CFRP在中小學校舍砌體結構房屋加固中的應用

蔣孝明

汶川地震的慘重損失給我國以及世界房屋結構的抗震安全性敲響了警鐘,尤其是在這次地震中有大量中小學校舍倒塌,造成大量中小學生遇難,給國人留下了深刻的教訓。2009年5月,國務院啟動全國中小學校舍安全工程。至2009年10月底,全國完成了近40萬所中小學,14億多平方米校舍的排查鑒定工作。鑒定結果顯示,全國中小學校舍中有8億多平方米達不到安全標準,其中砌體結構占了80%,砌體結構校舍的抗震加固任務十分艱巨。目前國內外對砌體結構房屋抗震加固主要采用增設構造柱、增大柱截面法、粘鋼法、外包角鋼法等一系列方法。面對如此大面積建筑物的抗震加固要求,按現有的抗震加固方法在加固時效性和加固的經濟方面均難以滿足要求。

與傳統加固修補方法即鋼筋水泥砂漿加固法相比,粘貼CFRP加固法具有明顯的技術優勢,主要表現在原校舍建筑空間利用率高、耐性好、施工工效高、沒有濕作業,以及加固修補后基本不增加原結構質量及原構件尺寸,不增加下層結構負擔。本文以浙江省某中小學校舍砌體結構加固設計為例,綜合考慮了各方面因素選用粘貼CFRP的加固方式,在總結以往研究成果的基礎上提出了相關設計建議,為實際加固改造工程的應用提供參考。

1 工程實例

該校舍位于浙江省某市,建于20世紀80年代,建筑平面大體呈 L形,總長 36.0 m,總寬25.26 m,主體結構形式為砌體結構,地上4層,總建筑面積約為 2 000 m2。標準層層高為 3.5 m,總高為16.0 m。該校舍主樓由縱橫墻和磚柱承重,外承重墻為270 mm厚石墻,內承重墻采用240 mm厚實心磚。樓板采用預制樓板,磚強度等級設計要求為不低于MU10,砂漿強度等級為不低于MU5。

根據現場排查鑒定,該校舍砌體主體存在的主要問題如下:

1)校舍北面的窗間墻有一定的斜裂縫和豎向裂縫。2)在內承重墻中部分墻體有明顯的階梯形裂縫,抗震承載能力不足。3)在放有托梁的內承重墻下由于局部受壓造成的豎向裂縫。4)底層走廊外側磚柱結構延性較差,部分磚柱有細微的彎曲水平裂縫。

根據檢測鑒定報告,該校舍砌體墻體滿足抗壓承載力要求,但抗剪承載能力 V0未能達到抗震要求 Vk,需進行抗震加固處理;磚柱上細微裂縫不影響結構主體安全,但不滿足結構整體延性要求,需要進行抗震加固處理。

2 加固設計的思路及方法

2.1 窗間墻體裂縫加固設計

該校舍北面為具有大開洞的砌體墻,這種大開間、大采光窗的建筑形式,抗震墻面積少,不利于抗震。該砌體墻的裂縫主要分布在門窗洞附近,并呈現出多種開裂形式,主要表現為斜裂縫和豎向裂縫,如圖1所示。對于此類砌體墻的加固,采用沿洞口周邊粘貼CFRP并在窗洞角部附加錨固碳纖維布條的有效加固方法。考慮施工方便采用CFRP全墻面貫通的加固方式,如圖2所示。

根據疊加原理,在用CFRP加固開門窗洞口砌體墻的抗剪承載能力時計算公式采用:

其中,VU為加固后砌體墻的極限抗剪承載力;CFRP承受的極限抗剪承載力 VCFRP采用以下計算公式[1]:

其中,n為CFRP粘貼層數;tC為CFRP的計算厚度;b為CFRP的寬度;εC為CFRP沿縱向的極限應變;?C為CFRP的抗剪承載能力影響系數,取為1.0;EC為CFRP的彈性模量。

經計算,選用CFRP寬 b=300 mm,層數 n=1,滿足抗震加固要求。

2.2 階梯形裂縫加固設計

該校舍東西面外承重墻由于受垂直荷載和水平荷載的共同作用,產生沿階梯形截面的裂縫,如圖3所示,還有由于溫度變化不均勻而造成墻體不均勻收縮產生“X”形裂縫。這些裂縫的產生不利于砌體結構整體的抗震性能。對于此類砌體墻的加固采用沿砌體墻對角線粘貼CFRP,并對上下端進行錨固處理的加固方法,如圖4所示。

其中,n為CFRP粘貼層數;tC為CFRP的計算厚度;b為CFRP的寬度;LC為CFRP粘貼長度;L為墻體長度;ε1,ε2分別為CFRP沿縱向,橫向上的極限應變;θ為CFRP與水平線的夾角;?C為CFRP的抗剪承載能力影響系數,取為1.0。

經計算,選用CFRP寬 b=350 mm,層數 n=1,滿足抗震加固要求。

CFRP承受的極限抗剪承載力 VCFRP根據下式得出[2]:

2.3 局部受壓裂縫加固設計

在校舍內部的部分承重墻由于和梁的接觸面積很小,造成局部壓力過大,產生如圖5所示的裂縫形態(裂縫上下較細、中間較寬)。

針對這種裂縫形式采用十字交叉粘貼CFRP的方式,在裂縫集中的部位加密粘貼,如圖6所示。這樣粘貼的CFRP起到套箍強化的作用,使其周圍未直接受壓的部分像“套箍”一樣阻止其橫向變形使得墊板下的砌體處于三向應力狀態,因而使得局部受壓砌體的抗壓強度大為提高。但此種做法只能對墻體進行加固,要改變這種局部受壓的受力特性需要在墻體上部增設圈梁,并在局部受壓區設置磚柱等一系列加固措施。

2.4 磚柱的加固設計

校舍底層走廊外側的磚柱由于沒有和砌體墻連接,磚柱整體的剛度較低、延性較差、抗側力能力弱,在地震力作用下很容易發生破壞而導致結構整體失穩。對于這種磚柱采用環向粘貼CFRP進行加固處理,環向粘貼的CFRP就像條形箍一樣,對軸心受壓磚砌體起到約束作用,使得核心砌體處于豎向壓應力及CFRP約束產生的側向壓應力作用下的三向應力狀態,提高了磚柱的抗壓強度。同時在磚柱上粘貼CFRP可以使得結構的延性大幅提高,提高抗震耗能能力。

3 結語

1)在施工之前首先需要鏟除原墻抹灰層和面磚,再用注射灌漿的方法對裂縫進行修補,最后進行粘貼CFRP加固。2)采用粘貼CFRP加固方式可以有效加強砌體墻抗剪和抗拉能力,以提高構件的整體抗震性能,同時不破壞建筑物的外觀造型和內部主體結構。3)沿門窗洞口粘貼CFRP的加固方法,改變了開洞口墻體的初裂位置,保證地震作用下洞口的安全。對于未開洞墻體,斜向交叉粘貼CFRP可以較好的約束裂縫的開展,保證砌體墻的承載能力和延性,改善墻體裂縫分布形態,提高墻體的抗裂能力。

4)采用粘貼CFRP的加固方法對砌體墻的整體剛度提高不大,如何在采用粘貼CFRP加固方式的同時提高構件的整體剛度尚需今后繼續研究。

[1] 谷 倩,彭 波,劉衛國.碳纖維布抗震加固開門窗洞口砌體墻片的試驗研究與受剪承載力分析[J].建筑結構學報,2007,28(1):80-88.

[2] 趙 彤,張晨軍,謝 劍,等.碳纖維布用于磚砌體抗震加固的試驗研究[J].地震工程與工程振動,2007,21(2):89-95.

[3] CECS 146∶2003,碳纖維片加固混凝土結構技術規程[S].

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