以UHPC加固歷史建筑砌體墻的偽靜力試驗研究

位三棟 彭 斌 鄭七振 龍莉波 馬躍強 陳 剛

1. 上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093；2. 上海建工二建集團 上海 200080；3. 上海建筑逆作法工程研究中心 上海 200080

砌體結構在我國已有悠久的發展歷史，曾被廣泛地用于工業和民用建筑中。雖然我國已著重推動建筑材料改革，推廣新型安全的綠色建筑材料，但現存的大量磚混結構建筑是無法忽視的。隨著城市化的推進，歷史建筑在城市中占據著不可替代的作用，其蘊含的歷史人文價值是無可替代的。因此保護歷史建筑受到社會的高度關注，而對歷史建筑的加固再使用已逐漸成為社會的熱點。因此研究出合理、實用、經濟的加固方式就顯得尤為重要。傳統加固方法，如鋼筋網砂漿面層加固方法需要錨固鋼筋網，不可避免地會對歷史建筑造成一定程度的損傷。混凝土板墻加固方法會減少建筑物的使用空間。最近涌現出一些新型加固方法如纖維增強復合材料，但該方法不能很好地提高歷史建筑的剛度，故其抗震加固效果不明顯。

超高性能混凝土（UHPC）以其“三高”而著稱，即耐久性高、工作性高、強度高，被稱為21世紀混凝土。在我國可持續發展戰略中，隨著綠色混凝土工程材料的推進和發展，超高強高性能混凝土在改善環境、提高經濟效益、解決工程中的疑難問題等方面引起了社會各界的極大關注。在國外，UHPC已經被用于很多工程，如巴黎JeanBouin體育場，馬賽地中海博物館等。國內對UHPC的應用也已逐漸展開，馮軍驍等[1]已研究將UHPC用于預制裝配梁節點連接，得到很好的效果。邵旭東等[2]已將UHPC用于連續箱梁橋。而UHPC在砌體加固方面還未得到研究和應用。本文采用上海羅洋新材料科技有限公司提供的UHPC面層加固低強度歷史磚砌體墻，探究加固效果。

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

試驗設計2片砌體墻，一片為未加固對比試件W1，W1試驗后單面加固為WU1，另外一片是加固試件W2。墻體長1 740 mm、高1 130 mm、厚240 mm（圖1），底頂梁均采用C30混凝土澆筑，在頂、底梁上均預留寬240 mm的鍵，以防止連接處滑移，因客觀條件限制，磚墻與頂梁的交接處用早強灌漿料連接。墻體由2人按分層流水作業法砌筑，砌筑方式為一順一丁，灰縫厚度為10 mm。為模擬歷史建筑的現狀，砌墻用的磚采用有100 a歷史的建筑拆下的磚，并采用配制的低強度砂漿。由萬能試驗機與測磚回彈儀實測，磚的強度為5.6 MPa。試配砂漿是石灰砂漿，強度為0.6 MPa，墻體完成砌筑與養護后采用砂漿貫入儀實測砂漿強度為0.4 MPa。

圖1 試件幾何尺寸及構造

W1試驗后以及W2砌筑完成并養護一周后，用上海羅洋新材料科技有限公司提供的UHPC材料單面加固，加固厚度為40 mm，用支模澆筑的方式施工加固面層（圖2），具體試件參數見表1。

圖2 現場施工

表1 試件參數

1.2 加載裝置及測點布置

砌體墻試驗加載時，試件設計軸壓比為0.3，用千斤頂在墻頂端分2級加載至78 kN。在墻端采用50 t級MTS電液伺服作動器施加低周反復荷載，采用荷載分級控制的方法，每級增加5 kN，初始值為5 kN，每級荷載下循環1次，直到試件出現較明顯的損傷破壞或承載力下降到極限荷載的85%時試驗終止。試驗中采集應變、位移、荷載三部分數據（圖3）。

圖3 位移計與應變片位置

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞過程

1）未加固試件W1主要破壞過程為：豎向荷載施加過程中墻體無明顯變化。當水平荷載加載至20 kN時（以作動器推為正，拉為負），墻體出現輕微響聲，有眾多寬0.49 mm的細小裂縫出現，但裂縫無明顯貫通。繼續加載至±35 kN時裂縫逐漸擴大并基本貫通，在墻上形成“X”形交斜裂縫。當正向加載至41.4 kN時，荷載突然下降，墻體發出很大響聲，自左上到右下的貫通斜裂縫達到的最大寬度為2.98 mm，對于反方向，當加載到－43.1 kN時，形成自右上到左下的貫通斜裂縫寬度為3.4 mm。在此時，正反荷載都有明顯下降，卸載后終止試驗。此條裂縫在左上跨越3皮磚，同時也穿過右下3皮磚；左下穿過2皮磚，右上跨過1皮磚，其余基本分布在砂漿灰縫中。認為未加固墻體W1出現斜壓破壞（圖4），峰值水平荷載為43.1 kN。

2）加固試件WU1破壞過程為：由于WU1是W1破壞后加固的狀態，故在其未加固面已經存在W1的貫通“X”形裂縫以及各細小裂縫。加載到45 kN時加固面與未加固面均無明顯變化，繼續加載至60 kN時墻體出現明顯響聲，并在墻體底部與底梁連接處出現水平裂縫，加固面層無任何變化，繼續加載至80 kN時，墻體底部裂縫水平貫通，在與頂梁連接處出現細小的水平剪切裂縫。當加載至90 kN時，此時峰值荷載已接近43.1 kN的2倍，此后不再循環反復加載，采用單向加載至破壞。正向加載至102 kN時底層明顯脫落掉灰，加固面無明顯變化。此后荷載不斷波動，裂縫不斷出現，當加載到134 kN時，荷載突然下降，墻體上部與底層1皮磚明顯滑移錯位，加固面跟隨墻面與底梁發生錯位移動。停止加載，認為墻體出現剪切滑移破壞（圖5），UHPC加固后墻體水平峰值荷載是加固前的3倍。

圖4 W1破壞形態

圖5 WU1破壞形態

3）加固試件W2破壞過程為：W2是新砌筑墻體，養護1周后用UHPC加固。加載到＋50 kN時墻體出現響聲，－60 kN時左下方出現輕微響聲，并且在底部出現細裂縫。當加載到90 kN時底部裂縫變寬，并水平貫通，未加固墻面與加固墻面均無明顯裂縫出現，加載到±100 kN時底部出現響聲，并且底部裂縫變寬。此后不再進行循環加載，采用單方向施加推力，荷載增加過程中，墻面不斷出現灰粉脫落。加固層始終無明顯變化，當加載至167 kN時荷載明顯下降，墻體仍是在底層出現剪切滑移，加固面跟隨墻體與底梁發生滑移（圖6）。

2片墻體在破壞后，為探究UHPC與墻面的連接情況，對2片墻體進行了取芯，WU1未能取到UHPC與墻面連接完好的芯樣。可能是因為W1墻面有石灰粉的存在，阻礙了UHPC與墻面的接觸。由W2的芯樣（圖7）可以看出，UHPC與墻面黏結的比較牢固。

圖6 W2破壞形態

圖7 W2芯樣

2.2 滯回曲線

對比W1與WU1〔圖8（a）、（b）〕滯回曲線可以看出，當施加荷載高于50 kN時，曲線出現一定強化，由于WU1和W1是同一片墻體，而且WU1是W1破壞后加固的狀態，可以認為此后是加固層UHPC發揮了作用。W2的曲線較WU1完整〔圖8（c）〕，這是由于WU1是損傷后的墻體再加固，而W2是完整的新墻體加固。

對比3圖可以看出，墻體在UHPC加固后的水平承載力明顯高于加固前的，強度提高值多于1倍。

圖8 墻體滯回曲線

3 結論與展望

1）厚40 mm的UHPC加固后的墻體，其水平承載能力有很大程度的提高，提高幅值可達200%。

2）對已經損傷的墻體可以采用UHPC加固，并且也能得到很好的加固效果。

3）從試件破壞形態來看，UHPC加固后的墻體都是在底層連接處剪切破壞，下一步可考慮將加固延伸到地基處或在節點處采用鋼筋加強連接。

4）厚40 mm的UHPC加固層對墻體強度的提高太大，工程應用中也許可以減少用量，因此對不同厚度的UHPC加固有待進一步研究[3-7]。

由于本次試驗試件數量有限，樣本數據不充分，因此試驗結論可能會有一定程度的偶然性。