預制鋼筋混凝土墻板加固砌體結構抗震性能研究

李 佳，霍 光

(河北建研科技有限公司，石家莊 050221)

砌體建筑通常由磚砌體、石砌體、砌塊建成，作為主要建筑結構形式之一，具有一定的承載能力及抗震性能，相比于混凝土及鋼結構，具有自重輕、造價低等特點，廣泛應用于我國低層、多層建筑。由于早期的砌體結構房屋大多未考慮抗震影響，使得部分砌體結構房屋需要進行加固處理，以滿足正常使用要求。基于此，很多學者對砌體結構加固方法及原理展開了深入研究。

景杰婧[1]對纖維增強復合材料加固砌體技術展開了深入研究，從材料間粘結破壞機理出發，建立了內嵌纖維復合材料粘結、抗彎、抗壓、抗剪強度及抗震性能計算方法，為古建類砌加固提供了理論支撐。周彬[2]基于后加混凝土-砌體組合結構1∶2縮尺試驗研究結果及破壞現象，分析了組合結構延性、耗能及滯回特性，并提出結構受剪承載力計算方法，研究表明，后加混凝土可大幅提高砌體結構延性及耗能能力，進而改善砌體結構的抗震性能。鄧明科[3]對高延性混凝土加固蒸壓加氣混凝土砌體結構抗震性能進行了試驗研究，揭示了此類結構骨架曲線、滯回曲線、剛度、耗能變化規律，進一步建立了高延性加固砌體結構承載能力計算方法，為高延性混凝土加固應用提供了試驗及理論依據。

現有研究中砌體加固方法主要有鋼筋混凝土面層加固、粘貼復合纖維片材加固、鋼筋網水泥砂漿面層加固、鋼絞線網-聚合物砂漿面層加固法、增設砌體扶壁柱等加固方法[4]，其中混凝土面層加固方法施工范圍廣、造價低、加固性能好，可解決大部分由于沉降、承載力不足引起的墻體開裂問題，在加固施工中得到了廣泛應用。但是，混凝土面層加固施工現場不可避免的存在大量施工濕作業現象，施工周期較長，對周邊環境造成了不利影響。考慮裝配式技術應用可較好的改善這一現象，鑒于此，將裝配式施工理念與現有加固方法相結合，依據最新裝配式技術在砌體結構加固中的應用研究，探討了預制鋼筋混凝土墻板加固砌體結構的試驗及數值模擬方法，深入分析了該類結構的試驗特性及退化機理，以期為此類結構設計及施工提供一定參考。

1 混凝土面層加固方法概述

既有磚混結構房屋使用年限較長，由于地基發生不均勻沉降，導致墻體發生開裂等問題，對結構使用安全產生不利影響，如圖1所示，現行《磚混結構加固與修復》(15G611)[4]、《砌體結構加固設計規范》(GB 50708—2011)[5]對混凝土面層加固法進行了詳細描述。混凝土面層加固法是復合截面加固法的一種，通過在墻體側部增設混凝土面層，以提高其受壓、受剪承載力的方法，如圖2所示。

施工工藝如下：原有墻體清底→鉆孔并用水沖洗→澆水濕潤墻面→噴射或澆筑混凝土并養護→墻面裝飾。其中噴射或澆筑混凝土并養護環節中混凝土澆筑，支模、拆模養護往往需要14 d以上，且濕作業嚴重。鑒于此，為改善這一現象，可通過部分預制裝配式墻板替換傳統濕作業墻板，以實現節約工期，減少污染，實現結構快速拼裝加固。

2 預制鋼筋混凝土板墻加固方法概述

為改進傳統混凝土面層加固方法，吳建鋒、王嘯霆等[6,7]將裝配式理念與傳統砌體加固相結合，研究了預制鋼筋混凝土板墻加固法，該方法采用后澆帶與銷鍵將預制鋼筋混凝土板與原砌體結構連接為整體，以提高原墻體承載力特性及抗震性能，預制板墻采用后澆帶連接，以保證結構整體性。如圖3所示，施工工藝如下：原有墻體清底→鉆孔并用水沖洗→澆水濕潤墻面→預制墻板安裝→后澆帶部分澆筑養護→墻面裝飾。

該方法優化了混凝土面層加固法中噴射或澆筑混凝土并養護環節，預制板墻工廠生產，減少現場濕作業，縮減工期，同時預制混凝土板墻對原砌體有較好的約束作用，大幅提高了原砌體豎向及水平向承載能力。為進一步量化該加固方法對原結構的影響，部分學者分別進行了試驗、理論及數值模擬研究，以期為該類方法實踐應用提供依據。

3 試驗、理論及數值模擬研究

3.1 試驗及理論研究

為深入了解該類組合結構地震作用下的受力與變形特性，部分學者進行了低周往復加載試驗及工程實踐，深入研究了加固方法、破壞過程及機理。

張永群[8]基于灌漿料粘結與后澆帶植筋粘結對比試驗，得出后澆帶植筋方法粘結強度更高，試驗構件發生延性破壞。在此基礎上，進一步進行雙面粘貼預制混凝土墻片低周往復加載擬靜力試驗，結果表明該加固方法較好地提高原砌體結構承載能力與結構延性，較大荷載作用下原砌體結構角部破壞，墻板鋼筋屈服，發生延性破壞。

謝婧等[9]針對甘家口住宅樓加固工程實例，說明了具體外套鋼筋混凝土墻加固方法及施工難點，并為進一步優化預制混凝土墻與砌體結構連接方法，分別采用“灌漿”、“銷鍵”、“灌漿+銷鍵”三種連接方式進行擬靜力加載試驗。結果表明，采用“灌漿”方法可使砌體結構與預制混凝土板墻間形成較好的連接。

王濤等[10]為研究加固用預制混凝土板墻與砌體墻的連接方法，分別采用“銷鍵”、“灌漿”和“后澆帶”實現預制墻板、砌體結構的相互連接。試驗及模擬結果表明，未加固砌體脆性較大，易發生脆性破壞，耗能能力較差；采用“銷鍵”、“灌漿”和“后澆帶”可以使砌體結構得到不同程度的加強，其中“后澆帶”連接方式效果最佳，在彈塑性階段均能傳遞較大的荷載，遠高于“銷鍵”與“灌漿”連接，傳力最為有效。

上述研究表明采用板墻加固方法可以有效地提高砌體抗震能力，改善破壞特性。同時板墻與板墻間采用后澆帶連接可較好進行應力傳遞，為預制板墻加固設計、施工方法研究提供了依據。

3.2 數值模擬方法研究

考慮加固試驗較為復雜，實際加固工程實施過程往往需要通過數值模擬進行試驗，以預測加固效果，進行加固方案設計。因此，許多學者對砌體結構加固數值模擬方法進行了深入研究。

黃靚、陳再現等[11]對砌體結構材料特性進行研究，指出砌體結構中砌塊與砂漿兩者相互作用關系復雜，均表現出明顯的各向異性特性，加劇了砌體結構的模擬難度，現有砌體結構數值模擬方法主要有整體式建模方法、簡化分離式建模方法、精細微觀建模方法。精細微觀建模、簡化分離式建模方法可以準確反應砌體、砂漿間相互作用關系，但計算成本較高，建模難度大，模擬時間長，對計算機要求較高。Paulo B等[12]通過砌體結構模擬研究得出宏觀建模的方法對于沿長度方向應力分布均勻的砌體結構十分適用，雖然其精度略低，但通過建立準確的協同應變關系，仍能較好的反應砌體結構整體性能，為砌體加固模擬方法研究提供了參考。

Gokarna Bahadur Motra[13]等對地震作用后的尼泊爾帕坦四層教學樓加固改造進行數值模擬研究，提出了基于混凝土圍套和抗剪鍵不同的加固方法，采用簡化非線性模型模擬砌體結構、混凝土結構各向異性，并設定非線性連接模擬材料間的變形關系。結果表明，混凝土圍套較抗剪鍵加固效果更為明顯，且兩者均使原結構得到了較好的加強。

周茗如等[14]在混凝土板墻加固砌體結構模擬研究中指出材料本構、模型及參數確立、計算算法、收斂準則等關鍵技術尚未得出一般規律，需要進一步完善。為解決該問題，其采用同濟大學應力應變本構方程、《混凝土結構設計規范》混凝土應力應變關系分別定義砌塊墻、混凝土材料特性，以準確描述其非線性特性，分別采用shell63單元進行磚墻模擬，采用SOLID65單元進行板墻及構造柱模擬，并采用隨動硬化模型模擬單元屬性，所得模擬結果與試驗結果誤差接近10%,模擬準確度較好。

閤東東[15]采用ABAQUS軟件對混凝土板墻加固足尺試驗模型進行了數值模擬，將砂漿、砌體作為整體材料建模，并采用厚殼單元進行砌體與混凝土板墻單元建模，在此基礎上，進一步結合SAP2000計算結構質量并導入ABAQUS模型進行地震動荷載模擬。結果表明外附剪力墻片承擔了大部分剪力，減小了結構位移，提高了結構抗震能力。

上述研究表明雖然預制混凝土板墻加固砌體結構各材料性能復雜，但可通過相關試驗及文獻獲取混凝土、砌體非線性材料本構，通過整體建模的方式實現砌體、銷鍵、預制板墻、后澆帶、鋼筋的數值模擬，各材料單元可根據材料厚度、約束特性及其他因素選用實體或殼單元，并通過建立材料單元間的非線性關系，以實現準確的預制混凝土板墻加固數值模擬。

4 結 論

預制裝配式混凝土板墻加固方法作為裝配式理念與砌體加固改造結合的新方法，符合綠色施工理念，可縮減施工工期，減少現場濕作業，降低環境污染，具有較好的應用前景。目前，國內外學者在該領域已展開深入研究，并取得一定成果，主要結論如下：

a.“后澆帶”可以使預制板墻、砌體結構實現更好地連接，其傳力效果優于“灌漿”、“銷鍵”連接。

b.將砌塊、砂漿作為整體進行建模，分別對砌體、混凝土、后澆帶、銷鍵、鋼筋分別定義非線性材料、單元及接觸特性，可以較好地實現磚墻加固數值模擬與分析。

c.預制裝配式混凝土板墻加固方法可以較好地提高原砌體結構承載能力與抗震性能，地震作用下預制板墻與砌體結構連接可靠，可承擔大部分荷載，并大幅提高原結構抗剪、抗彎性能，增強結構延性，使結構發生延性破壞。