預應力加固在砌體結構中的應用研究及展望

徐秀鳳，杜秀麗，王璐，孟艷春，孫偉

（青島黃海學院，山東 青島266427）

1 引言

我國地處地中海—喜馬拉雅和環太平洋2 大地震帶的交接處，自古以來就是地震多發國家，自20 世紀以來，地震造成我國近59 萬人死亡和數百億元的直接經濟損失。因此，抗震防災已成為保障我國社會和經濟可持續發展的重大戰略，而實現抗震減災的關鍵在于提高土木工程的抗震能力，正如美國著名地震學家J.M.Gra 所言：“殺死人的不是地震，而是建筑物”[1]。

國家出臺了一系列相關文件，2015 年新版的地震區劃圖[2]將我國7 度區面積從49%增至58%，縣級以上城市中設防水平得到提升的約占12.5%；2016 年，住房城鄉建設部印發《城鄉建設抗震防災“十三五”規劃》中要求“提升既有住房抗震能力。通過棚戶區改造、抗震加固等，加快對抗震能力嚴重不足住房的拆除和改造。研究探索強制性與引導性相結合的房屋抗震鑒定和加固制度。繼續實施農村危房改造工程，統籌推進農房抗震加固改造[3]。”全國政協委員李小軍在2019 年全國兩會上指出：“農村民居普遍未設防或設防不達標。”因此，對不滿足新版抗震規范要求的既有結構加固研究已成為抗震防災減災的重點工作。汶川大地震后，清華大學、西南交通大學、北京交通大學土木工程結構的專家組赴震區進行調研[4]，對不同結構形式建筑的震害情況進行了統計，如表1 所示。其中，砌體結構震后可以直接使用的比例最小，但加固后可使用的比例最大。因此，對不滿足既有抗震設防要求的砌體結構進行加固具有重要的意義。本文首先對GB 50702—2011《砌體結構加固設計規范》[5]中的加固方法進行分析，然后對后張預應力加固方法的研究現狀進行總結，最后對未來的發展進行了展望。

2 規范中的砌體結構加固方法

我國GB 50702—2011《砌體結構加固設計規范》對砌體結構的加固方法、適用條件、承載力計算、構造要求等進行了詳細的規定，表2 中列出了規范中的7 種加固方法及其適用范圍。

表1 不同結構形式建筑震害情況統計 %

表2 規范中的砌體結構加固方法

表2 中的加固方法普遍存在施工周期長、現場濕作業多、影響建筑正常使用以及工程造價高等問題，村鎮居民人均收入較低，很難負擔此類大規模、長時間、高費用的加固工程。因此，加固時間短、費用低、加固后抗震性能顯著提高后張預應力加固技術應運而生。

3 預應力加固研究現狀

將預應力加固技術應用到砌體結構中的想法最早由D.Foster 博士[6]提出，并得到了國內外的許多學者響應，美國最先將預應力加固砌體結構列入《砌體結構建筑規范》之中。至今我國的GB 50702—2011《砌體結構加固設計規范》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術規程》[7]并沒有對預應力加固砌體結構進行規定。

我國對預應力加固砌體結構的研究始于唐山大地震后，孫偉民等[8]通過擬靜力試驗研究了8 片開窗洞及無窗洞的內、外縱向混凝土小型空心砌塊砌體墻片在豎向預應力筋加固時的抗震性能，劉航等[9]做了8 片足尺豎向預應力加固磚砌體墻片擬靜力試驗，宋彧 等[10]對5 片不同預應力值的預應力斜拉筋加固的磚墻進行了擬靜力試驗，尹新生等[11]對橫向預應力筋加固的砌體墻片進行了試驗研究，以上試驗表明不同方向預應力筋均可延緩墻體的開裂，抑制裂縫的發展，提高砌體結構的抗剪強度和結構開裂荷載，增加結構的延性和耗能能力。為了研究預應力加固對結構整體抗震性能的影響，馬樂人等[12]選取了20 世紀80 年代的一典型砌體結構預制樓板教學樓中的1個基本單元，按1∶4 縮尺建造了未做任何加固和采用豎向預應力筋加固的2 個相同的結構模型進行了模擬振動臺試驗，結果表明，對砌體結構施加豎向整體預應力，可以提高墻體的抗剪、抗彎強度，改善墻體的延性和耗能能力，增強結構的整體性，且很少增加結構自重，是一種較為理想的抗震加固方法。陳紅媛等[13]對一寬1.5m、長2m 的2 層帶圈梁、構造柱的砌體房屋進行縱、橫向及豎向預應力筋加固，并對加固模型和未加固模型進行雙向擬動力試驗，結果表明，預應力筋產生的約束力對限制裂縫開展、防止圈梁與預制樓板的脫空效果明顯，加固后的總耗能大于未加固體系，損傷小于未加固體系。徐秀鳳[14]對一9.9m×9.6m，高6.6m 的2 層足尺砌體結構進行豎向預應力加固，并對其進行擬靜力試驗，結果表明，預應力加固砌體結構的峰值承載力是未加固結構的2 倍左右。邵海強[15]采用縱向和窗間墻處橫向預應力筋對一1∶4 縮比的2 層砌體結構進行加固，通過振動臺試驗證明，雙向加固比單向加固的結構抗震性能更好，且雙向加固在破壞性很強的地震反復作用下，仍保持一定的承載能力，不會倒塌。

已有的研究雖已證明后張預應力加固后砌體結構的抗震性能會顯著地提高，但是，未能對加固性能進行量化，未能建立加固目標與加固設計的對應關系，即未能做到基于性能的加固，不能良好地對實際建筑的加固設計進行指導。已有的后張預應力砌體結構加固大都以試驗來驗證其加固后的抗震性能，并未提出有效的數值模擬方法。

4 總結與展望

本文首先對我國規范中規定的砌體結構的加固方法進行總結，可知傳統的加固方法濕作業多、造價高、施工周期長。然后，介紹了一些學者所做的預應力加固砌體結構的研究工作，從研究可知，后張預應力加固技術可顯著提高砌體結構的抗震性能，但已有的研究大都不符合“基于性態的抗震設計”理念，即未建立加固目標-加固設計方法-加固效果評估之間的可量化關系，因此，在后續的研究中應將基于性能的加固理念應用到砌體結構的加固中。