磚砌體建筑體外預應力抗震加固技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：磚砌體建筑 體外預應力 抗震加固 

　　前言 

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)既有建筑總量超過500億m2，而其中以磚砌體墻體為主要承重和抗震墻體的磚砌體建筑所占比例很大，且許多未達到抗震設防標準。一般而言，磚砌體結(jié)構(gòu)整體性相對較差，砌體材料抗壓強度較高而抗拉、抗剪強度較低，且具有自重大、呈脆性等特點，導致其抗震性能較差，在強烈地震作用下一旦發(fā)生倒塌，將造成大量的人員傷亡。漢川地震、玉樹地震和雅安地震中，大量磚混、磚木結(jié)構(gòu)房屋倒塌，人員傷亡慘重。因此，對現(xiàn)存的大量不滿足抗震設防要求的砌體房屋進行加固改造，提高其抗震安全性，是當前工程建設領域函待解決的問題。 

　　1.概述 

　　目前，應用于砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固方法大體可以分為兩類，直接加固法與間接加固法。直接加固法包括：增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、外粘鋼板加固法、粘貼纖維復合材加固法、繞絲加固法或高強度鋼絲繩網(wǎng)片、聚合物砂漿外加層加固法等；類似的工程有江北人民醫(yī)院門診樓加固工程、南京蘇杰學校浦口校區(qū)加固工程、河海大學江寧校區(qū)行政樓加固工程、南京曉莊學院附屬小學教學樓加固工程等，都是采取直接加固法；間接加固法包括：外加預應力加固法或增設支點加固法等。類似的工程有物流外包及倉儲配套服務中心項目倉庫加固改造工程、寧海中學1號教學樓和藝術(shù)樓加固工程等采取的是間接加固法。其中直接加固法均是通過增設附加材料或構(gòu)件來分擔原有結(jié)構(gòu)所受到的地震作用。這些加固措施從有效性、粘結(jié)材料的耐久性、操作一體性、加固效果的連續(xù)性以及經(jīng)濟性等方面均存在一定的問題。眾所周知，結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞與其抗剪強度的大小直接相關(guān)。對于砌體結(jié)構(gòu)，影響抗剪強度的因素主要有：砂漿和塊體的強度、法向壓應力（即剪-壓復合受力相關(guān)性）和砌筑施工質(zhì)量等。施楚賢、駱萬康等人對砌體剪-壓復合受力的相關(guān)性問題進行了大量的研究工作，對砌體剪切強度破壞過程有了更進一步的認識。針對砌體結(jié)構(gòu)抗拉強度低、抗壓性能好的特點，國外學者提出對砌體施加預應力來提高其抗彎、抗剪能力，并改善其延性性能。國內(nèi)從20世紀90年代開始對預應力砌體進行試驗研究，試驗結(jié)果表明，預應力在提高砌體結(jié)構(gòu)的抗剪強度、變形、延性及墻體的抗震性能方面有顯著的效果。但是，到目前為止，還僅局限于試驗研究階段，在預應力砌體的設計及應用方面，國內(nèi)規(guī)范幾乎空白。在國外，預應力砌體盡管有應用，也主要出現(xiàn)在擋土墻和廠房、倉庫、教堂等高大單層建筑物中的外墻。在中高層建筑結(jié)構(gòu)中如何應用預應力砌體是下一步研究發(fā)展的趨勢。此外，該預應力砌體的理念也很少出現(xiàn)在對已建砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固之中。 

　　從砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)在的抗剪機理角度出發(fā)，充分利用砌體剪-壓復合受力的相關(guān)性所帶來的抗剪潛力，提出了砌體結(jié)構(gòu)體外預應力抗震加固方法。通過整體張拉沿砌體墻外部兩側(cè)全高范圍內(nèi)設置的預應力筋對墻體施加預壓力，從而提高砌體墻自身的抗剪強度，并改善其抗震性能。該方法很少增加結(jié)構(gòu)自重、加固貫穿全結(jié)構(gòu)、在穿越樓層時加固效果保持連續(xù)、加固工程量小、耗資少、施工也方便。與此同時，以一典型的四層砌體教學樓結(jié)構(gòu)為例，具體討論了該種抗震加固方法在多層砌體結(jié)構(gòu)中的設計計算過程。像南理工驗小學教學樓加層改造項目、原姜家園小學臨時校區(qū)教學樓抗震加固項目、南京市揚子第四小學加固工程、鼓樓區(qū)育英外國語學校教學樓1、教學樓2抗震加固改造工程都是采取此類方法進行加固處理的�？紤]到多層砌體結(jié)構(gòu)各樓層各部分墻體處于不同的壓應力水平，提出了采用“預應力分級鍵”對預應力筋進行分級張拉，根據(jù)各墻體實際所需來施加對應大小的壓應力，從而充分調(diào)動了原有結(jié)構(gòu)內(nèi)在的抗震能力。 

　　2.體外預應力技術(shù)加固砌體結(jié)構(gòu)施工方法 

　　2.1 預應力筋的選取與連接 

　　體外預應力技術(shù)中的預應力筋可以選用高強鋼絲、鋼絞線和高強鋼筋（如精軋螺旋鋼筋C25），但根據(jù)國外多年的實踐經(jīng)驗，豎向后張拉構(gòu)件建議選擇高強鋼筋，這是由于體外預應力筋全部暴露在外，使細軟的鋼絞線或鋼絲束的架設變得十分困難，而高強鋼筋的剛度較大，不需要太多的臨時支撐，且更容易定位，施工操作相對便捷。此外，預應力筋應采用高強鋼而不是低碳鋼，因為低碳鋼會由于徐變產(chǎn)生很大的預應力損失，而高強鋼可以在施加預應力的過程中達到高應變，從而使砌體徐變和收縮產(chǎn)生的預應力損失降到最小。另外，選用高強鋼，在同樣的預拉力下預應力筋的直徑會更小，這樣可以減少對房屋外觀的影響。當房屋高度較高時，由于運輸?shù)男枰�，預應力筋需要被截斷。因此沿房屋高度方向，預應力筋的連接可以采用螺紋套筒連接或焊接，但必須確保有足夠的錨固長度，以保證連接處能夠有效地傳遞預拉力。對于設置有分級鍵的地方，可采用在上、下層預應力筋兩端車螺紋，下部預應力筋穿過分級鍵和樓板，在樓板上方用套筒與上部預應力筋連接。 

　　2.2預應力筋的錨固 

　　一般預應力筋的上部為張拉端，下部為固定端。上部錨固的主要要求是允許不受約束地施加預應力，并將這個力按照要求分布到周圍的砌體上。本技術(shù)中上部錨固可在預應力筋的端部車螺紋，套上墊塊和螺母，用螺母和螺紋來固定預應力筋。用于上部錨固的墊板應該具有足夠的剛度，能夠抵抗作用于墊塊上的剪應力和彎曲應力，其厚度應該根據(jù)計算確定。 

　　預應力筋下部錨固的主要要求是抵抗預應力對錨體的局部作用，錨固必須保證對預應力荷載的抗力不超過錨體的允許粘結(jié)應力、剪應力、承壓應力等。由于需要加固的建筑既有基礎形式已定，因此可根據(jù)具體的基礎形式確定：當墻體下部為磚基礎時，可將基礎鑿開，預應力筋可用插入墻體下部的槽鋼固定，待預應力筋放置就位后，再用微膨脹混凝土澆筑，混凝土中配置適量的鋼筋，通過化學植筋法錨入原磚基礎中。當墻體下部為混凝土基礎時，若需施加的預應力較小，可直接采用化學植筋法將預應力筋錨入原基礎中，植筋長度需經(jīng)過計算確定；當需要施加的預應力較大時，可在基礎上鑿孔，預應力筋用錨板固定，待預應力筋放置就位后，再用微膨脹混凝土澆筑，混凝土中配置適量的鋼筋。 

　　2.3預應力筋的張拉 

　　在給砌體墻體施加預應力時，推薦兩種方法，這兩種方法都是通過拉伸鋼筋擠壓墊板產(chǎn)生反作用力從而給砌體施加預應力的，它們的區(qū)別在于施力系統(tǒng)的不同。 

　　（1）液壓張拉法 

　　首先用墊板和墊圈套住預應力筋并擰上螺母，將預應力筋固定就位，然后可采用液壓張拉法直接張拉。所施加的拉力值可由張拉器所帶的壓力計讀出。待張拉至油壓標定值后，再用扳手將螺母旋緊至墊板的表面，然后卸載油壓，移去張拉器即可。液壓張拉法精度高，可以很好的適用于預應力筋直徑大和長度較大的情況。 

　�。�2）使用扭矩扳手 

　　扭矩扳手系統(tǒng)是采用扭矩扳手旋緊套在預應力筋張拉端螺紋上的螺母，使它壓緊墊板以拉伸鋼筋的。扭矩扳手帶有按所需扭矩預先調(diào)好的顯示裝置，因此可準確地拉伸鋼筋及施加所要求的預拉力。 

　　結(jié)束語 

　　砌體結(jié)構(gòu)的預應力加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，適合在城鎮(zhèn)砌體房屋加固改造工程中推廣。 

　　參考文獻 

　　[1]劉航，蘭春光，華少鋒，韓明杰.多層磚砌體建筑預應力抗震加固新技術(shù)研究進展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，05：67-74. 

　　[2]劉航，韓明杰，蘭春光，王濤，田玉基.預應力加固兩層足尺磚砌體房屋模型抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2016，03：43-55+63. 

　　[3]劉鈞壬，胡雪峰.橋梁抗震加固技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].門窗，2016，05：234.