我国大量既有砌体结构年代久远,抗震设防标准低,材料强度低,砂浆强度尤其低,砂浆和砌块之间的粘结力很差,砌体墙的抗压承载力和抗剪承载力都很差,砌体结构整体性差、脆性大、延性差、耗能能力差,地震作用下墙体易开裂,出现主拉应力引起的剪切斜裂缝及墙体沿水平灰缝滑移产生剪切水平裂缝,造成主体结构的破坏甚至倒塌,出现严重的人员伤亡和财产损失。从汶川地震、玉树地震等震害情况看,砌体结构房屋的破坏最为严重,故其加固设计是我国防灾减灾的重点。

　　 砌体结构的抗剪承载力主要取决于砂浆强度和砌体竖向压应力,低强度砂浆砌体其抗震承载力很难满足规范要求,研究低强度砂浆砌体结构加固设计,采取合理、有效、经济的加固方案,提高结构承载力及抗震能力,具有重要的现实意义。

　　 砌体结构最常见加固方法有钢筋网水泥砂浆面层加固法(简称面层加固法)及钢筋混凝土面层加固法(简称板墙加固法)。

　　 面层加固法是复合截面加固法,即在砌体表面一侧或两侧外加钢筋网和高强度水泥砂浆抹面,利用接触面的粘结力以及拉结钢筋的作用,保证面层和原砌体共同工作形成复合墙体以抵抗地震剪力,根据试验研究和工程实践,面层加固法易施工、造价低、节省空间,可较大提高墙体的抗剪承载力、极限变形能力,提高结构延性。

　　 面层加固法适用于抗震措施及墙体抗剪承载力与规范要求相差不大的墙体,面层加固法比起板墙加固法相对简单,可以不设基础,加固费用低。

　　 板墙加固法与面层加固法类似,其材料采用混凝土,面层较厚,配筋较多,可大幅提高结构抗震承载力,适用于抗震措施和抗震承载力相差较大的墙体。板墙加固法需要设基础,加固工程量大、施工周期长、同时造价较高。20世纪90年代后板墙加固法在我国逐步推广,板墙加固法已经成为北京市近年来砌体加固最常见方法。

　　 北京地区砌体结构加固设计依据的规范主要包括:《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009) ^[1](简称鉴定标准)、《砌体结构加固设计规范》(GB 50702—2011) ^[2](简称砌体加固规范)、《建筑抗震加固技术规程》 ^[3](JGJ 116—2009)(简称抗震加固规程)和北京市地方标准《建筑抗震加固技术规程》(DB 11/689—2016) ^[4](简称北京地方规程)。

　　 墙体加固后,采用底部剪力法计算地震作用及其效应,并按现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的规定选取从属面积较大或竖向压应力较小的墙段进行抗震承载力验算。

　　 采用不同规范、规程,低强度砂浆砌体加固方法适用范围不同,如按照砌体加固规范第6.1.2条,为了使面层加固法有效,对砖砌体,原砌筑砂浆强度等级不宜低于M1.0;按照北京地方规程第5.3.2条,原砌筑砂浆等级不宜高于M2.5;同时墙体抗剪承载力计算差异巨大,所以设计人员在低强度砂浆砌体抗震加固设计时,经常会产生极大困惑。

　　 本文依据现行规范、规程,结合试验研究及工程实例,分析影响墙体抗剪承载力主要因素,对低强度砂浆砌体结构加固设计提出合理化建议,供低强度砂浆砌体加固设计参考。

　　 某宿舍楼工程,建造年代为20世纪70年代,地上4层,无地下室,层高均为3.2m,建筑物总高度为13.1m,建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅲ类。

　　 根据该工程的抗震检测报告,北侧外墙墙厚360mm,其余墙体厚度均为240mm,砖强度等级1,2层为MU10;3,4层为MU7.5。房屋砂浆强度等级推定值为M0.4。装配钢筋混凝土楼屋盖为纵横墙混合承重,该房屋在后期使用中进行过加固施工,在外墙增设了扶壁式构造柱和圈梁,内墙设置了钢拉杆。结构标准层平面布置图如图1所示。

　　 依据鉴定标准,按后续使用年限30年设计,对该结构进行了抗震检测及鉴定,原结构抗震措施横墙间距及内横墙圈梁位置不满足一级抗震鉴定,进行了二级鉴定计算,墙体抗震二级鉴定计算结果见表1。由表1可知,原结构抗压及抗剪承载力均不满足鉴定标准要求,必须进行抗震加固。

　　 本工程层数和高度均未超过《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)限值,横墙和纵墙布置规则,平面刚度均匀,由于后期使用中已经进行过整体加固,增设了圈梁、构造柱及钢拉杆,整体性较好,其薄弱环节是由于砂浆强度≤M0.4,造成了砌体墙的承载力无法满足规范要求,因此提高墙体的承载能力是低强度砂浆砌体加固的关键。

　　 采用两种加固方案进行分析:1)钢筋网水泥砂浆面层双面加固,总厚度70mm,配置ϕ6@300双向单层钢筋网片,砂浆强度等级为M10;2)双面钢筋混凝土板墙加固,总厚度120mm,竖筋ϕ12@200,水平筋为ϕ6@200,混凝土强度等级为C20;依据抗震加固规程中式(5.1.4),考虑加固后抗震能力的增强系数,采用盈建科YJKS2.0鉴定加固软件计算的加固后楼层综合抗震能力指数β_ci计算结果见表2。由表2可知,对于低强度砂浆砌体,面层加固法可以使构件抗震能力得到较大的增幅;现有试验研究也能证明低强度砂浆砌筑砌体采用面层加固法,可以有效地提高构件的受剪承载力、极限变形能力和耗能能力,同时面层加固法相比于板墙加固法,自重轻,施工简便,占用建筑空间小。因此对于砂浆强度很低的砌体结构,宜首先采用面层加固法。

　　 从表2还可以看出,120mm厚板墙加固计算结果小于70mm厚面层加固计算结果,与实际有较大差异,这是因为抗震加固规程增强系数法计算时,板墙加固的增强系数对应的砂浆强度最低为M2.5,一般情况下,原有砂浆强度越低,增强系数越大,本工程实例砂浆强度为M0.4,加固后抗震能力增强系数应远大于抗震加固规程的数值,同时抗震加固规程未考虑板墙属性,没有充分反映板墙加固钢筋混凝土的材料性能。

　　 低强度砂浆砌体采用面层加固法相对于板墙加固法具有明显的经济优势,对加固工程量所用材料进行对比,估算结果见表3。由表3可知,120mm厚板墙加固比70mm厚面层加固费用要高。经咨询得知,120mm厚板墙加固造价约为230元/m²,70mm厚面层加固造价约为80元/m²,加上板墙基础的造价,板墙加固法造价应为面层加固法造价的4倍以上。同时,与采用板墙加固法相比,采用面层加固法的建筑使用面积每层约增加19m²。

　　 虽然低强度砂浆砌体加固首选面层加固法,但是实际工程中,部分建筑抗震设防类别提高或高度、层数超值,需改变结构体系,需要在两个方向均匀设置一定数量总厚度不小于120mm厚的钢筋混凝土双面夹板墙。

　　 从工程实例计算结果表2来分析,120mm厚板墙加固楼层综合抗震能力指数低于70mm厚面层加固的,明显低估了板墙加固后墙体的抗剪承载力及抗侧刚度的提高。

　　 因此,依据现行规范、规程,分析低强度砂浆砌体板墙加固法抗剪承载力计算理论。各规范、规程对墙体抗震承载力验算不尽相同,抗震加固规程采用综合抗震能力指数法,砌体加固规范采用抗震承载力计算法,其计算、适用范围及计算原则有很大的差异。

　　 综合抗震能力指数法实际是增强系数法,墙段承受的剪力采用原结构分配的剪力,板墙加固法增强系数与原砌体砂浆强度等级有关,与板墙属性无关。当砌体实测砂浆强度等级过低,即<M2.5时,抗震加固规程未提供板墙加固法相对应的增强系数,也缺少低强度砂浆砌体板墙加固法试验研究数据,现知板墙加固法试验最低砂浆强度等级为M1.0,见文献[5]中关于自密实混凝土板墙加固低强度砂浆砖砌体的试验研究。

　　 按照北京地方规程,当采用总厚度不小于120mm双面板墙加固时,可认为改变了结构体系,双面板墙应计入压应力滞后影响并宜承担结构的全部地震作用,其增强系数按照新增钢筋混凝土墙来取值。

　　 砌体加固规范所采用抗震承载力计算公式物理概念明确,其将加固后的结构看成砌体和钢筋混凝土面层的组合砌体,抗剪承载力由原砖墙、面层混凝土、面层钢筋三部分组成,板墙加固承载力与板墙属性有关,与混凝土厚度及配筋相关,但该公式未考虑砖墙轴压比、高宽比及配筋率的影响因素,未设定砂浆适用范围,低强度砂浆砖砌体同样适用。

　　 砌体加固规范考虑到原砌体加固前已经承受荷载,其应力水平比较高,而新增混凝土只有新加荷载后才开始受力,此时混凝土面层的应变滞后于原砌体,当原砌体达到极限状态时,新增混凝土面层尚未达到极限状态,其承载力不能得到充分发挥,因此,加固后墙体的受剪承载力考虑压应力滞后影响,根据实际工程和试验结果,引进了新增混凝土强度利用系数α_c和钢筋强度利用系数α_s。抗震加固规程及砌体加固规范板墙加固公式、构造措施、适用范围汇总见表4,表中β_s为加固后综合能力指数,η为加固增强系数,β₀为楼层原有抗震能力指数,ω₁为体系影响系数,ω₂为局部影响系数;V_ME为原砌体抗震受剪承载力,V_cs为面层加固后提高的抗震受剪承载力。

　　 选取实例首层标准开间横墙进行分析,墙体轴向压应力为0.4MPa,双面板墙总厚度取120mm,计算基本参数为原砂浆强度M0.4、钢筋混凝土强度等级C20、水平钢筋为ϕ6@200。现依据现行规范,分析水平钢筋、混凝土强度等级、原结构砂浆强度等级参数变化对墙体抗剪承载力的影响,其增强系数影响曲线见图2～5。

　　 依据抗震加固规程第5.3.8条第2款,只有采用双面板墙加固且总厚度不小于140mm时,其增强系数按照增设混凝土剪力墙取值,当采用120mm厚双面板墙时,其增强系数取值为2.5;依据北京地方规程第5.3.8条第3款,双面板墙加固且总厚度不小于120mm厚时,增强系数按照增设混凝土墙取值,120mm厚双面板墙其增强系数取值为3.8;依据砌体加固规范第5.4.1条计算抗震受剪承载力。

　　 由图2～5可知:1)低强度砂浆砌体板墙加固时,砌体加固规范和抗震加固规程增强系数计算结果差异巨大,抗震加固规程计算结果偏保守。2)采用砌体加固规范计算时,随着钢筋强度等级和配筋率的提高,增强系数线性增大,甚至达23,远远大于抗震加固规程的增强系数3.8,这个增强系数显然是不合理的,目前没有任何试验数据证明板墙加固能够如此大幅度地提高构件抗剪承载力 ^[5,6,7]。3)试验证明,当低强度砂浆砌体板墙加固时,钢筋直径过大或间距过大,都不能保证钢筋充分发挥作用,当采用砌体加固规范公式复核墙体抗剪承载力时,不能盲目增大配筋率和钢筋强度。板墙加固水平钢筋宜采用砌体加固规范建议值,使得增强系数在合理取值范围,钢筋宜采用HPB300,水平钢筋宜为ϕ6@150～200。低强度砂浆砌体板墙加固抗剪承载力验算时,其增强系数控制在6～7倍以内较为合理。4)混凝土等级的变化对增强系数影响较小,采用C20混凝土已经可以较好地提高原构件的抗剪能力。5)随着原砌体砂浆强度等级的提高,当砂浆等级为M5.0时,砌体加固规范和抗震加固规程增强系数计算结果较为接近;这也侧面证明了抗震加固规程编制思路,板墙加固适用于砂浆强度等级较高的砌体,抗震加固规程只提供了砂浆等级大于M2.5板墙加固增强系数是合理的。

　　 大量既有多层砌体建筑,因为建造年代久远,砂浆强度很低而导致结构抗震承载力不足,加固时如何显著提高低强度砂浆砌体的承载能力是设计人员关注的重点。本文依据现行加固规范、规程,结合试验研究,分析了影响墙体抗剪承载力主要因素,对低强度砂浆砌筑砌体加固方案选型及加固设计提出如下建议:

　　 (1)低强度砂浆砌体应优先采用面层加固法,可以有效地提高构件的受剪承载力、极限变形能力和耗能能力,同时施工简便,工程量小,具有良好经济效益。

　　 (2)低强度砂浆砌体采取板墙加固法时,为保证混凝土充分发挥作用,应采用双面板墙加固,板墙厚度不应小于120mm。

　　 (3)低强度砂浆砌体板墙加固,当按照抗震加固规程设计时,其增强系数取值是按照砂浆强度等级M2.5取值,同时未考虑板墙属性,其综合抗震能力指数小于面层加固法计算结果,未充分反映钢筋混凝土的材料性能,计算结果偏保守。

　　 (4)钢筋混凝土板墙为钢筋混凝土和粘土砖的组合结构,钢筋混凝土墙与粘土砖之间的材性不同,弹性模量相差很大,为保证钢筋和混凝土充分发挥作用,板墙的厚度不宜过大,强度等级不宜过高,不要单纯提高混凝土等级、厚度或钢筋直径来满足墙体抗剪承载力计算;低强度砂浆砌筑砌体板墙加固设计时,板墙构造宜采用抗震加固规程建议值,混凝土强度等级宜采用C20,双面板墙厚120mm,钢筋采用HPB300,竖筋宜为ϕ12@200,水平钢筋宜为ϕ6@150～200,当按照此建议值时,抗震加固规程和砌体加固规范抗剪承载力计算吻合度较好。

　　 (5)板墙加固是混凝土面层和砌体墙的协同工作,为剪压复合受力状态,板墙加固对砌体部分形成的较强约束,浆体渗入加强了块体之间的粘结作用,改善砌体的受力性能,砌块强度、砂浆强度、压应力、板墙厚度及配筋是影响板墙剪压受力性能的重要因素,同时也取决于钢筋网的拉结和接触面的粘结力,对低强度砂浆砌体,施工时须将墙面抹灰、残渣及灰缝剔除干净,高压水冲洗接触面,充分湿润,刷界面剂,对开裂及不密实破损部位,浇筑混凝土前应采用压力灌浆修补,可拆除破损部位用混凝土压实,并宜附加构造钢筋。

　　 (6)鉴于低强度砂浆砌体板墙加固时,抗震加固规程和砌体加固规范的抗剪承载力计算差异性过大,当采用砌体加固规范计算其增强系数过大时,能否直接在工程中使用,其合理性值得商榷;建议加强对低强度砂浆砌体板墙加固的试验研究,对抗剪承载力增强系数提出合理的范围,同时补充规范计算公式的适用范围。