砖砌体建筑体外预应力抗震加固技术研究

关键词：砖砌体建筑 体外预应力 抗震加固 

　　前言 

　　据不完全统计，我国城镇既有建筑总量超过500亿m2，而其中以砖砌体墙体为主要承重和抗震墙体的砖砌体建筑所占比例很大，且许多未达到抗震设防标准。一般而言，砖砌体结构整体性相对较差，砌体材料抗压强度较高而抗拉、抗剪强度较低，且具有自重大、呈脆性等特点，导致其抗震性能较差，在强烈地震作用下一旦发生倒塌，将造成大量的人员伤亡。汉川地震、玉树地震和雅安地震中，大量砖混、砖木结构房屋倒塌，人员伤亡惨重。因此，对现存的大量不满足抗震设防要求的砌体房屋进行加固改造，提高其抗震安全性，是当前工程建设领域函待解决的问题。 

　　1.概述 

　　目前，应用于砌体结构的抗震加固方法大体可以分为两类，直接加固法与间接加固法。直接加固法包括：增大截面加固法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、外粘钢板加固法、粘贴纤维复合材加固法、绕丝加固法或高强度钢丝绳网片、聚合物砂浆外加层加固法等；类似的工程有江北人民医院门诊楼加固工程、南京苏杰学校浦口校区加固工程、河海大学江宁校区行政楼加固工程、南京晓庄学院附属小学教学楼加固工程等，都是采取直接加固法；间接加固法包括：外加预应力加固法或增设支点加固法等。类似的工程有物流外包及仓储配套服务中心项目仓库加固改造工程、宁海中学1号教学楼和艺术楼加固工程等采取的是间接加固法。其中直接加固法均是通过增设附加材料或构件来分担原有结构所受到的地震作用。这些加固措施从有效性、粘结材料的耐久性、操作一体性、加固效果的连续性以及经济性等方面均存在一定的问题。众所周知，结构抗震性能的好坏与其抗剪强度的大小直接相关。对于砌体结构，影响抗剪强度的因素主要有：砂浆和块体的强度、法向压应力（即剪-压复合受力相关性）和砌筑施工质量等。施楚贤、骆万康等人对砌体剪-压复合受力的相关性问题进行了大量的研究工作，对砌体剪切强度破坏过程有了更进一步的认识。针对砌体结构抗拉强度低、抗压性能好的特点，国外学者提出对砌体施加预应力来提高其抗弯、抗剪能力，并改善其延性性能。国内从20世纪90年代开始对预应力砌体进行试验研究，试验结果表明，预应力在提高砌体结构的抗剪强度、变形、延性及墙体的抗震性能方面有显著的效果。但是，到目前为止，还仅局限于试验研究阶段，在预应力砌体的设计及应用方面，国内规范几乎空白。在国外，预应力砌体尽管有应用，也主要出现在挡土墙和厂房、仓库、教堂等高大单层建筑物中的外墙。在中高层建筑结构中如何应用预应力砌体是下一步研究发展的趋势。此外，该预应力砌体的理念也很少出现在对已建砌体结构的抗震加固之中。 

　　从砌体结构内在的抗剪机理角度出发，充分利用砌体剪-压复合受力的相关性所带来的抗剪潜力，提出了砌体结构体外预应力抗震加固方法。通过整体张拉沿砌体墙外部两侧全高范围内设置的预应力筋对墙体施加预压力，从而提高砌体墙自身的抗剪强度，并改善其抗震性能。该方法很少增加结构自重、加固贯穿全结构、在穿越楼层时加固效果保持连续、加固工程量小、耗资少、施工也方便。与此同时，以一典型的四层砌体教学楼结构为例，具体讨论了该种抗震加固方法在多层砌体结构中的设计计算过程。像南理工验小学教学楼加层改造项目、原姜家园小学临时校区教学楼抗震加固项目、南京市扬子第四小学加固工程、鼓楼区育英外国语学校教学楼1、教学楼2抗震加固改造工程都是采取此类方法进行加固处理的。考虑到多层砌体结构各楼层各部分墙体处于不同的压应力水平，提出了采用“预应力分级键”对预应力筋进行分级张拉，根据各墙体实际所需来施加对应大小的压应力，从而充分调动了原有结构内在的抗震能力。 

　　2.体外预应力技术加固砌体结构施工方法 

　　2.1 预应力筋的选取与连接 

　　体外预应力技术中的预应力筋可以选用高强钢丝、钢绞线和高强钢筋（如精轧螺旋钢筋C25），但根据国外多年的实践经验，竖向后张拉构件建议选择高强钢筋，这是由于体外预应力筋全部暴露在外，使细软的钢绞线或钢丝束的架设变得十分困难，而高强钢筋的刚度较大，不需要太多的临时支撑，且更容易定位，施工操作相对便捷。此外，预应力筋应采用高强钢而不是低碳钢，因为低碳钢会由于徐变产生很大的预应力损失，而高强钢可以在施加预应力的过程中达到高应变，从而使砌体徐变和收缩产生的预应力损失降到最小。另外，选用高强钢，在同样的预拉力下预应力筋的直径会更小，这样可以减少对房屋外观的影响。当房屋高度较高时，由于运输的需要，预应力筋需要被截断。因此沿房屋高度方向，预应力筋的连接可以采用螺纹套筒连接或焊接，但必须确保有足够的锚固长度，以保证连接处能够有效地传递预拉力。对于设置有分级键的地方，可采用在上、下层预应力筋两端车螺纹，下部预应力筋穿过分级键和楼板，在楼板上方用套筒与上部预应力筋连接。 

　　2.2预应力筋的锚固 

　　一般预应力筋的上部为张拉端，下部为固定端。上部锚固的主要要求是允许不受约束地施加预应力，并将这个力按照要求分布到周围的砌体上。本技术中上部锚固可在预应力筋的端部车螺纹，套上垫块和螺母，用螺母和螺纹来固定预应力筋。用于上部锚固的垫板应该具有足够的刚度，能够抵抗作用于垫块上的剪应力和弯曲应力，其厚度应该根据计算确定。 

　　预应力筋下部锚固的主要要求是抵抗预应力对锚体的局部作用，锚固必须保证对预应力荷载的抗力不超过锚体的允许粘结应力、剪应力、承压应力等。由于需要加固的建筑既有基础形式已定，因此可根据具体的基础形式确定：当墙体下部为砖基础时，可将基础凿开，预应力筋可用插入墙体下部的槽钢固定，待预应力筋放置就位后，再用微膨胀混凝土浇筑，混凝土中配置适量的钢筋，通过化学植筋法锚入原砖基础中。当墙体下部为混凝土基础时，若需施加的预应力较小，可直接采用化学植筋法将预应力筋锚入原基础中，植筋长度需经过计算确定；当需要施加的预应力较大时，可在基础上凿孔，预应力筋用锚板固定，待预应力筋放置就位后，再用微膨胀混凝土浇筑，混凝土中配置适量的钢筋。 

　　2.3预应力筋的张拉 

　　在给砌体墙体施加预应力时，推荐两种方法，这两种方法都是通过拉伸钢筋挤压垫板产生反作用力从而给砌体施加预应力的，它们的区别在于施力系统的不同。 

　　（1）液压张拉法 

　　首先用垫板和垫圈套住预应力筋并拧上螺母，将预应力筋固定就位，然后可采用液压张拉法直接张拉。所施加的拉力值可由张拉器所带的压力计读出。待张拉至油压标定值后，再用扳手将螺母旋紧至垫板的表面，然后卸载油压，移去张拉器即可。液压张拉法精度高，可以很好的适用于预应力筋直径大和长度较大的情况。 

　　（2）使用扭矩扳手 

　　扭矩扳手系统是采用扭矩扳手旋紧套在预应力筋张拉端螺纹上的螺母，使它压紧垫板以拉伸钢筋的。扭矩扳手带有按所需扭矩预先调好的显示装置，因此可准确地拉伸钢筋及施加所要求的预拉力。 

　　结束语 

　　砌体结构的预应力加固技术具有明显的优势，适合在城镇砌体房屋加固改造工程中推广。 

　　参考文献 

　　[1]刘航，兰春光，华少锋，韩明杰.多层砖砌体建筑预应力抗震加固新技术研究进展[J].建筑结构，2016，05：67-74. 

　　[2]刘航，韩明杰，兰春光，王涛，田玉基.预应力加固两层足尺砖砌体房屋模型抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2016，03：43-55+63. 

　　[3]刘钧壬，胡雪峰.桥梁抗震加固技术现状及发展趋势[J].门窗，2016，05：234.