李 佳，霍 光

(河北建研科技有限公司，石家莊 050221)

砌體建筑通常由磚砌體、石砌體、砌塊建成，作為主要建筑結(jié)構(gòu)形式之一，具有一定的承載能力及抗震性能，相比于混凝土及鋼結(jié)構(gòu)，具有自重輕、造價(jià)低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國低層、多層建筑。由于早期的砌體結(jié)構(gòu)房屋大多未考慮抗震影響，使得部分砌體結(jié)構(gòu)房屋需要進(jìn)行加固處理，以滿足正常使用要求。基于此，很多學(xué)者對(duì)砌體結(jié)構(gòu)加固方法及原理展開了深入研究。

景杰婧[1]對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固砌體技術(shù)展開了深入研究，從材料間粘結(jié)破壞機(jī)理出發(fā)，建立了內(nèi)嵌纖維復(fù)合材料粘結(jié)、抗彎、抗壓、抗剪強(qiáng)度及抗震性能計(jì)算方法，為古建類砌加固提供了理論支撐。周彬[2]基于后加混凝土-砌體組合結(jié)構(gòu)1∶2縮尺試驗(yàn)研究結(jié)果及破壞現(xiàn)象，分析了組合結(jié)構(gòu)延性、耗能及滯回特性，并提出結(jié)構(gòu)受剪承載力計(jì)算方法，研究表明，后加混凝土可大幅提高砌體結(jié)構(gòu)延性及耗能能力，進(jìn)而改善砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。鄧明科[3]對(duì)高延性混凝土加固蒸壓加氣混凝土砌體結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了此類結(jié)構(gòu)骨架曲線、滯回曲線、剛度、耗能變化規(guī)律，進(jìn)一步建立了高延性加固砌體結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算方法，為高延性混凝土加固應(yīng)用提供了試驗(yàn)及理論依據(jù)。

現(xiàn)有研究中砌體加固方法主要有鋼筋混凝土面層加固、粘貼復(fù)合纖維片材加固、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固、鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿面層加固法、增設(shè)砌體扶壁柱等加固方法[4]，其中混凝土面層加固方法施工范圍廣、造價(jià)低、加固性能好，可解決大部分由于沉降、承載力不足引起的墻體開裂問題，在加固施工中得到了廣泛應(yīng)用。但是，混凝土面層加固施工現(xiàn)場(chǎng)不可避免的存在大量施工濕作業(yè)現(xiàn)象，施工周期較長，對(duì)周邊環(huán)境造成了不利影響?？紤]裝配式技術(shù)應(yīng)用可較好的改善這一現(xiàn)象，鑒于此，將裝配式施工理念與現(xiàn)有加固方法相結(jié)合，依據(jù)最新裝配式技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究，探討了預(yù)制鋼筋混凝土墻板加固砌體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，深入分析了該類結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)特性及退化機(jī)理，以期為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。

1 混凝土面層加固方法概述

既有磚混結(jié)構(gòu)房屋使用年限較長，由于地基發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致墻體發(fā)生開裂等問題，對(duì)結(jié)構(gòu)使用安全產(chǎn)生不利影響，如圖1所示，現(xiàn)行《磚混結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)》(15G611)[4]、《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50708—2011)[5]對(duì)混凝土面層加固法進(jìn)行了詳細(xì)描述。混凝土面層加固法是復(fù)合截面加固法的一種，通過在墻體側(cè)部增設(shè)混凝土面層，以提高其受壓、受剪承載力的方法，如圖2所示。

施工工藝如下：原有墻體清底→鉆孔并用水沖洗→澆水濕潤墻面→噴射或澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)→墻面裝飾。其中噴射或澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)中混凝土澆筑，支模、拆模養(yǎng)護(hù)往往需要14 d以上，且濕作業(yè)嚴(yán)重。鑒于此，為改善這一現(xiàn)象，可通過部分預(yù)制裝配式墻板替換傳統(tǒng)濕作業(yè)墻板，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約工期，減少污染，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速拼裝加固。

2 預(yù)制鋼筋混凝土板墻加固方法概述

為改進(jìn)傳統(tǒng)混凝土面層加固方法，吳建鋒、王嘯霆等[6,7]將裝配式理念與傳統(tǒng)砌體加固相結(jié)合，研究了預(yù)制鋼筋混凝土板墻加固法，該方法采用后澆帶與銷鍵將預(yù)制鋼筋混凝土板與原砌體結(jié)構(gòu)連接為整體，以提高原墻體承載力特性及抗震性能，預(yù)制板墻采用后澆帶連接，以保證結(jié)構(gòu)整體性。如圖3所示，施工工藝如下：原有墻體清底→鉆孔并用水沖洗→澆水濕潤墻面→預(yù)制墻板安裝→后澆帶部分澆筑養(yǎng)護(hù)→墻面裝飾。

該方法優(yōu)化了混凝土面層加固法中噴射或澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，預(yù)制板墻工廠生產(chǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，縮減工期，同時(shí)預(yù)制混凝土板墻對(duì)原砌體有較好的約束作用，大幅提高了原砌體豎向及水平向承載能力。為進(jìn)一步量化該加固方法對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，部分學(xué)者分別進(jìn)行了試驗(yàn)、理論及數(shù)值模擬研究，以期為該類方法實(shí)踐應(yīng)用提供依據(jù)。

3 試驗(yàn)、理論及數(shù)值模擬研究

3.1 試驗(yàn)及理論研究

為深入了解該類組合結(jié)構(gòu)地震作用下的受力與變形特性，部分學(xué)者進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)及工程實(shí)踐，深入研究了加固方法、破壞過程及機(jī)理。

張永群[8]基于灌漿料粘結(jié)與后澆帶植筋粘結(jié)對(duì)比試驗(yàn)，得出后澆帶植筋方法粘結(jié)強(qiáng)度更高，試驗(yàn)構(gòu)件發(fā)生延性破壞。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行雙面粘貼預(yù)制混凝土墻片低周往復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明該加固方法較好地提高原砌體結(jié)構(gòu)承載能力與結(jié)構(gòu)延性，較大荷載作用下原砌體結(jié)構(gòu)角部破壞，墻板鋼筋屈服，發(fā)生延性破壞。

謝婧等[9]針對(duì)甘家口住宅樓加固工程實(shí)例，說明了具體外套鋼筋混凝土墻加固方法及施工難點(diǎn)，并為進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)制混凝土墻與砌體結(jié)構(gòu)連接方法，分別采用“灌漿”、“銷鍵”、“灌漿+銷鍵”三種連接方式進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用“灌漿”方法可使砌體結(jié)構(gòu)與預(yù)制混凝土板墻間形成較好的連接。

王濤等[10]為研究加固用預(yù)制混凝土板墻與砌體墻的連接方法，分別采用“銷鍵”、“灌漿”和“后澆帶”實(shí)現(xiàn)預(yù)制墻板、砌體結(jié)構(gòu)的相互連接。試驗(yàn)及模擬結(jié)果表明，未加固砌體脆性較大，易發(fā)生脆性破壞，耗能能力較差；采用“銷鍵”、“灌漿”和“后澆帶”可以使砌體結(jié)構(gòu)得到不同程度的加強(qiáng)，其中“后澆帶”連接方式效果最佳，在彈塑性階段均能傳遞較大的荷載，遠(yuǎn)高于“銷鍵”與“灌漿”連接，傳力最為有效。

上述研究表明采用板墻加固方法可以有效地提高砌體抗震能力，改善破壞特性。同時(shí)板墻與板墻間采用后澆帶連接可較好進(jìn)行應(yīng)力傳遞，為預(yù)制板墻加固設(shè)計(jì)、施工方法研究提供了依據(jù)。

3.2 數(shù)值模擬方法研究

考慮加固試驗(yàn)較為復(fù)雜，實(shí)際加固工程實(shí)施過程往往需要通過數(shù)值模擬進(jìn)行試驗(yàn)，以預(yù)測(cè)加固效果，進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)。因此，許多學(xué)者對(duì)砌體結(jié)構(gòu)加固數(shù)值模擬方法進(jìn)行了深入研究。

黃靚、陳再現(xiàn)等[11]對(duì)砌體結(jié)構(gòu)材料特性進(jìn)行研究，指出砌體結(jié)構(gòu)中砌塊與砂漿兩者相互作用關(guān)系復(fù)雜，均表現(xiàn)出明顯的各向異性特性，加劇了砌體結(jié)構(gòu)的模擬難度，現(xiàn)有砌體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法主要有整體式建模方法、簡化分離式建模方法、精細(xì)微觀建模方法。精細(xì)微觀建模、簡化分離式建模方法可以準(zhǔn)確反應(yīng)砌體、砂漿間相互作用關(guān)系，但計(jì)算成本較高，建模難度大，模擬時(shí)間長，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高。Paulo B等[12]通過砌體結(jié)構(gòu)模擬研究得出宏觀建模的方法對(duì)于沿長度方向應(yīng)力分布均勻的砌體結(jié)構(gòu)十分適用，雖然其精度略低，但通過建立準(zhǔn)確的協(xié)同應(yīng)變關(guān)系，仍能較好的反應(yīng)砌體結(jié)構(gòu)整體性能，為砌體加固模擬方法研究提供了參考。

Gokarna Bahadur Motra[13]等對(duì)地震作用后的尼泊爾帕坦四層教學(xué)樓加固改造進(jìn)行數(shù)值模擬研究，提出了基于混凝土圍套和抗剪鍵不同的加固方法，采用簡化非線性模型模擬砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)各向異性，并設(shè)定非線性連接模擬材料間的變形關(guān)系。結(jié)果表明，混凝土圍套較抗剪鍵加固效果更為明顯，且兩者均使原結(jié)構(gòu)得到了較好的加強(qiáng)。

周茗如等[14]在混凝土板墻加固砌體結(jié)構(gòu)模擬研究中指出材料本構(gòu)、模型及參數(shù)確立、計(jì)算算法、收斂準(zhǔn)則等關(guān)鍵技術(shù)尚未得出一般規(guī)律，需要進(jìn)一步完善。為解決該問題，其采用同濟(jì)大學(xué)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別定義砌塊墻、混凝土材料特性，以準(zhǔn)確描述其非線性特性，分別采用shell63單元進(jìn)行磚墻模擬，采用SOLID65單元進(jìn)行板墻及構(gòu)造柱模擬，并采用隨動(dòng)硬化模型模擬單元屬性，所得模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差接近10%,模擬準(zhǔn)確度較好。

閤東東[15]采用ABAQUS軟件對(duì)混凝土板墻加固足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值模擬，將砂漿、砌體作為整體材料建模，并采用厚殼單元進(jìn)行砌體與混凝土板墻單元建模，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合SAP2000計(jì)算結(jié)構(gòu)質(zhì)量并導(dǎo)入ABAQUS模型進(jìn)行地震動(dòng)荷載模擬。結(jié)果表明外附剪力墻片承擔(dān)了大部分剪力，減小了結(jié)構(gòu)位移，提高了結(jié)構(gòu)抗震能力。

上述研究表明雖然預(yù)制混凝土板墻加固砌體結(jié)構(gòu)各材料性能復(fù)雜，但可通過相關(guān)試驗(yàn)及文獻(xiàn)獲取混凝土、砌體非線性材料本構(gòu)，通過整體建模的方式實(shí)現(xiàn)砌體、銷鍵、預(yù)制板墻、后澆帶、鋼筋的數(shù)值模擬，各材料單元可根據(jù)材料厚度、約束特性及其他因素選用實(shí)體或殼單元，并通過建立材料單元間的非線性關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)制混凝土板墻加固數(shù)值模擬。

4 結(jié) 論

預(yù)制裝配式混凝土板墻加固方法作為裝配式理念與砌體加固改造結(jié)合的新方法，符合綠色施工理念，可縮減施工工期，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，降低環(huán)境污染，具有較好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域已展開深入研究，并取得一定成果，主要結(jié)論如下：

a.“后澆帶”可以使預(yù)制板墻、砌體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更好地連接，其傳力效果優(yōu)于“灌漿”、“銷鍵”連接。

b.將砌塊、砂漿作為整體進(jìn)行建模，分別對(duì)砌體、混凝土、后澆帶、銷鍵、鋼筋分別定義非線性材料、單元及接觸特性，可以較好地實(shí)現(xiàn)磚墻加固數(shù)值模擬與分析。

c.預(yù)制裝配式混凝土板墻加固方法可以較好地提高原砌體結(jié)構(gòu)承載能力與抗震性能，地震作用下預(yù)制板墻與砌體結(jié)構(gòu)連接可靠，可承擔(dān)大部分荷載，并大幅提高原結(jié)構(gòu)抗剪、抗彎性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性，使結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞。