北京市怀柔区某农村住宅,建于20世纪80年代中期,建筑面积约60m²,为单层砖木混合承重结构房屋,建筑檐口高度2.7m,双坡屋面,屋脊高度3.9m。房屋外观照片如图1所示,结构平面布置如图2所示。该房屋为北京农村地区典型农宅,为农民自建房,基本无抗震设防措施。其山墙和后墙为240mm厚砖墙,内隔墙为120mm厚砖墙,采用烧结普通粘土砖与白灰砂浆砌筑,正立面主要为门窗,设置了三根混凝土柱支承屋顶木柁。屋顶采用木屋盖结构,包括木屋架、檩条、望板、防水油毡和盖瓦。

　　 该房屋符合《北京市农村4类重点对象和低收入群众危房改造工作方案(2018—2020年)》的相关条件,故前期委托相关鉴定机构对房屋进行了结构安全性鉴定。经鉴定,该房屋危险性定性评定等级为C级,构成局部危房。

　　 综合房屋结构布置和现场实际勘测情况,该房屋结构体系布置不合理,木屋架大梁一端支承在后墙上,另一端支承在正立面混凝土柱上,前后墙刚度差异很大,在地震作用下易发生扭转破坏;另外,纵横墙之间无任何拉结措施,各榀木屋架之间也无支撑连接,房屋整体性很差。无论从危房评定角度,还是从综合安全性鉴定角度,均不满足现行相关标准规范的要求,需进行加固处理。

　　 改造所涉及农户为贫困户,改造资金由政府全额拨付。如果实际改造费用超出政府资金数额,农户无法负担多出的费用。因此,加固方案首先应考虑经济性。另外,该房屋处于居住使用状态,加固应尽量减少湿作业污染、噪声污染,工期也应尽可能缩短,以最大程度减少由于施工对农户生活带来的影响。

　　 在综合考虑改造方案的经济性、工期以及对农户生活的影响等因素的前提下,确定采用“砌体房屋预应力抗震加固技术”对该房屋进行加固改造。主要加固措施包括:1)两侧山墙和后纵墙采用预应力加固法加固;2)房屋四角、纵横墙交接处以及前窗间柱采用竖向钢筋网砂浆带加固;3)山墙和后纵墙顶采用水平钢筋网砂浆带加固,前屋檐下设置钢拉杆加固;4)木屋架设置了两道钢剪刀撑加固,开裂的木柁采用钢箍加固等。

　　 首先,对两端山墙和后墙采用预应力加固技术进行加固,预应力加固的平面布置如图3所示。

　　 该技术通过沿被加固墙体两侧均匀对称布置竖向预应力筋,并对墙体施加竖向预应力,从而提高墙体的抗震能力 ^[1,2,3,4]。由于预应力筋可以内嵌于墙体中,采用该技术加固的墙体的厚度不需增加,房间的使用面积不会减少。该技术目前已被北京市地方标准采纳 ^[5]。

　　 加固预应力筋采用直径为15.2mm的高强低松弛预应力钢绞线,成对布置,每对预应力筋间隔为1 300～1 500mm不等。为了保持预压应力的有效传递,预应力筋的上下锚固点均采用了专门设计的传力垫块,预应力加固做法如图4所示。

　　 由于房屋墙体没有抗震构造措施,整体性较差,在房屋四角沿竖向增加钢筋网砂浆带,起到构造柱的作用,在房屋内隔墙与后墙交接处也沿竖向增加钢筋网砂浆带,起到对内隔墙的约束拉结作用。

　　 原有正立面窗间柱虽为混凝土柱,但混凝土强度较低,配筋较少,采用单侧钢筋网高强砂浆带对其进行加固补强。此外,在山墙和后墙顶部沿水平向设置钢筋网砂浆带,在前墙顶增设钢拉杆,形成封闭圈梁体系,可以实现对房屋的整体约束。

　　 该房屋在进行此次改造前,已完成节能保温改造,墙体外侧贴有保温板。为尽量减少加固对外保温的破坏,此次加固的钢筋网砂浆带均布置在墙体内侧。即在房间墙体内侧绑扎安装钢筋网,然后采用M10砂浆抹面并养护,单面砂浆面层的厚度为40mm,水平与竖向钢筋直径为6mm,并每隔一定间距设置拉结筋,植入墙体保证钢筋网与墙体的连接。其典型做法如图5、图6所示。

　　 该房屋屋盖沿②,③,④轴一共三道木屋架,为提高木屋架的平面外稳定性,在①～②轴和④～⑤轴两个端开间各设置了一道型钢剪刀撑,剪刀撑采用Q235B双肢不等边角钢通过节点板焊接而成,角钢截面为L80×50×6×6,用以加强屋盖结构的面外刚度和稳定性(图7)。

　　 现场加固施工期间,发现木屋架主梁木柁均出现开裂,为防止裂缝进一步开展,采用扁钢箍对木柁进行了加固处理。房屋的整体加固三维效果如图8所示。

　　 为验证上述加固方案对房屋抗震性能的提高效果,建立了未加固房屋和加固房屋的有限元分析模型,对两个房屋模型进行了模拟地震作用的弹塑性动力时程分析。

　　 有限元分析模型中根据上述砖木结构房屋的结构特点进行了合理简化,基本假定如下:1)砖砌体墙体采用整体式模型,其材料连续、均匀;2)木材视作正交各向异性弹性体;3)砖墙和木梁之间不考虑相对滑移;4)屋面木板和泥瓦面层只作为荷载传递给木梁,不考虑其对屋盖刚度的贡献。

　　 未加固房屋的有限元模型中建立的主要构件包括砖墙、柱、木梁等。其中砖墙采用壳单元模拟,混凝土柱和木梁采用梁单元模拟。加固房屋模型与未加固模型的外形尺寸、材料完全相同,主要区别就是加固房屋模型增加了加固构件,包括预应力筋、钢剪刀撑、钢拉杆以及钢筋网砂浆带等。其中,预应力筋用桁架单元模拟,桁架单元的两个端点分别与砖墙顶部和底部相连接,剪刀撑和钢拉杆同样采用桁架单元模拟,水平和竖向砂浆带采用壳单元模拟。加固房屋的有限元模型如图9所示。

　　 砌体本构关系采用湖南大学施楚贤 ^[6]提出的公式(式(1)),上升段为抛物线、下降段为直线:

　　 $\frac{\sigma }{\sigma {}_{\max }}=\{\begin{array}{c}2\left(\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\right)-\left(\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\right){}^2(0\le \frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\le 1.0)\hfill \\ 1.2-0.2\left(\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\right)(1.0<\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\le 1.6)\hfill \end{array}(1)$

　　 首先对未加固和加固的房屋模型进行了动力模态分析,其前三阶自振频率和周期如表1所示,振型图如图10所示。

　　 从表1可以看出,加固可以使房屋的自振频率小幅度提高,这种提高主要来源于屋架间增加的型钢剪刀撑的贡献。预应力加固砖墙由于基本不改变墙体的抗侧刚度也不增加墙体的重量,对房屋自振频率影响较小。

　　 从图10中可以看出,未加固房屋和加固房屋的各阶振型基本一致,加固对振型形态影响较小,第一阶振型主要为横墙的平面外变形,其中山墙屋脊处最大,后檐口最小,前屋檐介于两者之间。这主要是由于房屋后墙刚度大,正立面洞口多,刚度削弱较大,同时木屋盖刚度很小,各墙体无法协同工作所导致的。第二阶振型表现为房屋的反对称扭转振型,该振型出现在横向侧移之前,对结构抗震不利,容易引起纵墙门窗洞口角部以及纵横墙连接处的应力集中。第三阶振型表现为纵墙的平面外侧移,表明结构整体的纵向刚度低于横向刚度。

　　 本文农房所在场地为Ⅱ类场地,计算输入地震动选用汶川地震卧龙台站波,该波属于Ⅱ类场地地震记录,震中距70km ^[7,8]。对该波进行归一化处理,时间间隔为0.005s。鉴于原波时间较长,选取典型波段,时长10s,如图11所示。

　　 时程分析主要模拟了沿房屋纵向输入地震波时房屋的地震响应,地震加速度峰值按抗震设防烈度8度小震、中震、大震分别取值。

　　 图12～14分别为未加固房屋和加固房屋在8度多遇地震(70gal)、设防地震(200gal)和罕遇地震(400gal)作用下,屋脊处和前屋檐处的纵向位移时程曲线。

　　 由图12及其源数据可以看出,在8度多遇地震作用下,结构纵向位移反应较小,加固房屋和未加固房屋的最大层间位移角分别为1/2 820 和 1/1 300,表明房屋仍处于弹性阶段,基本无损伤。加固房屋的最大位移较未加固房屋减少了54%。其中,加固房屋的最大位移出现在山墙屋脊处,未加固房屋的最大位移出现在前屋檐处。

　　 由图13及其源数据可以看出,在8度设防地震作用下,加固房屋和未加固房屋的最大层间位移角分别为1/932和1/420。加固房屋的层间最大位移较未加固房屋减少了55%,与8度多遇地震下的情况相似,加固房屋的最大位移出现在山墙屋脊处,未加固房屋的最大位移出现在前屋檐处。

　　 由图14及其源数据可以看出,在8度罕遇地震作用下,加固房屋和未加固房屋的最大层间位移角分别达到了1/400和1/134,加固房屋的最大位移较未加固房屋减少了67%。其中,未加固房屋基本处于倒塌破坏阶段,而加固房屋处于轻微损伤状态。另外,在罕遇地震下,加固房屋的最大位移仍然出现在山墙屋脊处,未加固房屋的最大位移出现在前屋檐处。

　　 为了进一步分析墙体的面外变形规律,提取了罕遇地震作用下山墙中部和前端平面外位移沿房屋高度的分布曲线,如图15所示,同时提取了檐口标高处山墙面外位移沿房屋宽度的分布曲线,如图16所示。

　　 从图15(a)可以看出,在纵向地震作用下,加固和未加固房屋山墙中部的面外位移均沿高度逐渐增大,其中加固房屋在从檐口到屋脊高度范围内位移基本稳定,不再随高度而增加,这主要是由于该范围内增设了型钢剪刀撑,可以有效减小山墙的面外位移。从图15(b)可以看出,加固和未加固房屋山墙前端的面外位移也沿高度逐渐增大,加固房屋较未加固房屋的面外位移显著降低,表明预应力加固可以有效提高墙体的抗裂能力,从而提高其后期面外刚度,减小面外位移。

　　 从图16可以看出,加固后房屋山墙的面外位移最大值出现在中部,而未加固房屋山墙的面外位移出现在前端,且表现为明显的“外甩”趋势。

　　 从上述对房屋加固前后进行的数值模拟分析结果可以看出,本文建议的加固方案可以显著改善正立面刚度弱的单层砖木混合承重结构房屋的抗震性能,提高其在大震下的抗倒塌能力。

　　 本文农房加固方案中,预应力加固砖砌体墙是近年来提出的一种新型抗震加固方法,其主要施工工艺如下:

　　 (1)在被加固墙体上定位放线,沿标注好的位置开凿出凹槽。墙体表面开槽前应先复核墙内水电管线位置,避免开槽损坏水电管线。采用云石切割机进行开槽施工,确保槽沟为直线,开槽的深度与宽度应保证预应力筋可以完全封闭于墙体内。

　　 (2)现场对预应力筋进行加工制作、下料,对锚具进行试装配。无粘结预应力筋安装前,应检查其规格尺寸和数量,确认可靠无误后,方可在工程中使用。

　　 (3)在预应力筋张拉端位置,墙体开洞,绑扎钢筋;在预应力筋固定端位置开挖基坑,墙体开洞并绑扎钢筋。开洞采用金刚石砂轮锯静力切割,减少开洞对墙体的损伤。

　　 (4)安装预应力筋、张拉端和固定端锚固体系。预应力筋应顺直安置在墙体表面的凹槽内,在穿筋过程中应防止保护套受到机械损伤。预应力筋铺设就位后,方可安装固定端和张拉端锚固节点组件。螺旋筋和承压板应与钢筋笼绑扎牢固。

　　 (5)支设张拉端和锚固端垫块模板,浇筑垫块混凝土。

　　 (6)混凝土强度达到要求后,张拉预应力筋,锚固端封闭;采用标定好的千斤顶或扭力扳手等设备对预应力筋进行张拉,沿墙体两侧对称布置的预应力筋必须两根同时张拉,且张拉过程尽可能保持同步。

　　 (7)施工质量检验,防护面层施工。张拉后应采用砂轮锯或其他机械方法切割超长部分的无粘结预应力筋,其切断后露出锚具夹片外的长度不得小于30mm。张拉后的锚具应进行防护处理。

　　 图17为预应力加固施工现场照片。

　　 (1)针对北京地区典型农村住宅中砖木混合结构的特点,提出了将砖墙预应力抗震加固技术与传统的钢筋网砂浆面层法、钢拉杆、剪刀撑等加固技术有机结合起来的综合加固方案,采用该加固方案加固房屋,在提高整体房屋抗震安全性的同时,成功实现了不减少房间使用面积、不改变建筑外观、提升建筑功能等改造需求。

　　 (2)加固前后房屋的动力时程分析结果表明,该房屋经加固后,可以显著减小其在地震作用下的层间位移,减少损伤。未加固房屋在8度罕遇地震作用下处于倒塌破坏阶段,而加固房屋只是轻微损伤。表明建议的加固方案可以显著改善正立面刚度弱的单层砖木混合承重结构房屋的抗震性能,提高其在大震下的抗倒塌能力。

　　 (3)对所采用的预应力加固砖砌体墙的抗震加固新技术的施工工艺进行了分析,结果表明,该项技术具有如下特点:加固不减少使用面积,对结构影响小;较传统加固技术更为节省材料,降低工程造价,且施工绿色环保,对环境影响较小;由于基本无湿作业,施工周期也可明显缩短。

　　 当前,国内正在大力开展脱贫攻坚行动,让农村困难群众住上安全舒适的房子是最为迫切的需求,也是当前脱贫攻坚中的重点工作之一。本文为北京地区典型的砖木混和承重农宅的抗震加固提供了一种新的解决方案,可供同类工程参考。