高延性混凝土材料在某農用住宅建筑抗震加固設計中的應用

呂靜靜 趙藝園

磚木結構作為我國農村地區常見的房屋結構形式，多數房屋為村民自建，施工往往未遵循規范，缺乏必要的抗震構造措施，導致房屋結構的整體性不強，抗震能力明顯不足。該研究通過調查某一鄉村住宅，發現我國現存的住宅多為磚混結構，住宅房屋主要由磚墻、木架組成。外墻面為直線式砌體，缺少重要的抗震構件如鋼筋混凝土圈梁和構造柱，從而影響了房屋的整體穩固性[1]。

1 工程概況及抗震性能分析

本工程涉及某農村地區的一層砌體結構住宅，采用磚墻與木屋架組合作為建筑材料，面積為58 m2，開間高11.6 m，寬5 m，墻厚240 mm。經調查當地抗震設防烈度為7 度，故要求建筑物必須具備一定的抗震能力[2]。參考《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）進行抗震鑒定，得出以下結論：第1，從上部結構來看，該住宅沒有顯著的差異沉降和傾斜，表明其地基基礎狀況良好，能夠有效支撐整個建筑體。第2，墻體布置在縱橫墻的交接處采取咬茬方式，使得墻體之間的連接更為牢固，能夠有效抵抗地震產生的水平力。第3，在墻體砌筑質量方面，并未發現存在堿蝕、歪閃等嚴重的損壞現象。但墻體存在輕微開裂，裂縫寬度在0～1 mm之間，未對整體結構安全造成嚴重影響，需引起注意。第4，該住宅在抗震構造措施上存在不足。缺少圈梁和構造柱等必要的抗震構件，這在一定程度上影響了其整體的抗震性能。此外，屋蓋采用木結構支撐，在面對強烈地震時，其穩定性可能會受到挑戰。

2 高延性混凝土加固方案

2.1 加固改造方案

本次加固方案針對農用住宅建筑存在的墻體裂縫，且缺乏圈梁和構造柱等，擬通過使用高延性混凝土和增設帶狀構造筋的方法，增強墻體承載力，提高房屋結構整體性，從而解決農用住宅結構抗震性能較差的問題。高韌性混凝土條對鋼筋的要求如表1所示。具體加固改造方案如下：第1，增設高延性混凝土豎向條帶。在房屋四角及縱墻交叉處，增加高韌性混凝土豎條，此豎向條帶具有良好的承載性能，可發揮建筑柱的功能，明顯提高了墻體的整體穩定性。豎向條帶厚度設定為15 mm，以確保其足夠的強度和韌性[3]。第2，設置高延性混凝土水平條帶。在墻體的頂部，將增設高延性混凝土水平條帶。此水平條帶將起到類似圈梁的作用，能夠有效地抵抗水平地震力，防止墻體在地震時產生位移或傾斜。水平條帶厚度設定為15 mm，以提供足夠的支撐和穩定性。第3，墻面嵌縫處理。針對墻體輕微開裂問題，將采用嵌縫處理技術。嵌縫深度控制在10 ～15 mm，以確保嵌縫材料能充分填充裂縫，防止裂縫進一步擴大。通過嵌縫處理，在修復現有裂縫的同時還可防止新裂縫產生，以此提高墻體的整體性和耐久性。

表1 條帶加固要求

2.2 施工過程

放線與基層處理。施工開始前，根據加固改造方案，采用高精度測量儀器進行放線工作。在墻面上，用墨線標出高延性混凝土條帶的具體位置和寬度。外墻拐角處的高延性混凝土豎向條帶寬度設定為200 mm，外墻中部的豎向條帶寬度設定為150 mm，樓（屋）蓋處或墻頂的豎向條帶寬度設為100 mm?；鶎犹幚矸矫?，使用鏟刀將原墻面抹灰層徹底鏟除，灰縫深度清理至少達到10 mm，清理完畢后，使用噴壺均勻潤濕墻面，確保潤濕深度達到5 mm 以上，以增強新抹高延性混凝土與基層的粘結力。

高延性混凝土的配制。高延性混凝土的配制按照設計配合比進行，其中水泥、砂、骨料和添加劑的比例均精確至小數點后一位，水泥與砂的比例為1 : 2.5，骨料占比30%，添加劑用量為水泥重量的3%。高延性混凝土使用攪拌機進行攪拌，攪拌時間不少于5 min，保證混凝土的均勻性和穩定性。配制完成的高延性混凝土應及時使用，其初凝時間控制在2 h 內，確保其失去流動性之前完成模壓工作[4]。

高延性混凝土的模壓。抹壓過程中，采用專用抹面工具，確保高延性混凝土能夠均勻、密實地涂抹在墻面上，避免出現裂縫、空鼓和脫層等問題。模壓厚度根據設計要求進行控制，一般條帶厚度為15 mm，誤差范圍不超過±1 mm。每完成一段抹壓后，使用直尺進行檢查，確保表面平整度和垂直度符合要求。對于墻角和墻頂等關鍵部位，采用特殊工藝進行處理，增加抹壓次數或使用專用模板，確保加固效果達到最佳。

養護。養護階段直接關系到高延性混凝土的性能和加固效果。在養護過程中，每天定時噴水至少3 次，每次噴水持續時間為5 min，確保墻面保持濕潤。噴水養護須大于7 d，具體時間根據當地氣候條件和混凝土強度發展情況而定。在夏季高溫時段，增加噴水次數和持續時間，防止墻面過快干燥開裂；在冬季低溫時段，需采取保溫措施，如使用保溫材料覆蓋墻面，以防止混凝土受凍影響強度發展[5]。

2.3 模型分析抗震性能

2.3.1 模型設計

實際住宅面積為58 m2，開間高11.6 m，寬5 m，墻厚240 mm，實驗中，以1 : 2 的比例制造樣房，并且對其尺寸進行相應微調。模型砌筑選用強度等級為MU15 的燒結普通磚，經過精確切割，磚塊的規格為120.0 mm×57.5 mm×53.0 mm，為保證其質地與樣本房屋一致，磚塊均采自當地黃土。在構建磚墻時，嚴格控制墻體厚度120 mm，確保墻體的堅固和穩定。

2.3.2 模型相似關系

根據應力狀態相似準則，選取了模型墻體彈性模量、長度和加速度作為參考標準。建立尺度模型過程中，因采用的是同一種材質，故材料模數近似系數仍保持為1。在此基礎上，根據模型的幾何特點，將其長度相似系數設為1/2，而加速度相似系數為1。

在實際測量中，未加固模型的自重為2.67 t，而加固之后的模型自重為2.83 t。為保證縮尺模型的受力情況和原始模型相符，本文提出一種基于人工質量模型的方法。在此基礎上，將每一塊5 kg 重的鐵塊均勻置于模型屋頂上，并將其與模型本身的重量進行比較。原模型總重量2.67 t，而強化后模型2.83 t，模型的上部分重量是11.0 t；基礎部分2.43 t，模型總重量為13.43 t。

2.3.3 測點布置

為全面測試實際地震激勵對模型的影響，以及模型在地震作用下的加速度和位移反應，在振動臺面和模型墻體的不同高度位置精心布置了34 個加速度、22 個位移傳感器。傳感器能夠準確捕捉并傳遞地震激勵的數據，為試驗提供寶貴的試驗數據。

為監測模型結構可能產生的扭轉效應，4 個特殊位移傳感器安裝在檐口高的建筑四角。傳感器以同一方向布置在對角線上，能精確反映模型在地震作用下的扭轉情況。通過合理布置這些傳感器，可更全面地了解模型的動力響應特性，為后續的數據分析和結構性能評估提供有力支持。

2.3.4 試驗方案

按照《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）的規定，試驗選用2條天然波（El-Centro波、汶川波）和1 條人工波進行試驗，地振數據來自PEER 地面運動數據庫。試驗中，地震波按照x、y方向依次輸入，順序為El Centro 波、汶川波和人工波。在輸入峰值加速度為0.2g（g=9.8 m/s2）的條件下，對這3 條地震波進行了5%阻尼的反應譜分析，將所得加速度反應譜曲線與設計反應譜進行了對比。結果顯示，3 條波在結構對應周期內的反應譜與設計反應譜在統計意義上保持一致。

試驗加載工況按設防等級逐級進行，從6 ～9 度，對應峰值加速度分別為0.05g至0.62g（g=9.8 m/s2）。在每個設防等級的地振烈度數據輸入前后，試驗都對模型進行了雙向白噪聲掃頻，以了解結構的自振頻率和阻尼比等動力特性的變化。為防止未加固模型在試驗中突然倒塌，在其外側安裝了鋼筋網防護罩，并使用吊車和吊裝帶對屋蓋體系進行保護，避免屋蓋塌落對振動臺面造成損害。在7 度設防工況完成后，選擇El-Centro 波形進行后續輸入。當未加固模型在y方向8度設防El Centro波加載時瀕臨倒塌，及時拆除了模型上的傳感器，以防止模型倒塌損壞試驗設備。

2.3.5 破壞過程

未加固模型M1 的破壞過程具體為：第1，在設防烈度為6 度的地震作用下，M1 模型的地震反應不顯著，但有黃土屑脫落。在7 級地震作用下，山形墻前檐在地震作用下會發生外閃，在墻與墻的連接部位會沿著磚縫出現微小斜縫，同時在窗下墻和墻角處和窗間墻的上方也有斜縫，而在山墻的檐口處也有垂直的裂縫。第2，在地震作用下，輸入x方向設8 級地震，后縱墻亦發生外閃，人字形墻底面產生水平裂紋，墻角處的斜縫逐步擴大。結果表明，當地震波為8 度時，縱墻窗洞口的4 個角都產生了斜剪切裂紋，且窗下墻與墻之間連接處裂縫較大，最大裂縫寬度可達4.5 mm。為避免縱壁坍塌破壞設備，將第1 個模型上的傳感器移除，后繼續進行加載。第3，在荷載作用至x向8.5 度布置的 El-Centro 地震作用下，后縱墻檐下出現了更多外閃，且沿檐口向外開裂，形成新的斜縫，墻角處斜縫更大，最大縫寬度可達5.6 mm，山墻東側的垂直裂縫已全部貫穿。在y向8.5 度布置的El-Centro 波的激勵下，縱墻開裂呈“八”字形、“八”字形向斜延伸，局部與山形墻的垂直裂隙相通，檐口磚面有松動現象。第4，在x向9 度設防El-Centro 波的激勵下，后縱墻檐口中心面外位移明顯，山墻產生橫向開裂，角隅部分磚發生脫落。當布置9 度地震波的時候，山形墻的斜縫寬度將會進一步增加，最大可達18 mm，且兩邊的磚出現錯位，其開合位移高達15 mm；一些磚沿著裂隙發生錯動，出現了局部垮塌。第5，在荷載作用至x向9 度罕遇El-Centro 地震作用下，山形墻交叉裂隙兩側的磚石產生強烈的錯動，山墻上磚沿著裂隙滑移，整個模型坍塌。

HDC 條帶加固模型M2 的破壞過程。在地震設防烈度分別為6～8度時，M2 型鋼筋混凝土梁截面仍保持完整。在布置為7 度的El-Centro 波的情況下，未加筋條的窗底壁產生一條斜向細縫。在x向7 度設防的人造波浪作用下，山墻未加筋的部位，沿灰縫產生較小的豎向裂紋。

在8 度設防El-Centro 波作用下，模型中已存在的裂紋略有擴展。在y向8.5 度設防El-Centro 波的影響下，A 軸和B 軸上的高密度鋼筋混凝土表面和南墻頂部的高密度鋼筋混凝土表面產生較小的水平裂縫。在設防烈度為9 度的El-Centro 地震中，模型中已存在的裂紋發生擴展和加寬。當荷載達到9 度罕遇El-Centro 波時，觀測到了由北向南的明顯扭曲響應；在窗洞的角落處，裂紋不斷擴大，最大裂縫寬度達到5.5 mm；窗口下部墻體內原有的斜縫寬度增加，墻體兩邊的磚出現局部位移。

2.4 加固后綜合抗震承載力驗算

對于磚砌體結構，經高強度砼加固后，其墻體的整體抗震性能指標βs，可按式（1）計算：

式中：η為加強系數；ψ1、ψ2為影響系數；β0為原有的抗震能力指數，按照（《建筑抗震韌性評價標準》GB/T 38591—2020）的相關規范進行計算。

荷載取值方面，對不同區域實際使用狀況進行細致考慮。樓面活荷載設定為2.0 kN/m2；衛生間、陽臺、廚房等特定區域，由于使用功能的特殊性，活荷載適當提高至2.5 kN/m2。而樓梯間作為人流較為密集的區域，活荷載取值更是高達3.5 kN/m2。針對不上人屋面，考慮其使用特點，活荷載取值則相對較低，設定為0.5 kN/m2。加固前后綜合抗震承載力計算結果如表2 所示。加固前房屋橫向、縱向綜合抗震承載力均＜1，抗震強度達不到要求。經計算驗證，經高韌性混凝土表層加固后，其綜合抗震能力均＞1，完全達到規范所設定的標準。

表2 加固前后綜合抗震承載力

2.5 施工驗收

施工驗收是工程項目建設過程中的重要環節，旨在確保施工項目的質量和安全性能符合設計要求和相關標準。為摸清收尾工程項目，通過竣工前的預檢，進行一次徹底的清查，按設計圖紙和合同要求，逐一對照，找出遺漏項目和修補工作，編制作業計劃，相互穿插施工。在工程施工完成后，嚴格按照《高延性混凝土加固技術規程》（DB37/T 5191-2021）進行驗收，確保每一項施工細節都符合技術規程的要求，具體為：第1，采用高韌性混凝土對村鎮房屋進行加固，使其整體性和整體抗震性能明顯提高。這種材料具有出色的延展性和韌性，能有效吸收地震能量，減少結構在地震作用下的損傷，確保居民的生命安全，并可顯著延長房屋的使用壽命。第2，高延性混凝土施工工藝簡單明了，操作方便，且加固周期短。在施工過程中，采用高效的施工方法和專業的施工團隊，整個加固過程可在2 ～4 d 內完成，對農戶的正常生活影響極小，該方法易于在農村地區推廣應用。第3，由于高韌性混凝土面層的厚度一般為15 ～20 mm，因此在對建筑幕墻進行加固后，其立面效果沒有受到太大影響。在后期的裝飾施工中，可以通過刷砂漿、刷漆等方法進一步提升建筑的總體美感。

3 結語

高延性混凝土材料在農用住宅建筑抗震加固設計中的應用取得了顯著成效，通過合理的加固設計和施工，能提高農用住宅的抗震性能，延長建筑的使用壽命。且高延性混凝土材料加固施工工期短，對住戶影響小，在農村住宅抗震加固設計中具有重要應用價值。未來，隨著技術的不斷進步和應用的深入推廣，高延性混凝土材料將在農村建筑抗震加固領域發揮更加重要的作用，為農村地區的居民提供更加安全、舒適的居住環境。