何征兆，這會導致嚴重的人員傷亡與財產(chǎn)損失。海峽都市報、泉州網(wǎng)、東南早報等都曾報道若干石結構倒塌、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，是解決石結構建筑安全隱患的一個決定性因素。

2 石樓板構件加固技術研究現(xiàn)狀

隨著國家對地震和建筑抗震方面的認識逐步提高，學者們對結構抗震性能及加固改造技術有一定的研究基礎。石結構民房領域的研究方面，從石材力學性能、石材砂漿界面粘結性能等材料方面的研究，到石墻體、受彎石構件等石結構建筑中的構件加固試驗研究，再到石結構整體抗震方面都進行了相關的試驗及理論分析，對指導石結構抗震加固有一定理論基礎。

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自行配置的改性砂漿對石樓板面層進行配筋面層加固，進行受彎試驗研究，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。開裂彎矩和極限彎矩均隨配筋率和鋼筋強度的增大而增大。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，說明加固石板存在最小配筋率的問題需要進一步試驗探究。張楠對多個未加固花崗巖石樓板試件、鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固試件進行受彎試驗研究?；◢弾r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)的極限應變平均值遠小于圓柱體軸心抗壓試驗的結果。加固試件得出了配筋率對極限承載力的影響最大。存在的問題包括：石材因離散型其本構模型有待完善、鋼筋網(wǎng)砂漿實際加固中存在施工難題、多片石板加固試驗有待研究。

陳瀟魁主要考慮加固方式、加固層配筋率對試件的影響。對石樓板進行鋼筋網(wǎng)水泥砂漿板底面層加固和圍套加固，通過植筋將鋼筋網(wǎng)固定，試驗表明兩種加固方式都有明顯效果，其中植筋掛鉤對石板正截面抗彎承載力幾乎沒有不利影響，圍套加固法影響不大反而對材料協(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 加固試件開裂彎矩計算

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

2.1.3 加固試件受彎承載力計算

對石材受彎構件面層加固承載力計算，陳瀟魁給出的公式類似于鋼筋混凝土梁的計算，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算公式簡化為截面彎矩由石板受壓區(qū)壓應力和加固層鋼筋拉力抵抗承擔，二者滿足應力平衡條件，得出的結果與實驗值相比平均誤差在10%以內。

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件的受彎性能，板縫連接處與實際不同，采用灌漿料、改性砂漿、自流平砂漿。板縫嵌埋高強鋼筋澆灌高強灌漿料僅對開裂、極限彎矩提高不明顯，砂漿強度大于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。但實際中板縫間砂漿強度低，而且頂層已存在裝飾裝修難以拆除重新進行灰縫灌漿。試驗加載是在三塊板上同時加載，未分析板與板之間的影響。

圖3 試件加固過程

葉勇在鄭奕鵬的研究基礎上，對板縫配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)存石結構房屋中難以實施。

2.2.2 內嵌式預應力加固

除了對石樓板進行面層加固研究外，還有學者結合近表面內嵌式技術，針對石樓加固提出了新的加固方式。

從2014年開始，葉勇等就借鑒內嵌式技術對石樓板進行加固研究，提出了一種內嵌式預應力CFRP筋的加固方法。試驗證明具有較高的開裂荷載，采用預應力的CFRP筋強度利用率遠高于非預應力加固石板?；诮孛娣治龇ń⒘祟A應力NSM-CFRP筋加固石板的分析模型，預測值與實驗結果吻合較好。

高曉鵬采用表層嵌埋（NSM）加固方法對石樓板板底開槽內嵌CFRP鋼筋。加固后構件材料間共同工作性能良好，構件承載力有效提高。苗偉等在葉勇研究基礎上，主要以配筋率、預應力水平和粘結劑作為主要試驗參數(shù)，并基于鋼絲繩和石板之間的良好粘結特性，建立了用于預測加固石板抗彎強度的簡化理論模型。

劉翔、葉勇等提出一種預制增強板加固，實現(xiàn)對石樓板的快速加固。該預制增強板內嵌CFRP筋，試驗研究增強板的加固方式、寬度、CFRP筋直徑和配筋率對加固后受彎性能的影響。試驗表明預制增強板與石材的粘結可靠，加固后構件性能明顯提高且具有一定延性。這種預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證。

目前對上述NSM預應力加固方法的試驗進行的較多，但上述方法不僅在石樓板底面開槽對構件截面有所削弱，而且在石樓板兩端固定錨具進行張拉，這種方法在實際使用中的石結構房屋中存在很多問題，施工較復雜，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，部分研究成果應用于既有工程中仍存在一些問題。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的應用中逐漸廣泛，主要表現(xiàn)在能夠提高結構的承載力以及施工方案的優(yōu)勢，該材料所具備強度高、韌性高、施工操作簡單的特點，能給石結構受彎構件加固工程帶來應用價值。

（2）目前新發(fā)展的超高性能混凝土（UHPC）具備超高的力學性能和超高的耐久性。將UHPC材料運用到石結構加固技術上，利用UHPC具有的良好延展性，其抗拉、抗剪強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構的安全性，同時能夠降低加固面層的厚度，以節(jié)約加固成本。

4 結論

（1）目前石樓板構件的抗彎加固技術研究已有一定的進展，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固、鋼筋嵌縫加固、粘貼預制板加固均能一定程度提升石樓板承載能力并改善構件破壞形態(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法在既有石結構房屋中實施?，F(xiàn)在政府規(guī)定已不允許新建石結構房屋，所以板縫重新配筋、內嵌CFRP筋等加固方式不可能實現(xiàn)。

（3）已有的研究基本是對單塊石樓板的受彎性能進行加固試驗，而實際結構中數(shù)塊石板通過灰縫連接共同受力。建議開展多片石樓板整體加固研究，逐步形成符合實際工程的石結構樓蓋加固技術。

（4）目前國內外已經(jīng)對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進行了大量試驗研究，但缺少利用這些加固材料進行石樓板加固的研究工作。