我国既有多层建筑大量采用砖墙作为承重结构^[1]。由于各种历史原因, 目前我国既有砌体结构建筑中存在着大量的不满足抗震设防要求的情况, 这些房屋在短期内不可能全部拆除重建, 如何经济有效地对这类墙体进行抗震加固依然是工程界面临的一个重大课题。

　　 汶川地震中, 设置圈梁和构造柱的砌体结构虽然抗倒塌能力有较大的提高, 但是由于构造柱对墙体抗剪承载力提高的幅度在10%～30%^[2], 对于实际烈度超过设防烈度较多的地区, 仍有不少设置圈梁、构造柱的砌体因抗震承载力不足而出现较为严重的破坏, 而经过抗震加固的一些房屋破坏轻微^[3]。

　　 钢筋-砂浆面层交叉条带加固法 (简称交叉条带法) 是根据汶川地震中墙体剪切裂缝分布的情况, 为提高砌体结构的抗震承载力、改善砌体结构的延性性能而提出的一种新型加固方法, 其出发点是在砌体墙面沿着剪应力集中的部位设置250～300mm宽、40～60mm厚的砂浆面层条带, 条带内配置一定数量的纵向受力钢筋并与横向分布钢筋形成钢筋网片, 钢筋网片通过单侧植筋或双侧对拉的方式与原砖砌体母墙可靠连接形成共同受力体系。相比已有的钢筋网水泥砂浆面层加固、钢筋混凝土面层加固等方法^[4], 这一方法具有受力机理明确、既提高加固后墙体的承载力 (比母墙提高40%以上) 又不明显改变加固后墙体的刚度 (比母墙约提高20%) 、施工技术要求不高、材料来源广、材料用料省等优点。本次试验的研究重点是分析墙体尺寸、竖向应力、砌筑砂浆强度、条带配筋率、条带的单双面设置、面层厚度等对墙体试件抗震承载力和延性性能的影响, 为该加固方法的工程应用提供依据。

　　 考虑到目前大量需要加固的砌体房屋多采用粘土砖, 试验的研究对象为粘土砖砌体墙, 按正交试验方法设计, 共有12个试件 (3组未加固墙体 (白墙) 试件和9组加固后的组合墙体试件) , 除W03墙和W9墙尺寸为1 560×1 560×240外, 其余墙尺寸均为2 100×1 560×240, 参照现行加固设计规范^[4]抗剪承载力公式, 考虑了表1所示的9种因素和墙体高宽比的影响。粘土砖对墙体抗剪强度影响不大, 采用强度等级MU10的标准粘土砖 (尺寸为240×115×53) ;砌筑砂浆考虑既有建筑砌筑砂浆老化程度的影响, 在常规的M2.5, M10两个强度等级基础上增加了M1;条带面层砂浆考虑了施工质量等因素, 分为M2.5, M5, M10, M15四个强度等级;钢筋根据加固工程实际情况, 选用6, 8, 10, 12四个等级;考虑到不同层墙体受到的竖向压力不同, 根据典型的7层砌体房屋计算结果, 竖向压应力分为0.516MPa (7层的底层) 、0.4MPa (中间层) 和0.21MPa (顶层) 三个等级。砌体试件砌筑根据《砌体工程施工质量验收规范》 (GB 50203—2011) 相关要求, 采用一顺一丁的砌筑方式, 砌筑质量控制等级不低于B级。墙体砌筑砂浆强度达到设计强度70%后再进行钢筋-砂浆面层施工。纵向钢筋与分布筋预先绑扎好形成钢筋网片。钢筋网片通过“S (双面) ”或“L (单面) ”拉结筋与砖砌体墙可靠连接, 拉结筋6@300呈梅花形布置, 在纵向钢筋上粘贴应变片, 并覆盖环氧树脂作防潮处理。钢筋-砂浆面层条带采用交叉形式布置, 面层宽度为250mm。在试件砌筑过程中, 随时检查砂浆饱满度。每片墙分别预留一组6个尺寸为70.7×70.7×70.7砌筑砂浆和面层砂浆试样, 在试验当天同步检测其强度。

　　 加载装置如图1所示, 观测项目主要包括:水平荷载及竖向荷载、墙体顶部的水平位移、底梁的平动与转动及钢筋应变等。墙体顶梁两端分别设置三个位移传感器, 量测墙体三个方向位移;在底梁中部和顶梁中部分别设置一个位移传感器, 量测墙体平面内相对位移;条带内钢筋应变由DH3818应变采集系统跟踪采集。

　　 试验时, 竖向荷载匀速加载至预定大小, 加载过程中随时观察位移传感器示数;水平荷载采用力-位移混合控制, 在正式加载前先预加载至20kN或30kN左右, 检查仪器运行情况, 试件开裂前采用荷载控制并分级加载, 每级增加20kN或30kN, 试件开裂后采用位移控制, 位移增值取开裂时试件的位移值, 以该位移的倍数为级差加载, 开裂前每级荷载反复一次, 开裂后每级位移加载反复三次, 加载至极限荷载的85%以下即认为试件破坏。

　　 本次试验3组未加固墙均属于剪切破坏, 以W01墙为例, 初始水平加载时, 每级荷载增加20kN;当水平荷载达到60kN时, 减小荷载级差, 每级增加10kN;当水平荷载达到70kN时, 改为位移控制加载, 整个过程连续加载不再停顿。在加载初期, 试件处于弹性阶段, 平面内和平面外位移稳定增长。当水平荷载达到107kN时, 在墙体中间出现第一条裂缝, 从正面看为从左上到右下的斜裂缝。此后, 随控制位移增大, 水平荷载最大值没有增大, 第一条裂缝不断扩展到墙顶端和底端。当位移达到8mm时, 从左下到右上开始出现通长斜裂缝;继续位移控制加载, 主斜裂缝随着拉、压作用而张开、闭合, 并逐渐扩大, 直至墙体承载力下降, 试验结束。至此, 墙体正面和背面均出现了明显的交叉斜裂缝。W01墙和W03墙裂缝见图2。

　　 W1～W4加固墙均属于剪压破坏, 不同点在于W4墙在水平荷载较大时底部出现水平裂缝。以W1墙为例, 当水平加载至100kN时, 正面的交叉条带中部砂浆面层出现细微裂缝;当加载至140kN时, 交叉条带上砂浆面层裂缝增多, 水平条带上出现竖向裂缝, 砂浆面层与墙体之间开始出现裂缝, 有剥离墙体的趋势;当加载至160kN时, 母墙墙体出现斜裂缝;当加载至170kN时, 破坏阶段的裂缝全部出现, 在后续的加载过程中, 已有裂缝宽度不断加大, 墙体的延性较好。在加载过程中, W1墙的一侧由于砌筑时砖错缝长度较短出现了自上而下的竖向裂缝, 将砖缝贯通, 见图3。

　　 W5～W9加固墙均属于剪切破坏。以W5墙为例, 该试件加固方式为单面加固 (正面为加固面, 背面未加固) 。初始水平加载时, 每级荷载增加30kN, 待接近开裂荷载时, 减小荷载级差, 每级增加20kN, 发现裂缝后改为每级增加10kN, 直至200kN后采用位移控制, 整个过程连续加载不再停顿。在加载初期, 试件处于弹性阶段, 各项数据稳定增长;当水平荷载达到160kN时, 出现第一条和第二条裂缝, 分别位于左下端条带和两条斜条带的交叉部位上, 砂浆面层与墙体之间也开始出现细微裂缝;当水平荷载达到190kN时, 发现墙体正面的左三角区域偏中间位置和背面相近位置出现了沿着竖向灰缝的竖向裂缝, 且背面左下角第三排砖上出现较长的沿着水平灰缝的水平裂缝;当水平荷载达到200kN时, 墙体背面出现了一些斜裂缝, 至此认为墙体进入了弹塑性变形阶段, 改为位移控制加载;当水平荷载达到210kN时, 原来裂缝继续扩展, 只在墙体上三角区域发现一条沿着竖向灰缝的竖向裂缝;当水平荷载达到220kN时, 正面上、左、右三个三角区域内出现了主要的斜裂缝, 斜裂缝的位置靠近条带且平行于条带, 而背面空白墙体出现了较为明显的交叉裂缝, 即主裂缝出现;继续位移控制加载, 主斜裂缝随着受拉、压作用而张开、闭合并逐渐扩大, 背面墙体上半部分出现了数条平行于主斜裂缝的裂缝, 之后墙体承载力下降, 试验结束。至此, 墙体正面上、左、右三角区域内均出现了明显的斜裂缝, 墙体背面出现了明显的交叉斜裂缝。W5墙和W6墙裂缝见图4。

　　 设置钢筋-砂浆面层交叉条带的组合墙体由母墙、条带中的砂浆面层及条带中钢筋三部分共同承担竖向力和水平力。试验时, 首先施加竖向荷载达到设定的竖向压应力, 然后逐级施加水平荷载。

　　 在施加水平荷载的初期, 应力未超过材料的抗拉强度, 各项应力稳定增长。当应力水平增加时, 由于条带面层砂浆的弹性模量约为母墙体弹性模量的10倍, 条带的相对刚度较大, 在水平推力作用下, 条带分配到的内力相对较大且由于条带中的砂浆面层抗拉能力较低, 一般条带中的砂浆面层首先开裂, 裂缝方向垂直于条带轴向且反向加载时裂缝闭合, 表明交叉条带的受力主要是沿条带轴向的拉伸和受压, 交叉条带呈现出拉压杆件受力状态;当砌筑砂浆强度等级较低 (小于M1) 时, 初始裂缝也可能出现在母墙体上。由于条带覆盖区域有条带配筋 (含分布筋) 加强, 母墙体裂缝主要表现为靠近且平行于条带的斜裂缝。初始裂缝出现后, 随着荷载的增加, 条带中的砂浆面层裂缝加宽、裂缝增多, 一般为2～3条, 并逐步发展为条带和墙体同时开裂状态, 表现形式主要为墙体的斜裂缝和砂浆面层条带上垂直于轴向的裂缝。条带和墙体都开裂后, 进入裂缝稳定发展阶段, 主要的表现为刚度进一步下降、墙体裂缝的长度、宽度和条数进一步增加直至其中一条变成通长裂缝, 条带裂缝条数一般不再增加。

　　 所有加固墙直至试件破坏, 试验中未发现钢筋屈服和条带压碎的情况, 表明加固后组合墙体的最终破坏主要由母墙体的剪切破坏控制, 但受拉钢筋和受压条带对承载能力的提高还是起到了较大的作用;而母墙体的破坏受到条带的约束, 延性有较大的改善。

　　 最终的剪切破坏形态主要表现为斜裂缝扩展宽度过大导致墙体丧失继续承载的能力, 一般会出现平行于主裂缝的多条次裂缝;另一种表现形式为靠近左右三角的外侧出现沿第一条竖向灰缝的开裂, 如图3所示。分析认为是由于泊松效应引起的水平膨胀将该灰缝沿竖向拉裂, 如果采用三顺一丁的砌筑方式可能会改善该现象的出现。个别试件出现下角部的局部砌体竖向压碎或水平裂缝, 说明虽然采用的试验装置理论上是纯剪切破坏但宏观弯矩的影响依然存在。

　　 综上所述, 设置交叉条带加固的组合墙体可以理解为由交叉条带形成的拉压杆系和母墙体共同受力, 最终的破坏由母墙体破坏控制, 交叉条带组成的拉压杆系虽未达到其本身的极限抗拉、抗压能力, 但对组合墙体的承载力的提高也有重要贡献。据此可以建立承载力分析的理论模型。

　　 经初步测算, 墙面设置250mm宽、40～60mm厚的钢筋-砂浆面层交叉条带后, 弹性阶段组合墙体的刚度约提高20%。由于条带配筋率比较低, 刚度提高的幅度主要与条带的宽度、面层厚度、砂浆等级等有关。

　　 试验测得开裂荷载、极限荷载和极限荷载时测得钢筋最大拉应力及最大压应力见表2。

　　 以W01墙、W1墙和W5墙为典型, 各试件滞回曲线和骨架曲线见图5。

　　 结构的延性一般用延性系数来表示, 本文延性系数取极限位移与开裂位移的比值^[5], 本次试验各墙体开裂位移、极限位移和延性系数见表3。由表3可知, 加固后墙体的延性变形能力均得到明显的改善。

　　 根据机理分析, 取加固墙计算简图如图6所示。

　　 组合墙体的抗剪承载力由母墙、砂浆面层交叉条带内配置的受拉、受压钢筋和砂浆面层条带受压承载力水平分力构成。由于极限承载力状态下砂浆面层已经开裂, 不考虑砂浆面层的抗拉能力。由前述分析可知, 交叉条带可以理解成交叉设置的拉压杆体系, 故其抗力需要考虑水平分量, 表达式为:

　　 $V{}_{\text{u}\text{k}}=V{}_{0\text{k}}+V{}_{\text{s}\text{k}}+V{}_{2\text{k}}(1)$

　　 式中:V_uk为采用钢筋-砂浆面层交叉条带加固后的组合砌体抗剪承载力;V_0k为母墙墙体自身的抗剪承载力;V_sk为条带中钢筋所提供的抗剪承载力;V_2k为条带中面层砂浆提供的抗剪承载力。

　　 经对比分析, V_0k的计算采用基于库伦剪摩理论并考虑高宽比的计算公式与试验结果吻合较好^[6,7], 根据这一模型, 经试验数据回归得到:

　　 $V{}_{0\text{k}}=\frac{f{}_{\text{v}0\text{k}}+0.5\sigma {}_0}{1+0.7\frac{{\rm H}}{L}}A{}_0(2)$

　　 式中:A₀为母墙砌体水平截面面积;f_v0k为无竖向压力时母墙砌体抗剪强度;σ₀为竖向正应力;H为母墙墙体高度;L为母墙墙体宽度。

　　 由试验结果可知, 在试验过程中加固条带内的钢筋不屈服, 故条带部分的承载力表达式为:

　　 $V{}_{\text{s}\text{k}}+V{}_{2\text{k}}=(\lambda {}_{\text{s}}n{}_{\text{s}}f{}_{\text{y}\text{k}}\epsilon A{}_{\text{s}}+\lambda {}_{2}A{}_{2}f{}_2)\cos \theta (3)$

　　 式中:令λ_sε=α_s, α_s为受拉 (压) 钢筋的综合利用系数;n_s为受拉条带钢筋的根数 (单面加固取3, 双面加固取6) ;ε为钢筋平均应变;f_yk为钢筋屈服强度标准值;A_s为单根钢筋截面面积;θ为条带与水平方向的夹角;λ₂为受压条带砂浆面层的综合利用系数;A₂为受压条带砂浆面层横截面面积;f₂为条带面层的砂浆立方体抗压强度标准值。综上可以回归得到交叉条带法加固墙体的抗剪承载力计算公式为:

　　 $V{}_{\text{u}\text{k}}=\frac{f{}_{\text{v}0\text{k}}+0.5\sigma {}_0}{1+0.7\frac{{\rm H}}{L}}A{}_0+(0.54n{}_{\text{s}}A{}_{\text{s}}f{}_{\text{y}\text{k}}+0.30A{}_{2}f{}_2)\cos \theta (4)$

　　 由表4可知, 拟合的抗剪承载力计算公式的计算结果与试验值吻合较好。

　　 为比较交叉条带法与常用的钢筋网水泥砂浆面层加固法 (简称规范法) 的经济性, 依据加固后抗剪承载力相同的原则选取典型墙段对两种方法所需钢筋量进行对比, 计算结果如表5所示。其中, 钢筋-砂浆面层交叉条带法纵筋选用8 (f_yk=400MPa) , 条带厚度为40mm, 条带砂浆强度为10MPa, 墙体竖向压应力为0.516MPa;钢筋网水泥砂浆面层加固法的钢筋量系采用标准值代入规范公式^[4]计算得到。

　　 由表5可知, 与常用的钢筋网水泥砂浆加固法 (规范法) 相比, 墙体高宽比为1时, 采用交叉条带法能减少钢筋用量36%以上, 且砌筑砂浆强度越低, 交叉条带法所需要的钢筋量就越少;当高宽比为1.67时, 钢筋网水泥砂浆加固法配筋只需满足构造要求, 此时交叉条带法也能减少近一半的钢筋量。考虑工程应用中需要加固的砌体结构砌筑砂浆强度一般偏低, 且交叉条带法在墙面上的施工面积不会超过钢筋网水泥砂浆加固法的一半, 对应的砂浆消耗量和界面处理工程量也减少一半以上, 所以在造价、工期上交叉条带法优势较明显。

　　 就目前试验结果而言, 交叉条带法适用于一般砖砌体墙的加固, 在砌筑砂浆强度较小时, 优势更为明显。

　　 (1) 试验研究表明, 钢筋-砂浆面层交叉条带加固法是一种有效的砌体砖墙加固方法, 可以有效地提高墙体的抗震性能。

　　 (2) 试验表明, 加固后组合墙体试件的抗剪承载力提高了40%以上, 延性也有明显改善。组合墙抗剪承载力随着条带配筋率的提高而提高, 面层砂浆强度、面层厚度对组合墙体的抗剪承载力的贡献较小, 当面层砂浆强度较低 (小于M2.5) 时基本可以忽略面层对承载力的影响。

　　 (3) 从试验现象看, 在试件达到极限承载力之前, 条带面层均已经出现受拉裂缝, 表明受拉条带砂浆部分对试件的抗剪承载力极限值的贡献较小, 但其与受压条带组成拉压杆系在极限状态下仍能维持稳定, 并对墙体的抗倒塌起一定的支撑作用。

　　 (4) 在试验过程中, 加固面层始终与墙体保持良好的整体性, 说明所采取的构造措施可以使加固墙体具有良好的协同工作性能。

　　 (5) 通过试验建立的交叉条带法加固砌体的抗剪承载力公式的计算值与试验值吻合较好, 可供设计和相关研究参考。为满足可靠度要求, 实际工程设计时应采用相应材料强度设计值。

　　 (6) 设置钢筋-砂浆面层交叉条带后, 弹性阶段组合墙体的刚度提高了20%左右, 设计时应考虑墙体刚度改变的影响。