砌体结构仍然是目前需要进行结构加固的主要结构形式之一。汶川地震中, 从图1 (a) 中设置构造柱和没有构造柱的相邻两窗间墙的破坏情况对比可以看出, 构造柱提高了墙肢的抗震能力尤其是抗倒塌能力, 表明设置构造柱是提高砌体结构抗倒塌能力的一种有效措施。但构造柱对于防止墙肢破坏的效果有限, 图1中在窗间墙中部设置一个构造柱的墙体, 在强震作用下破损仍比较严重, 震后修复比较困难, 这种破坏模式在当今经济社会发展的条件下仍是不可接受的, 应寻求更加有效的加固措施。

　　 对于目前常用的砌体结构钢筋网砂浆面层加固法、板墙加固法来说, 由于砂浆或细石混凝土的弹性模量约为砌体的10倍, 加固后的墙段、墙肢刚度增幅较大^[1], 造成结构加固后原本不需要加固的墙肢的刚度相对偏小, 从而导致结构因内力重分布而出现新的薄弱部位或增大扭转效应, 实际工程中常常不得不因此而对所有墙肢、墙段进行加固, 不仅经济效益受影响, 而且使得加固后的结构刚度提高较多, 地震作用也随之加大。汶川地震中, 高宽比较小的墙段 (矮墙) 大都出现典型的交叉剪切裂缝^[2], 见图2。根据这一情况, 设想在砌体结构承重墙上最容易产生剪切裂缝的破坏面上增抹35～60mm厚、250～400mm宽的钢筋-砂浆面层交叉条带, 取代整墙面钢筋网砂浆面层加固法, 可由交叉条带面层承担并分散墙体剪切应力。采用这一加固方法, 如果能避免或减缓强震下的墙体交叉斜裂缝的出现, 不仅经济, 而且施工便捷。采用这种加固方法, 比采用钢筋网砂浆面层加固法和板墙加固法的加固量少且基本不提高加固墙体的刚度, 不至于因部分墙体加固后产生结构内力重分布;与外加圈梁构造柱加固法相比, 由于是直接对外窗间墙破坏面增抹钢筋-砂浆面层窄条, 对于墙体的加固更直接。当然, 作为一种新的技术措施, 交叉条带法的加固效果需要通过系列试验来验证。

　　 为了解钢筋-砂浆面层交叉条带与砖砌体 (母墙) 的共同工作性能, 分析条带的单双侧布置、条带配筋、面层厚度、砂浆强度等级等对加固后的组合墙体抗剪强度及延性性能的影响, 设计了20片单片墙试验, 通过试验建立加固后的组合墙体抗剪强度理论计算公式。组合墙体单片墙试验在中国海洋大学结构实验室和青岛理工大学结构实验室进行。

　　 为分析条带的锚固作用以及条带的受力机理, 设置了由4个试件组成的试验对比组, 墙体尺寸均为2 100×1 560×240, 其他参数见表1。其中, 试件W1-2是未加固的白墙, 试件W2-2是单面设置“*”形条带的加固墙体, 条带面层厚度为40mm, 钢筋采用3根直径为6mm的HRB400级钢筋, 条带纵筋未与底梁锚固。试验表明, 条带纵筋未与底梁锚固的加固墙体W2-2的开裂荷载和开裂位移比未加固墙体W1-2有较大的提高, 但极限荷载和极限位移几乎未有提高, 而后续两个将X形条带与底梁锚固的加固墙体W3-2, W4-2 (图3 (b) ) 的开裂荷载、开裂位移、极限荷载和极限位移均比未加固墙体有较大的提高, 说明条带的锚固作用很关键, 只有可靠锚固, 交叉条带才能发挥加固作用, 见图3。这一结果与文献[3]的试验结果不一致, 是因为文献[3]中试验模型的条带未与底梁锚固。在图1中, 设置构造柱窗间墙与未设构造柱窗间墙破坏形态是基本一致的^[2], 由此可以看出设置交叉条带的组合墙体的受力机理与设置构造柱的组合墙体受力机理有本质区别。

　　 根据加载方式和支座约束程度的不同, 低周往复试验出现两种破坏形式:弯剪破坏 (表2) 和剪切破坏 (表3) 。

　　 试验表明, 弯剪破坏从开始加载到极限荷载阶段均呈现剪摩破坏特征, 试件W6-2纵筋屈服, 而试件W7-2纵筋未屈服, 其破坏形态见图4。加固后组合墙体的抗剪承载力可以看作是母墙的抗剪承载力与面层条带提供的抗剪承载力之和。在计算试件W6-2和试件W7-2母墙部分抗剪承载力时, 采用库伦破坏理论进行计算, 加上面层条带的抗剪承载力, 组合墙体W6-2, W7-2的极限荷载相对于未加固的空白墙W1-2分别提高了47.5%和56.4%。

　　 由表3, 4可知, 加固后墙体在其砌筑砂浆强度低于空白墙且面层砂浆等级低于M2.5的情况下, 其开裂荷载和极限荷载均得到较大幅度的提高, 采用基于库伦剪摩理论并考虑高宽比的计算公式计算加固墙体的极限荷载提高幅度, 计算结果见表4, 其破坏形态见图5。

　　 由表4可以看出, 加固后墙体的极限荷载提高了40%以上, 而且位移延性系数有较大提高, 墙体的变形能力和延性性能也得到明显改善^[4]。

　　 试验原结构为三开间两进深三层砌体结构, 进深5.4m, 开间3.9m。楼板为现浇混凝土楼板, 混凝土强度等级为C30。抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 抗震设防类别为丙类。结构未设置圈梁和构造柱, 内、外墙厚度均为240mm, 烧结页岩砖强度等级为MU10。模型砌筑用砖是由标准砖切割而来, 厚度方向作为长度, 由于烧结页岩砖实际尺寸比标准尺寸偏小, 切割后的长度实际只有50mm, 根据小砖的实际尺寸, 模型和原型的缩尺比例关系确定为1∶4.8。模型砌筑砂浆按强度等级M2.5配合比现场搅拌, 实测抗压强度2.8MPa;条带砂浆按强度等级M15配合比现场搅拌, 实测抗压强度27.3MPa, 条带受力主筋用2ϕ^S3.6的铁丝模拟, 其实测直径和屈服强度、极限强度见表5。为了减少砂浆搅拌过程中人为因素的影响, 采用加固模型与非加固模型同步砌筑的方式施工, 将条带拉结筋在砌筑墙体时埋入灰缝中, 见图6。

　　 加固模型与非加固模型放置在同一个振动台上进行振动台试验, 见图7。试验选用的地震波有El Centro波、Taft波和根据规范反应谱拟合的人工波 (Ⅱ类场地第一组) , 台面加速度峰值逐级递增, 依次经历7～9度的小震、中震、大震, 直至模型破坏终止试验。每级试验完毕均采用白噪声扫描试验, 测定模型结构的自振周期、振型曲线与振型系数的变化。低烈度试验阶段采用三条波依次进行横向单向激振试验, 高烈度试验阶段根据前阶段试验模型的地震反应适时进行调整, 主要选择人工波进行横向单向模拟地震试验。

　　 当台面实际加速度峰值达620gal (工况24) , 相当于9度罕遇地震作用时, 未加固模型首层窗间墙多处墙体严重破坏, 窗边大块墙体猛然崩开、脱落, 窗间墙位置出现多道交叉斜裂缝, 见图8。窗台变形引起窗角部灰缝出现水平裂缝, 但模型墙体未出现明显歪闪和整体倒塌, 结构整体残余变形不大。

　　 同步试验的加固模型房屋四角竖向条带及紧邻窗洞口侧的竖向条带中部出现1～2条水平裂缝。一层和二层窗间墙交叉条带间隔出现1～2道垂直于条带长度方向的裂缝 (受拉) , 1层顶板楼层处水平条带也出现数条垂直于条带长度方向的裂缝, 但砌体墙裂缝不明显, 未发现通缝情况, 模型整体基本完好, 见图9。

　　 未加固模型、加固模型的初始横向基频实测值分别为15.0Hz和17.3Hz, 纵向基频实测值分别为14.8Hz和18.0Hz, 根据模型试验动力相似关系换算, 未加固模型、加固模型对应的实际结构的横向基本自振周期值为0.149s和0.127s, 两者相差14.7%, 纵向基本自振周期值为0.147s和0.122s, 相差17.0%, 说明加固后模型自振周期变短、剪切刚度略有增大, 且加固前后两模型的纵横向刚度比较接近, 钢筋-砂浆面层条带对模型纵横向刚度的提高也基本一致^[5]。

　　 两模型基频在加速度峰值为620gal (工况24) 作用下下降最快, 未加固模型基频最大降低38%, 底层层间位移角急剧增大, 达到1/204, 与试验中该工况底层墙体破坏情况吻合;加固模型基频最大降低17%, 底层最大层间位移角为1/770, 砌体墙未出现明显破坏性裂缝, 表明结构整体抗震性能和延性都得到了提高。振动台模型试验得到以下结论^[5]:

　　 (1) 未加固模型在7度多遇地震作用下, 出现细微裂缝;在7度设防地震作用下, 结构墙体发生较严重的破坏, 但结构整体处于可修复状态, 综合评定未加固模型能满足7度抗震的设防目标。

　　 (2) 加固模型在9度罕遇地震作用下, 结构墙体仍未出现严重破坏, 基本处于弹性阶段。综合评定加固模型至少能满足8度 (0.3g) 抗震的设防目标。

　　 本次试验两个模型的抗震能力都比较高, 这可能与砌筑砂浆比较饱满有关, 模型的砌筑砂浆均比较饱满, 没有勾缝。汶川地震调查发现, 20世纪50年代建设的房屋抗震性能普遍较好, 除了那时的房屋开间较小, 墙量较多外, 砌筑质量也是一个重要因素。

　　 由于振动台试验后加固模型基本处于弹性阶段, 虽然两模型对比试验验证了加固模型的加固效果, 但加固模型的破坏形态仍不清楚, 为此, 又对该模型进行了振动台试验后的低周往复拟静力试验。试验在中国建筑科学研究院结构实验室进行。为节省费用, 试验加载装置就近取材, 加载高度为0.78倍模型总高度, 水平力通过分配梁施加于二层、三层楼板处。经过相似换算后的配重均匀分散在模型一至三层楼面处。通过100t拉压千斤顶施加往复水平力, 往复水平力按20kN级差逐级施加, 每级往复一次。当水平位移达到4mm后, 改为位移控制加载, 按2mm级差逐级加载, 每级循环2次, 直至试件破坏。

　　 当水平力加载至140kN时, 一、二层窗间墙交叉条带、角部竖向条带开裂;当水平力加载至160kN时, 二、三层窗间墙交叉条带新增多条裂缝, 最大裂缝宽度为0.1mm, 且一、二层顶板处水平条带开裂。当水平力加载至200kN时, 二层窗间墙交叉条带与二层顶板处水平条带交接处 (简称二层节点处) 破坏严重, 最大裂缝宽度为0.2mm。当水平力加载至220kN时, 二层节点处交叉条带最大裂缝宽度为0.3mm, 二层窗间墙的砖墙开裂。当位移加载至6mm后, 二层破坏比一层和三层严重, 二层窗间墙的砖墙裂缝宽度达2mm。当位移加载至8mm后, 二层窗间墙的砖墙裂缝宽度达5mm, 且二层节点处破坏严重, 部分砂浆面层剥落, 内纵墙门洞侧墙严重开裂, 水平承载力下降至峰值荷载的85%。当位移加载至9mm后, 已有裂缝继续加宽 (图10) , 水平承载力继续下降, 约降至峰值荷载的60%, 试验停止。

　　 当加载至破坏荷载 (位移加载至9mm) 时, 一层层间位移角最大为1/288, 二层层间位移角最大为1/115, 延性系数平均值为4.0, 结构具有较好的变形能力和延性^[6]。

　　 试验结果表明, 窗间墙X形交叉条带在水平力作用下呈拉压杆受力模式, 图10 (c) 中设置在窗间墙中部的水平条带没有裂缝, 说明它没有发挥作用。试验过程中可以明显看出, 交叉条带面层受拉时开裂 (母墙完好) , 反向作用 (受压) 时裂缝又闭合, 当交叉条带与楼层处的水平条带交接处 (节点处) 出现明显破坏后, 窗间墙墙体出现明显的裂缝, 最终在位移加载模式下破坏。其破坏次序是:1) X形交叉条带受拉侧条带开裂。2) 大变形状态下二层节点处条带破坏, 砂浆剥落, 条带基本退出工作。3) 窗间墙母墙开裂, 裂缝形式与未加固墙体类似, 但出现多条裂缝。内纵墙门洞两侧设置的井字形条带出现竖向裂缝, 门洞口侧墙出现交叉斜裂缝, 与未加固墙肢类似。从加固效果看, X形交叉条带加固效果比井字形条带好。该模型条带破坏集中在二层节点处, 这一方面与受力有关, 另一方面与模型制作有关。由于缩尺后砂浆面层厚度为10～12mm, 条带节点处有三层钢筋汇集, 砂浆较薄, 易剥落, 见图10。图中所示二层破坏程度大于一层是因为一层的墙肢竖向压应力大于二层。

　　 钢筋-砂浆面层交叉条带法加固可分为抗震承载力加固和延性加固两大类。抗震承载力加固主要是指经计算承载力不足且墙肢高宽比≤1的矮墙, 包括窗间墙、门洞口侧墙和整截面纵、横墙以及端山墙。延性加固主要是指经计算承载力满足规范要求但未按规范要求设置圈梁和构造柱的非约束墙体以及高宽比为1～4的墙肢、墙段。

　　 (1) 采用钢筋-砂浆面层交叉条带法加固时, 可用条带代替圈梁和构造柱。钢筋-砂浆面层交叉条带加固体系由倾斜交叉加固条带或井字形加固条带与楼层处的水平条带组成一体式结构。交叉加固条带设置在加固墙体的单侧或者两侧, 且沿砌体结构应力集中和易损部位设置, 倾斜交叉加固条带设置在墙肢高宽比≤1的矮墙上, 井字形加固条带设置在门洞的两侧及房屋四角, 见图11。对于高宽比>1且宽度≤1 000mm的墙肢宜采用井字形加固条带, 两条带的间距较小时可将条带合并而成为整墙肢钢筋网砂浆面层。

　　 (2) 倾斜交叉加固条带包括X形斜向交叉条带和“*”形交叉条带。对于8度抗震设防区一层及其他部位需要特殊加强的墙肢, 采用“*”形交叉加固条带;8度抗震设防区的二层及以上部位及6～7度抗震设防区的所有楼层, 除需要特别加强的部位外, 倾斜交叉加固条带宜采用X形斜向交叉加固条带, 见图12, 13。楼梯间墙体采用整墙面钢筋网砂浆面层加固。条带穿楼板做法见图14。

　　 (3) 每一层的钢筋-砂浆面层交叉加固条带的上下端应分别与设置在楼层处的水平加固条带固定连接, 形成一体式结构。X形和井字形加固条带在一层靠±0.00端应延伸至地坪以下500mm并用400mm宽 (高) 水平条带连成一体, 见图15。加固条带本身不单独设基础, 地坪以下的交叉加固条带每侧面层加厚10～20mm。女儿墙高度不大于500mm时, 竖向条带间距不大于3 600mm, 顶部设钢筋混凝土压顶。高度大于500mm的女儿墙采用整墙面钢筋-砂浆面层加固。

　　 (4) 对于承载力加固墙体, 钢筋-砂浆面层交叉加固条带带宽250～400mm, 在砌体结构的加固墙体两侧设置时, 其面层厚度≥35mm;单侧加固时, 其面层厚度为40～60mm。交叉加固条带面层内均需配置纵向受力钢筋和分布筋, 并组成钢筋网。分布筋为ϕ6@ (400～600) 构造钢筋, 纵向受力钢筋的直径、根数、间距由计算确定。设置X形钢筋-砂浆面层交叉加固条带墙体截面的抗震受剪承载力可按下式计算^[4]:

　　 $\begin{array}{l}V\le \left(\frac{0.125\sqrt{f{}_2}+0.5\sigma {}_0}{1+0.7{\rm H}/L}A{}_{\text{m}0}\right)/\gamma {}_{\text{f}}+\\ (0.54f{}_{\text{y}}n{}_{\text{s}}A{}_{\text{s}}+0.30A{}_{\text{c}}f{}_{\text{c}})\cos \theta ]/\gamma {}_{\text{R}\text{E}}(1)\end{array}$

　　 式中:V为墙体的剪力设计值;σ₀为对应于重力荷载代表值的砌体截面竖向平均正应力;H为原墙体墙肢 (墙段) 的高度;L为原墙体墙肢 (墙段) 的宽度;A_m0为原墙体墙肢 (墙段) 的水平截面面积, A_m0=t_w0L, 其中t_w0为原墙体厚度;f₂为母墙砌筑砂浆立方体抗压强度实测值的平均值;f_c为条带面层砂浆抗压强度设计值, 根据《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) 第8.2.3条, f_c可取同强度等级混凝土轴心抗压强度设计值的70%;f_y为钢筋屈服强度设计值;n_s为受拉条带钢筋的根数;A_s为单根钢筋截面面积;A_c为受压条带砂浆面层横截面面积;θ为条带与水平方向的夹角;γ_f为砌体结构材料性能分项系数, 由《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) 第4.1.5条确定;γ_RE为抗震承载力调整系数, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 表7.4.4.2, 设置钢筋-砂浆面层条带的组合砌体的抗震承载力调整系数γ_RE=1.0。

　　 (5) 钢筋-砂浆面层交叉加固条带通过梅花状布置的穿墙拉筋固定在加固母墙上, 条带的纵向受力筋锚入在设置在楼层处的水平加固条带内, 水平加固条带带宽为350～400mm, 水平加固条带的受力筋分别与楼板或钢筋混凝土梁、墙体间设置的拉结筋拉结, 形成钢筋网。外墙外侧水平条带纵筋的拉结筋应与内横墙水平条带纵筋焊接或可靠搭接。当加固墙体的单侧设置交叉加固条带时, 穿墙拉结筋不穿透加固墙体;当加固墙体两侧设置交叉加固条带时, 穿墙拉结筋穿透加固墙体且将加固墙体两侧的交叉加固条带内的纵筋和分布筋连成钢筋网, 以保证交叉加固条带的面层与母墙共同工作, 形成组合墙, 见图16。

　　 (6) 当交叉加固条带的面层厚度为35～60mm时, 交叉加固条带为钢筋-砂浆面层条带, 其中, 面层砂浆强度等级≥M10;当交叉加固条带采用钢绞线-聚合物砂浆面层时, 其面层厚度最薄处为25mm, 聚合物砂浆采用Ⅰ级或Ⅱ级聚合物砂浆;当交叉加固条带的面层厚度≥60mm时, 交叉加固条带宜采用钢筋-混凝土面层条带, 混凝土为细石混凝土, 强度等级≥C20。

　　 (7) 对于延性加固墙肢或墙段, 可单面设置宽250～300mm、厚40～50mm的交叉条带或井字形条带, 纵筋3ϕ8, 分布筋ϕ6@ (400～600) , 穿墙拉筋ϕ6@ (400～600) 梅花形布置, 不穿透加固墙体, 拉筋锚入墙内120～180mm, 面层水泥砂浆强度等级≥M10。首层条带的宽度、面层厚度取大值。

　　 (8) 条带面层宜按下列顺序施工:原有墙体清底、钻孔并用水冲刷, 孔内干燥后安放锚筋并铺设钢筋网, 浇水润湿墙面, 抹水泥砂浆并养护, 墙面装饰。

　　 原墙面碱蚀严重时, 应先清除松散部分并用1∶3水泥砂浆抹面, 已松动的勾缝砂浆应剔除。在墙面钻孔时, 应按设计要求先画线标出锚筋 (或穿墙筋) 位置, 并应采用电钻在砖缝处打孔, 穿墙孔直径宜比穿墙筋大2mm;不穿透锚筋孔的直径宜采用锚筋直径的1.5～2.5倍, 其孔深宜为120～180mm, 锚筋插入孔洞后可采用水泥基灌浆料、水泥砂浆、结构加固用胶粘剂等填实。锚孔直径需根据不同的材料和施工工艺相应调整。墙体或楼板钻孔时不得伤及原有钢筋。

　　 铺设钢筋网时, 竖向钢筋应靠墙面并用钢筋头支起。钢筋网在墙面的固定应平整牢固。钢筋网外保护层厚度不小于10mm, 钢筋网片与砖墙面的空隙不小于5mm。钢筋网与原有墙面、周边构件的拉结筋应检验合格后方可进行下一道工序的施工。

　　 (9) 抹水泥砂浆时, 应先在墙面刷水泥浆一道再分层抹灰, 且每层厚度不应超过15mm。

　　 (10) 面层施工后应浇水养护, 防止阳光暴晒导致干裂或与原墙体脱开, 养护时间不少于7d。冬季应采取防冻措施。

　　 (11) 墙面条带范围外不需要加固的区域可采用聚苯板填充。

　　 模型试验和理论分析研究均表明, 在砌体结构墙体表面设置钢筋-砂浆面层交叉条带是一种新的砌体结构抗震加固方法, 适用于抗震设防烈度6～8度区的既有砌体结构抗震加固。

　　 (1) 采用钢筋-砂浆面层条带法加固的墙肢极限承载力提高40%以上, 整体结构加固后的抗震能力提高1度以上。

　　 (2) 采用钢筋-砂浆面层条带法加固的墙体的开裂位移和极限位移有较大幅度的提高, 缩尺模型位移延性系数达到4.0, 单片墙试件位移延性系数有较大的提高, 结构的耗能能力明显提升。

　　 (3) 设置钢筋-砂浆面层交叉条带的加固墙体的刚度提高幅度较小, 结构自振周期和地震作用没有明显改变, 不会导致加固墙体与非加固砌体之间的结构内力重分布。

　　 (4) 条带面层宽250～400mm, 墙面加固量少, 配筋率低, 经济效益好, 利于节材。

　　 (5) 可实施性强。条带布置方式灵活, 既可单面布置, 也可双面设置。建议根据墙面开洞情况, 采用X形、“*”形、井字形及其他组合, 还可以与现有的钢筋网砂浆面层法组合运用。条带面层加固方法和施工工艺与目前常用的钢筋网砂浆面层法完全一致且设计计算简便, 可采用手算。

　　 (6) 推广应用面广, 适用多层砌体结构抗震加固, 尤其是农村农民自建房的抗震加固。条带既可采用钢筋-砂浆面层, 也可以采用钢绞线-聚合物砂浆面层或其他能承受拉、压交替作用并与墙体有效结合的材料。

　　 (7) 目前已进行的20片单片墙试验、1∶4.8缩尺模型的振动台对比试验以及加固模型振动台试验后的拟静力试验研究均表明, 钢筋-砂浆面层条带法是一种对砌体结构抗震加固效果比较好的方法, 但作为一种新的加固方法, 今后还需进行更多的试验来验证以求完善该加固方法。