砌體結構新型加固技術研究進展及實用建議1

王赟（陜西理工學院土木工程與建筑學院，漢中 723000）

砌體結構新型加固技術研究進展及實用建議1

王赟
（陜西理工學院土木工程與建筑學院，漢中 723000）

王赟，2016.砌體結構新型加固技術研究進展及實用建議.震災防御技術，11（2）：314—321.doi：10.11899/zzfy20160214

發展適用于砌體結構尤其是村鎮砌體結構的低成本加固技術緊迫且必要。本文對嵌筋加固、鋼帶加固、玻璃纖維復合材料加固和打包帶加固進行了總結分析，認為這些新型低成本加固技術可有效提高砌體結構的承載力、變形性能和耗能能力等，并給出上述四種加固技術的實用建議，認為鋼帶加固和打包帶加固在砌體結構加固中更有發展潛力。

砌體結構加固技術實用建議

引言

目前砌體結構是我國主要的建筑結構形式之一，而砌體結構剛度大，產生的地震作用較大，震害嚴重。許多既有砌體結構建筑已經進入中老年期，抗震性能下降，加之我國結構設計和抗震標準不斷提高，已有結構的安全性能已不能滿足要求。村鎮砌體結構的建設缺乏監管力度，其建筑質量偏低，抗震能力更差，在歷次大地震中震害觸目驚心（周中一，2012；孟凡龍，2011），砌體結構尤其是村鎮砌體房屋的加固迫在眉睫。

砌體結構有許多傳統的加固方法（孟凡龍，2011；別宇飛，2013），如鋼筋網片面層、混凝土板墻、粘鋼加固和X形鋼支撐加固等方法。這些傳統加固方法在實際中均有應用并各有優缺點，有的濕作業時間長，有的對已有建筑空間影響較大，有的造價偏高施工復雜等，這些都限制了砌體結構尤其是村鎮砌體結構房屋的加固進程。尋求施工方便、造價低廉和性能良好的新型砌體結構加固技術已經很緊迫。本文對嵌筋加固、鋼帶加固、玻璃纖維復合材料加固和打包帶加固四種新型砌體加固方法進行總結分析，期望為砌體結構尤其是村鎮砌體結構房屋的加固提供參考。

1　新型加固技術研究進展

1.1嵌筋加固技術

嵌筋加固利用配筋砌體的原理，在水平灰縫內嵌入鋼筋，提高砌體承載力、變形和耗能性能等，該加固技術構造簡單、施工方便，據估算所增加的鋼筋約為2kg/m2，故總的加固成本較低。

孟凡龍（2011）將鋼筋通過嵌縫膠泥嵌固于墻體內部，并對21片磚墻進行擬靜力試驗。嵌筋加固提高了墻體的整體性，高寬比分別為0.5和1.8時，墻體側向承載力分別提高了24.78%和53.16%，素墻體嵌筋加固后其性能高于砌墻時直接放入鋼筋的配筋墻體，墻體的變形能力由原來的2.15提高到3.19以上。別宇飛（2013）對不同高寬比的水平嵌筋磚砌體墻體進行了低周反復試驗，高寬比為0.7的墻體，開裂荷載、極限荷載、破壞荷載和破壞位移分別提高4%、9%、18.2%和29.4%；高寬比為1.75時，極限荷載、破壞荷載和破壞位移分別提高6.7%、5.7%和15%。后植筋墻體的等效粘滯阻尼比ξ較無筋墻體高，說明帶鋼筋的墻體其吸收能量的比重增大，ABAQUS（通用有限元分析軟件）模擬分析與試驗結果相當。王秀英（2014）對嵌筋加固前后墻體進行了水平低周反復荷載試驗，發現高寬比為0.7的嵌筋墻體的極限荷載、破壞荷載和破壞位移分別提高了13.6%、13.6%和17.5%；高寬比為1.75的嵌筋墻體的極限荷載、破壞荷載和破壞位移分別提高了22.7%、25.5%和27.4%。加筋試件的能量耗散系數和等效粘滯阻尼比系數均大于未處理試件，表明耗能能力和變形能力提高。Antonio（2014）用預緊不銹鋼絞線沿柱全高嵌筋加固磚柱，為防止應力集中在柱四角預埋鋼板，并加強約束效果，在柱中預鉆孔埋鋼管穿筋（圖1），發現未加固試件表現為脆性破壞，抗壓強度按八邊型、方形和矩形截面依次減小，單肢箍加固的抗壓強度提高123—143%，重疊加固的抗壓強度提高196%，軸向應變增加1.8倍。

圖1　角鋼及鋼管穿筋Fig.1　Angle steel and steel bar through the steel tube

1.2鋼帶加固技術

國內外用鋼帶加固混凝土構件和節點以及砌體結構等，鋼帶以條狀或網狀鋪設在構件上，鋼帶可以預緊，鋼帶之間用卡扣連接，該加固技術施工方便、操作簡單、成本低廉。

Farooq等（2012）對比了碳纖維和鋼帶加固燒結磚砌體的抗震性能，發現加固后抗剪承載力分別提高2.14和1.57倍，破壞時橫向位移分別提高4.28和3.40倍，位移延性分別提高1.97和2.67倍，與碳纖維加固相比，鋼帶加固抗側能力提高不多，但其他的抗震加固效果較好，關鍵是價格較低。Farooq等（2014）通過試驗研究了單雙面加固、不同的配筋率及井字型和斜交兩種設置方向等不同加固方案對高寬比為0.7燒結磚墻體的抗震性能的影響，發現雙面加固的抗側剛度比單面加固的抗側剛度高，但與橫向配筋率不成正比；加固構件的側向位移均有提高，雙面加固側移和屈服點位移比單面加固的大；所有構件都表現出對稱穩定的滯回特性，未加固墻體的滯回曲線狹窄，表現為明顯的脆性破壞，單面加固的墻體滯回曲線飽滿，表現為延性的剪切破壞，有較好的能量耗散和延性特性，雙面加固的墻體滯回曲線在中心捏攏，有較少的殘余橫向位移，加固墻體剪切強度提高1.6—2.44倍，累積的能量耗散提高10.45—22.58倍，延性系數提高2.14—2.83倍；單面配筋有較高的延性，雙面配筋抗側剛度較高但延性較單面加固差，0.27%配筋率有較好的性能。Farooq等（2014）還研究了墻體在3種不同軸向壓力和不同方向設置鋼帶加固墻體的抗震性能，發現軸向壓力越大，墻體抗壓強度越大，破壞模式由無裂縫的滑移破壞到壓碎-滑移剪切的復合破壞模式，表現出較大的延性，滯回曲線變得豐滿，加固后的試件抗剪強度提高1.17到2.05倍，耗能能力提高，延性提高2.6到2.8倍，矩形網格的加固效果大于45度對角加固。Darbhanzi等（2014）在墻體的兩邊分別用兩條豎向布置成鋼軌式的鋼帶加固砌體墻體，對于高寬比為0.5的試樣，屈服強度減小了70%，最大強度增加了160%；對于高寬比為0.7的試樣，屈服強度和最大強度分別增加了210%和280%，最大位移和屈服位移分別增加了300%和30%，延性系數平均提高270%，初始和有效彈性模量分別降低70%和50%。

1.3玻璃纖維復合材料（GFRP）加固技術

碳纖維增強復合材料（CFRP）加固結構性能優良，但價格昂貴，玻璃纖維每平方米的價格最多是碳纖維的1/5，極大地降低了加固成本。近年國內外將GFRP布滿貼、條狀或網狀粘貼在砌體構件表面進行加固，并對加固后的力學性能、抗震性能和粘結性能等方面做了多方面的研究（張波，2014）。

翁大根等（2003）用試驗證明粘貼GFRP布能有效增強砌體抗震整體性，具有等效于提高砂漿強度的效果，GFRP的厚度滿足其抗拉能力大于砌體的抗剪能力時，能增強砌體的抗裂和水平極限抗剪承載力，墻端設有鋼筋混凝土構造柱時將會提高墻片的水平抗剪承載力。王全鳳等（2006）用GFRP加固帶壁柱磚墻，通過低周往復試驗發現，加固后試件的抗震性能、極限變形能力明顯增強，提高幅度66—256%，墻體剛度退化減緩，混合加固方式在極限位移狀態下比斜向加固的墻體耗能性能好，加固量增加、采用“對拉”錨固措施可有效地提高墻體的變形和耗能性能。王欣等（2006）研究了玻璃纖維雙面“XX”形加固粉煤灰砌塊墻片的抗震性能，加固舊粉煤灰砌塊墻體的承載力基本和未破壞前接近，直接用玻璃纖維加固的墻片極限荷載、破壞位移分別提高了19.2%和26.3%，延性系數提高了1.23倍，滯回曲線豐滿，剛度退化性能得到了改善，承載力降低系數曲線相對平緩，降低程度較小，改善了墻片的累積損傷。由世岐（2007）通過試驗研究了GFRP布加固砌體抗壓、抗剪、抗彎和抗震性能及效果，發現GFRP布加固砌體的抗壓強度提高，抗剪強度提高率在73—88%之間，極限彎矩是未加固磚梁的2.04—5.13倍，跨中撓度是未加固磚梁的1.22—8.11倍，抗剪和抗彎加固效果明顯；在低周反復荷載作用下，GFRP布加固砌體墻片的抗震能力提高，耗能能力明顯增加，耗能系數提高幅度在45—485%之間，加固砌體墻片的骨架曲線下降段比較平緩，延性系數提高了1.0—3.1倍。Júnia等（2015）用GFRP沿全高加固了受損砌體墻體，試驗發現發生剝離破壞后楊氏模量值和應力應變曲線同加固墻相似，說明剛度和最初的承載力基本回復，試驗還發現抗壓強度增加49%。Arsalan等（2012）用垂直相交、沿墻片對角布置和滿布的GFRP加固試件，并進行了對角的壓縮試驗，垂直相交加固的試件抗剪強度是未加固試件的2.45—4.32倍，對角加固的效果更好，加固后的位移、延性系數和破壞能量都有提高。王全鳳等（2007）發現GFRP可以有效地提高磚墻的平面外抗彎能力和延性，當GFRP加固量達到一定程度，其平面外抗彎承載能力得到較大的提高，而平面外方向的抗剪承載能力提高有限，試件的平面外受荷能力由其抗剪承載能力控制。除了GFRP布以外，張智等（2010）用噴射GFRP整噴加固磚墻，加固墻體承載能力、開裂位移、極限位移和延性系數有了明顯的提高。Jorge等（2012）將玻璃纖維條用粘結和錨固的方法加固砌體結構，并用新的試驗方法進行29個試件的不同錨固個數和間距的粘結試驗；發現錨固明顯提高了試件的強度和變形性能，多種錨固結合比單一錨固的加固效果好，增大錨固間距導致剝離破壞，錨固間距適中效果較好。

1.4打包帶加固技術

打包帶取材方便、抗拉強度大、耐久性好，將條狀或加工成網格的打包帶圍箍在墻體上，內外打包帶可拉結，該加固技術濕作業少，施工簡單，Navaratnarajah等（2012，2013a，2013b，2014）分析得到打包帶加固成本約在0.85—3.4美元/m2，加固成本低廉，同時對打包帶加固砌體房屋的抗震性能也進行了研究和應用。

圖2　角鋼打包帶加固Fig.2　Strengthened with angle steel-packing belt

曾銀枝（2011）用角鋼和塑鋼打包帶加固磚墻，沿墻高間隔20cm用打包帶圍箍，打包帶張緊后接頭處各用3個卡扣緊固（圖2）。通過低周往復荷載試驗發現，加固后墻體的抗剪承載力由加固前的62kN提高到80kN，承載力的提高幅度為29%；極限位移較開裂位移增加了11.33mm，提高幅度為300%以上，墻體的延性明顯提高，滯回環面積增大，變形能力得到加強，延性增加，骨架曲線下降段平緩，從而改善了整體結構的抗震性能。姚新強（2011）等在西藏自治區農牧民安居工程中，將打包帶編織成網，墻體兩側打包帶拉結對砌體墻進行加固（圖3、圖4），通過振動臺試驗發現加固后模型的動力特性、位移反應、加速度反應均受到影響，打包帶加固有效提高了房屋整體性，墻體變形恢復力增強，控制了裂縫開展，震害要明顯輕于未加固模型，并用ABAQUS軟件進行了數值分析，加固和原型結構的加速度、位移、應力應變和拉損傷等值和試驗結果一致，驗證了用打包帶進行抗震加固的可行性。周戟等（2013）應用有限元軟件模擬分析打包帶與碳纖維兩種材料加固農村砌體結構房屋后的整體動力特性，打包帶與碳纖維加固模型的承載能力分別提高了50%和133%，加固結構的裂縫分布更加均勻，寬度較小；極限位移是未加固結構的1.66與3.23倍，加固后地震加速度響應相對減小，加固后的時程曲線相對平緩，峰值區域寬度相對增加，并且曲線的峰值點出現相對滯后。

圖3　墻體打包帶加固Fig.3　Reinforcement with polypropylene band

圖4　打包帶拉結Fig.4　Connecting of polypropylene band

Navaratnarajah等（2012，2013a，2013b，2014）通過工程造價比較認為PP打包帶加固經濟性最好，并對PP打包帶網格加固砌體結構性能進行了系列的研究，認為該加固技術抗震安全性較高。Navaratnarajah等（2012）用PP打包帶加固拱頂磚砌體房屋，通過振動臺試驗發現加固后墻體抵抗橫向側移的水平是未加固的45倍，能量耗散能力是未加固墻體的25倍。Navaratnarajah等（2013a）用PP打包帶加固木屋架石砌體結構，通過沿階梯型截面受剪試驗，發現打包帶網格間距40mm加固效果最優，加固的石砌體墻體開裂后有殘余強度，延性比未加固墻體提高至少20倍；通過1:4模型振動臺試驗發現加固結構在嚴重破壞時和極限狀態時的橫向側移分別是未加固結構的5.5和6.2倍，開裂后加固模型的橫向剪切力系數比未加固的高，加固房屋模型嚴重破壞時和極限狀態時的能量耗散能力分別是未加固結構的3.1 和3.3倍，表明PP打包帶明顯增強了砌體結構的抗側能力；通過耐久性試驗，發現打包帶的抗拉強度與應用溫度呈反比關系，在陽光下暴露幾個月，抗拉強度退化，并建議用灰泥等砂漿涂抹。Navaratnarajah等（2013b）用PP打包帶加固燒結磚和土坯砌體墻體，沿階梯型截面受剪試驗發現原結構一裂就壞，沒有殘余強度，加固后砌體墻體開裂是個漸進的過程，開裂后有殘余強度，砌塊破壞整個墻體仍保持穩定；打包帶與灰縫呈45斜角的變形能力比平行于灰縫加固的高，打包帶的張緊和固定間距越小，剩余強度與初始強度的比值越大，加固后進行抹面處理至少80%的初始強度可以保留；帶孔鋼板連接器固定比塑料繩固定的強度損失小，但加固后進行抹面處理至少84%的初始強度可以保留；平面外彎曲試驗表明加固后的墻體豎向位移明顯增大，未加固的一裂就壞，加固的燒結磚墻體剩余強度至少為初始強度的45%。Navaratnarajah等（2014）用PP打包帶加固兩層土坯房屋，通過1:4模型振動臺試驗發現嚴重破壞時1層和2層橫向側移分別是未加固結構的27和26倍，開裂后加固模型的橫向剪切強度有很大提高，在各個階段加固房屋模型的能量耗散能力至少比未加固的提高20倍，嚴重破壞時提高42倍。

2　實用建議

上述四種加固技術通過改變墻體在水平荷載作用下的破壞形式，使得墻體從裂而即壞的脆性破壞轉變為裂縫分散、裂縫的寬度小而密，且不斷增多的延性破壞，從而明顯改善了墻體的抗震性能，具備顯著的社會效益、經濟效益和環境效益。為了加快新型加固技術的推廣應用，筆者給出實用建議。

嵌筋加固技術中配筋率為嵌筋墻體開裂性能的主要影響因素，配筋率越大，所承受的開裂荷載值越大，采用同樣直徑的鋼筋時，隨著嵌筋間距的減小，開裂荷載值的提高程度越大。實際工程中建議采用合適的配筋率，選擇較粗的鋼筋，較大的嵌筋距離；在用鋼量和配筋率相同的條件下，單面嵌筋比雙面嵌筋能更好地提高荷載值；墻體開槽位置和深度對墻體的極限承載能力和變形能力影響較大，故施工過程中應該嚴格控制開槽位置和深度，建議采用深度≥50mm，寬為15mm，在槽內每隔500mm鉆孔，穿入拉結筋，槽中的灰塵要清除干凈。

鋼帶加固可有效提高墻體平面內剪力，墻體的抗震性能的提高歸因于在鋼帶的約束下墻體的整體性增強，墻體的破裂和滑移性能的改變，墻體由脆性破壞過渡為延性破壞模式，故在實際加固中，保持合理的配筋率來改變砌體的破壞模式，配筋率建議采用0.27%，在配筋率相同的情況下，建議采用加固效果較好、施工方便的矩形網格形式，其次優先采用單面加固方式。

GFRP加固能提高墻體的強度，增強墻體的抗震能力，但隨著位移的增加，易出現空鼓和剝離，GFRP布加固砌體不能很好地約束砌體側面變形，故建議工程加固中在墻體中增加錨固以延緩空鼓和剝離的出現，墻體端部兩側增加夾具以有效抑制側面變形，GFRP布的層數及布的種類對試件抗壓、抗剪強度影響不明顯，加固層數也不是越多越好，實際工程中砌體抗壓、抗剪最大加固量不超過滿粘一層GFRP布或加固層數不宜超過兩層，加固時采用45°斜向粘貼加固效果較好。

打包帶加固方法以其突出的價格優勢，易于施工操作、對房間使用影響較小的優勢，在經濟相對落后、施工環境較差的廣大農村地區有較大的應用前景，在實地的工程應用中應注意將打包帶拉緊緊貼墻面，打包帶進行橫向拉結，打包帶上增加砂漿保護層，使打包帶的作用充分發揮。

3　結語

嵌筋加固、鋼帶加固、玻璃纖維復合材料加固和打包帶加固，其構造簡單、施工方便、造價低廉，加固后墻體的承載力、變形性能和抗震性能等都得到了提高，是新型且具有廣闊應用前景的砌體結構加固技術。其中，鋼帶加固和打包帶加固無論在施工、成本還是加固效果上，更具優勢，尤其對經濟水平相對較低的廣大村鎮砌體結構有廣闊的研究推廣前景。雖然這些新型加固技術取得較大的進展，但仍有很多問題有待進一步研究確定，如加固墻體抗剪強度的計算、加固因素與連續倒塌的關系等，以及實際工程應用中加固材料的合理配筋率范圍，具體的加固間隔和形式等。

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Research Progress and Practical Suggestions on New Reinforcement Technology of Masonry Structure

Wang Yun
（School of Civil Engineering&Architecture，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China）

It’s urgent and necessary to develop low-cost strengthening techniques applying to masonry structure，especially rural masonry structure，and four retrofitting techniques with embedded reinforcing bars，steel strips，glass fiber reinforced polymer and polypropylene band were analyzed and summarized，and the results revealed all can significant improve the bearing capacity，deformation property and energy dissipation property of the masonry structure，and practical suggestions of the four strengthening methods are given，in which steel strips and polypropylene band reinforcement methods have many advantages such as low cost and convenient construction，and they have a great potential in improving the shear capacity and ductility respectively.

Masonry structure；Strengthening techniques；Practical suggestions

陜西省科學技術廳社會發展科技攻關項目（2016SF-420）

2015-09-10

王赟，女，生于1977年。副教授。主要從事工程結構抗震及新型膠凝材料研究。E-mail:wangyun411@126.com