砌体结构由于造价低廉、施工方便、材料来源广泛等优点, 20世纪在我国得到广泛应用。据统计, 我国约有90%的建筑墙体采用砌体材料。这些建筑由于历史、科技等原因, 大部分没有进行合理的抗震设防设计, 在地震中极易遭受严重破坏, 造成大规模伤亡和损失。2008年发生在汶川的里氏8.0级特大地震造成大量的房屋建筑严重损坏, 尤其是砌体结构房屋, 由于设计或施工不合规范以及不合理改造, 其破坏更加严重^[1]。分析表明, 多层砌体结构的破坏主要源于窗间墙承载力不足, 一些无筋砌体结构 (URM) 由于抗剪和抗压承载力不足也遭受严重破坏。我国村镇仍现存大量的砌体结构急需加固。

对砌体结构加固技术的研究一直存在, 如FRP加固、粘钢加固、钢筋网水泥砂浆和钢筋混凝土面层加固等^[2]。这些传统的加固方法, 由于现场施工作业时间长, 对生产生活有一定影响, 且加固后影响正常使用空间。

1) 体外预应力加固砖砌体墙 体外预应力加固是在墙体两侧, 从基础到圈梁以垂直或者斜交叉的形式布置和张拉预应力钢筋, 且经过耐火抗腐蚀处理。钢筋锚固在圈梁和基础上, 下端可以连接在底部基础的槽钢上, 上部可以使用液压千斤顶或者扭矩扳手张拉钢筋, 使墙体受到预压力。根据砌体的剪-压相关性^[3], 预压力提高了墙体的抗剪能力, 减少或消除了由地震引起的弯矩以及竖向拉应力, 减少了墙体裂缝, 避免因水平裂缝丧失抗剪能力, 可以有效改善墙体的变形能力、滞回能力等抗震性能, 还能提高墙体的整体刚度。体外预应力加固能有效对既有砌体结构进行抗震加固^[4,5,6], 且造价小、自重轻、施工周期短, 不影响居民的正常生活、方便美观, 国外已经在实际工程中得到了应用。

2) 试验研究概况 试验共制作1片普通墙和2片加固对比墙, 墙体试件编号DW-1、YDW-1和YDW-2, 每片墙体尺寸为2 000mm×1 500mm×233mm, 洞口尺寸为800mm×800mm。墙顶设置的圈梁截面尺寸为240mm×240mm。试件尺寸和加固方式如图1所示。

墙体YDW-1采用418预应力钢筋, 间距300mm, 垂直等距加固墙肢 (见图1) , 上部车M16螺纹的张拉端预应力筋穿过圈梁顶部矩形钢板 (340mm×70mm×20mm) 两侧孔洞 (20mm) , M16化学螺栓锚固Q345B矩形钢板到圈梁上。墙体YDW-2采用418预应力钢筋斜交叉加固墙肢, 预应力钢筋与基础梁夹角分别为69°和66°。

墙体的破坏形态如图2所示。未加固DW-1裂缝较多, 墙体左侧1, 2层间裂缝明显, 墙体局部砖块滑移, 墙体左下角斜通缝明显, 右侧洞口底部出现水平贯通裂缝, 墙肢沿斜裂缝剪断并发生剪切破坏。YDW-1墙肢右侧顶部第2, 3层砖之间和窗洞口两侧底部沿灰缝处开始出现第1条微裂缝。横向裂缝的数量少于DW-1。YDW-2裂缝呈X形, 横向裂缝较少。

各墙体的P-Δ滞回曲线如图3所示。从图3可以看出:DW-1的滞回曲线呈明显的捏拢特征, 极限位移小、延性差、耗能能力较低。采用体外预应力筋加固墙体YDW-1和YDW-2的滞回曲线均一定改善后期捏拢程度, 每级滞回环所包围面积较大, 极限荷载和延性变形能力比普通墙体DW-1也得到较大幅度提高, 表明体外预应力可有效提高墙体耗能能力。对比各加固墙体可以看出, 不同预应力加固方式对滞回曲线的饱满程度、墙体的抗剪承载力和变形能力产生较大程度的影响, 其中斜交叉加固墙体YDW-2的极限荷载明显提高。

从图4墙体的骨架曲线可以看出, 各墙体的骨架曲线均包括弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。开裂前, 3片墙体骨架曲线基本呈直线上升且相同;墙体开裂后, 相比DW-1墙体的骨架位移曲线开始产生偏向位移的较大弯曲;加固墙体处于破坏阶段时, 墙体YDW-1骨架曲线开始下降较快, 但墙体YDW-2的承载力未急剧下降。从图4可以看出, 相比未加固墙体DW-1, 施加体外预应力的墙体YDW-1, YDW-2的开裂荷载、开裂位移和极限荷载均增加;采用斜交叉加固的墙体YDW-2极限荷载比墙体YDW-1大^[7]。

1) 外贴钢板加固砖砌体墙 外贴钢板条带是一种能极大提高墙体抗压承载力的加固方法^[9]。如图5所示, 钢条带以一定间隔铺设在墙体一侧或两侧, 用螺栓与结构胶连接墙体, 钢条带之间可以用短钢板连接。采用钢板加固可以解决墙体受压承载力不足的问题, 提高墙体的抗压承载力。采用钢板加固砌体结构, 使钢板与墙体协同工作, 分担墙体一部分压力, 也将墙体各部分连接在一起, 增强整体刚度。由于钢板作业施工简便^[8], 在满足墙体加固要求的同时几乎不占住房面积, 尽可能地减少干扰人们的生活, 且施工方便, 具有较好的应用前景^[10]。

2) 试验研究概况 试验采用足尺实心墙体模型, 实心墙体轴心抗压强度试验共设计4片足尺试件, 编号分别为SW-1, SW-2, SW-3, SW-4, 其中SW-1为未加固实心墙体, SW-2, SW-3, SW-4为采用外贴钢板条带加固实心墙体。本试验墙体均采用强度等级为MU10的烧结普通砖和M2.5混合砂浆砌筑, SW-2, SW-3的加固方式如图6所示, 其中, SW-3将M6对穿螺栓替换为M8对穿螺栓, SW-4将M6对穿螺栓替换为M6膨胀螺栓。加固采用的角钢及钢板均为Q235B级钢, 加固主要材料为2根尺寸相同的角钢、6个尺寸相同的钢板条带、若干对穿螺栓等。三面加固墙都是通过结构胶和螺栓连接钢板于墙体。这种连接方式能让钢板和墙体更好地协同工作。

本次试验加载过程中, 为保证墙体承受均布竖向荷载, 同时串联3个320t的QF-320-20液压千斤顶, 通过大型反力架施加荷载, 每个千斤顶的荷载大小相同。首先对试件进行预加载, 加载值为预估荷载值的5%。预加载后进行正式加载, 荷载等级按预估破坏荷载的10%施加, 取200kN一级。当荷载加至预估破坏荷载的50%以后, 宜将荷载等级减小至预估破坏荷载的5%, 以100kN为一级, 直至试件破坏。

试验结果如表1所示, 针对不同的钢板条加固位置以及与墙体的连接方式, 相对于未加固墙体的抗压承载力有不同程度的提升。其中SW-2采用结构胶+M6对穿螺栓连接以及250mm×8mm的钢板尺寸, 每间隔1m进行加固, 对抗压承载力提升最为明显。

采用体外预应力法对砌体结构墙体施加竖向整体预应力, 可以提高墙体抗剪、抗弯强度, 改善墙体的延性和耗能能力, 增强结构的整体性, 提高结构整体刚度, 且基本不增加结构自重, 是一种理想的抗震加固方法。采用外贴钢板条带加固施工方便, 提升抗压承载力明显, 对于需要提升抗压承载力的砌体结构是一种简单有效的加固方式。2种加固方法都是干作业施工, 对居民生活影响较小, 具有一定的经济效益, 是行之有效的加固方式。