高延性混凝土材料在某農(nóng)用住宅建筑抗震加固設(shè)計中的應(yīng)用

呂靜靜 趙藝園

磚木結(jié)構(gòu)作為我國農(nóng)村地區(qū)常見的房屋結(jié)構(gòu)形式，多數(shù)房屋為村民自建，施工往往未遵循規(guī)范，缺乏必要的抗震構(gòu)造措施，導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)的整體性不強，抗震能力明顯不足。該研究通過調(diào)查某一鄉(xiāng)村住宅，發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)存的住宅多為磚混結(jié)構(gòu)，住宅房屋主要由磚墻、木架組成。外墻面為直線式砌體，缺少重要的抗震構(gòu)件如鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱，從而影響了房屋的整體穩(wěn)固性[1]。

1 工程概況及抗震性能分析

本工程涉及某農(nóng)村地區(qū)的一層砌體結(jié)構(gòu)住宅，采用磚墻與木屋架組合作為建筑材料，面積為58 m2，開間高11.6 m，寬5 m，墻厚240 mm。經(jīng)調(diào)查當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為7 度，故要求建筑物必須具備一定的抗震能力[2]。參考《建筑抗震韌性評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38591—2020）進行抗震鑒定，得出以下結(jié)論：第1，從上部結(jié)構(gòu)來看，該住宅沒有顯著的差異沉降和傾斜，表明其地基基礎(chǔ)狀況良好，能夠有效支撐整個建筑體。第2，墻體布置在縱橫墻的交接處采取咬茬方式，使得墻體之間的連接更為牢固，能夠有效抵抗地震產(chǎn)生的水平力。第3，在墻體砌筑質(zhì)量方面，并未發(fā)現(xiàn)存在堿蝕、歪閃等嚴(yán)重的損壞現(xiàn)象。但墻體存在輕微開裂，裂縫寬度在0～1 mm之間，未對整體結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響，需引起注意。第4，該住宅在抗震構(gòu)造措施上存在不足。缺少圈梁和構(gòu)造柱等必要的抗震構(gòu)件，這在一定程度上影響了其整體的抗震性能。此外，屋蓋采用木結(jié)構(gòu)支撐，在面對強烈地震時，其穩(wěn)定性可能會受到挑戰(zhàn)。

2 高延性混凝土加固方案

2.1 加固改造方案

本次加固方案針對農(nóng)用住宅建筑存在的墻體裂縫，且缺乏圈梁和構(gòu)造柱等，擬通過使用高延性混凝土和增設(shè)帶狀構(gòu)造筋的方法，增強墻體承載力，提高房屋結(jié)構(gòu)整體性，從而解決農(nóng)用住宅結(jié)構(gòu)抗震性能較差的問題。高韌性混凝土條對鋼筋的要求如表1所示。具體加固改造方案如下：第1，增設(shè)高延性混凝土豎向條帶。在房屋四角及縱墻交叉處，增加高韌性混凝土豎條，此豎向條帶具有良好的承載性能，可發(fā)揮建筑柱的功能，明顯提高了墻體的整體穩(wěn)定性。豎向條帶厚度設(shè)定為15 mm，以確保其足夠的強度和韌性[3]。第2，設(shè)置高延性混凝土水平條帶。在墻體的頂部，將增設(shè)高延性混凝土水平條帶。此水平條帶將起到類似圈梁的作用，能夠有效地抵抗水平地震力，防止墻體在地震時產(chǎn)生位移或傾斜。水平條帶厚度設(shè)定為15 mm，以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性。第3，墻面嵌縫處理。針對墻體輕微開裂問題，將采用嵌縫處理技術(shù)。嵌縫深度控制在10 ～15 mm，以確保嵌縫材料能充分填充裂縫，防止裂縫進一步擴大。通過嵌縫處理，在修復(fù)現(xiàn)有裂縫的同時還可防止新裂縫產(chǎn)生，以此提高墻體的整體性和耐久性。

表1 條帶加固要求

2.2 施工過程

放線與基層處理。施工開始前，根據(jù)加固改造方案，采用高精度測量儀器進行放線工作。在墻面上，用墨線標(biāo)出高延性混凝土條帶的具體位置和寬度。外墻拐角處的高延性混凝土豎向條帶寬度設(shè)定為200 mm，外墻中部的豎向條帶寬度設(shè)定為150 mm，樓（屋）蓋處或墻頂?shù)呢Q向條帶寬度設(shè)為100 mm。基層處理方面，使用鏟刀將原墻面抹灰層徹底鏟除，灰縫深度清理至少達到10 mm，清理完畢后，使用噴壺均勻潤濕墻面，確保潤濕深度達到5 mm 以上，以增強新抹高延性混凝土與基層的粘結(jié)力。

高延性混凝土的配制。高延性混凝土的配制按照設(shè)計配合比進行，其中水泥、砂、骨料和添加劑的比例均精確至小數(shù)點后一位，水泥與砂的比例為1 : 2.5，骨料占比30%，添加劑用量為水泥重量的3%。高延性混凝土使用攪拌機進行攪拌，攪拌時間不少于5 min，保證混凝土的均勻性和穩(wěn)定性。配制完成的高延性混凝土應(yīng)及時使用，其初凝時間控制在2 h 內(nèi)，確保其失去流動性之前完成模壓工作[4]。

高延性混凝土的模壓。抹壓過程中，采用專用抹面工具，確保高延性混凝土能夠均勻、密實地涂抹在墻面上，避免出現(xiàn)裂縫、空鼓和脫層等問題。模壓厚度根據(jù)設(shè)計要求進行控制，一般條帶厚度為15 mm，誤差范圍不超過±1 mm。每完成一段抹壓后，使用直尺進行檢查，確保表面平整度和垂直度符合要求。對于墻角和墻頂?shù)汝P(guān)鍵部位，采用特殊工藝進行處理，增加抹壓次數(shù)或使用專用模板，確保加固效果達到最佳。

養(yǎng)護。養(yǎng)護階段直接關(guān)系到高延性混凝土的性能和加固效果。在養(yǎng)護過程中，每天定時噴水至少3 次，每次噴水持續(xù)時間為5 min，確保墻面保持濕潤。噴水養(yǎng)護須大于7 d，具體時間根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和混凝土強度發(fā)展情況而定。在夏季高溫時段，增加噴水次數(shù)和持續(xù)時間，防止墻面過快干燥開裂；在冬季低溫時段，需采取保溫措施，如使用保溫材料覆蓋墻面，以防止混凝土受凍影響強度發(fā)展[5]。

2.3 模型分析抗震性能

2.3.1 模型設(shè)計

實際住宅面積為58 m2，開間高11.6 m，寬5 m，墻厚240 mm，實驗中，以1 : 2 的比例制造樣房，并且對其尺寸進行相應(yīng)微調(diào)。模型砌筑選用強度等級為MU15 的燒結(jié)普通磚，經(jīng)過精確切割，磚塊的規(guī)格為120.0 mm×57.5 mm×53.0 mm，為保證其質(zhì)地與樣本房屋一致，磚塊均采自當(dāng)?shù)攸S土。在構(gòu)建磚墻時，嚴(yán)格控制墻體厚度120 mm，確保墻體的堅固和穩(wěn)定。

2.3.2 模型相似關(guān)系

根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)相似準(zhǔn)則，選取了模型墻體彈性模量、長度和加速度作為參考標(biāo)準(zhǔn)。建立尺度模型過程中，因采用的是同一種材質(zhì)，故材料模數(shù)近似系數(shù)仍保持為1。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模型的幾何特點，將其長度相似系數(shù)設(shè)為1/2，而加速度相似系數(shù)為1。

在實際測量中，未加固模型的自重為2.67 t，而加固之后的模型自重為2.83 t。為保證縮尺模型的受力情況和原始模型相符，本文提出一種基于人工質(zhì)量模型的方法。在此基礎(chǔ)上，將每一塊5 kg 重的鐵塊均勻置于模型屋頂上，并將其與模型本身的重量進行比較。原模型總重量2.67 t，而強化后模型2.83 t，模型的上部分重量是11.0 t；基礎(chǔ)部分2.43 t，模型總重量為13.43 t。

2.3.3 測點布置

為全面測試實際地震激勵對模型的影響，以及模型在地震作用下的加速度和位移反應(yīng)，在振動臺面和模型墻體的不同高度位置精心布置了34 個加速度、22 個位移傳感器。傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉并傳遞地震激勵的數(shù)據(jù)，為試驗提供寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

為監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，4 個特殊位移傳感器安裝在檐口高的建筑四角。傳感器以同一方向布置在對角線上，能精確反映模型在地震作用下的扭轉(zhuǎn)情況。通過合理布置這些傳感器，可更全面地了解模型的動力響應(yīng)特性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)性能評估提供有力支持。

2.3.4 試驗方案

按照《建筑抗震韌性評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38591—2020）的規(guī)定，試驗選用2條天然波（El-Centro波、汶川波）和1 條人工波進行試驗，地振數(shù)據(jù)來自PEER 地面運動數(shù)據(jù)庫。試驗中，地震波按照x、y方向依次輸入，順序為El Centro 波、汶川波和人工波。在輸入峰值加速度為0.2g（g=9.8 m/s2）的條件下，對這3 條地震波進行了5%阻尼的反應(yīng)譜分析，將所得加速度反應(yīng)譜曲線與設(shè)計反應(yīng)譜進行了對比。結(jié)果顯示，3 條波在結(jié)構(gòu)對應(yīng)周期內(nèi)的反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上保持一致。

試驗加載工況按設(shè)防等級逐級進行，從6 ～9 度，對應(yīng)峰值加速度分別為0.05g至0.62g（g=9.8 m/s2）。在每個設(shè)防等級的地振烈度數(shù)據(jù)輸入前后，試驗都對模型進行了雙向白噪聲掃頻，以了解結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等動力特性的變化。為防止未加固模型在試驗中突然倒塌，在其外側(cè)安裝了鋼筋網(wǎng)防護罩，并使用吊車和吊裝帶對屋蓋體系進行保護，避免屋蓋塌落對振動臺面造成損害。在7 度設(shè)防工況完成后，選擇El-Centro 波形進行后續(xù)輸入。當(dāng)未加固模型在y方向8度設(shè)防El Centro波加載時瀕臨倒塌，及時拆除了模型上的傳感器，以防止模型倒塌損壞試驗設(shè)備。

2.3.5 破壞過程

未加固模型M1 的破壞過程具體為：第1，在設(shè)防烈度為6 度的地震作用下，M1 模型的地震反應(yīng)不顯著，但有黃土屑脫落。在7 級地震作用下，山形墻前檐在地震作用下會發(fā)生外閃，在墻與墻的連接部位會沿著磚縫出現(xiàn)微小斜縫，同時在窗下墻和墻角處和窗間墻的上方也有斜縫，而在山墻的檐口處也有垂直的裂縫。第2，在地震作用下，輸入x方向設(shè)8 級地震，后縱墻亦發(fā)生外閃，人字形墻底面產(chǎn)生水平裂紋，墻角處的斜縫逐步擴大。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣鸩? 度時，縱墻窗洞口的4 個角都產(chǎn)生了斜剪切裂紋，且窗下墻與墻之間連接處裂縫較大，最大裂縫寬度可達4.5 mm。為避免縱壁坍塌破壞設(shè)備，將第1 個模型上的傳感器移除，后繼續(xù)進行加載。第3，在荷載作用至x向8.5 度布置的 El-Centro 地震作用下，后縱墻檐下出現(xiàn)了更多外閃，且沿檐口向外開裂，形成新的斜縫，墻角處斜縫更大，最大縫寬度可達5.6 mm，山墻東側(cè)的垂直裂縫已全部貫穿。在y向8.5 度布置的El-Centro 波的激勵下，縱墻開裂呈“八”字形、“八”字形向斜延伸，局部與山形墻的垂直裂隙相通，檐口磚面有松動現(xiàn)象。第4，在x向9 度設(shè)防El-Centro 波的激勵下，后縱墻檐口中心面外位移明顯，山墻產(chǎn)生橫向開裂，角隅部分磚發(fā)生脫落。當(dāng)布置9 度地震波的時候，山形墻的斜縫寬度將會進一步增加，最大可達18 mm，且兩邊的磚出現(xiàn)錯位，其開合位移高達15 mm；一些磚沿著裂隙發(fā)生錯動，出現(xiàn)了局部垮塌。第5，在荷載作用至x向9 度罕遇El-Centro 地震作用下，山形墻交叉裂隙兩側(cè)的磚石產(chǎn)生強烈的錯動，山墻上磚沿著裂隙滑移，整個模型坍塌。

HDC 條帶加固模型M2 的破壞過程。在地震設(shè)防烈度分別為6～8度時，M2 型鋼筋混凝土梁截面仍保持完整。在布置為7 度的El-Centro 波的情況下，未加筋條的窗底壁產(chǎn)生一條斜向細(xì)縫。在x向7 度設(shè)防的人造波浪作用下，山墻未加筋的部位，沿灰縫產(chǎn)生較小的豎向裂紋。

在8 度設(shè)防El-Centro 波作用下，模型中已存在的裂紋略有擴展。在y向8.5 度設(shè)防El-Centro 波的影響下，A 軸和B 軸上的高密度鋼筋混凝土表面和南墻頂部的高密度鋼筋混凝土表面產(chǎn)生較小的水平裂縫。在設(shè)防烈度為9 度的El-Centro 地震中，模型中已存在的裂紋發(fā)生擴展和加寬。當(dāng)荷載達到9 度罕遇El-Centro 波時，觀測到了由北向南的明顯扭曲響應(yīng)；在窗洞的角落處，裂紋不斷擴大，最大裂縫寬度達到5.5 mm；窗口下部墻體內(nèi)原有的斜縫寬度增加，墻體兩邊的磚出現(xiàn)局部位移。

2.4 加固后綜合抗震承載力驗算

對于磚砌體結(jié)構(gòu)，經(jīng)高強度砼加固后，其墻體的整體抗震性能指標(biāo)βs，可按式（1）計算：

式中：η為加強系數(shù)；ψ1、ψ2為影響系數(shù)；β0為原有的抗震能力指數(shù)，按照（《建筑抗震韌性評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 38591—2020）的相關(guān)規(guī)范進行計算。

荷載取值方面，對不同區(qū)域?qū)嶋H使用狀況進行細(xì)致考慮。樓面活荷載設(shè)定為2.0 kN/m2；衛(wèi)生間、陽臺、廚房等特定區(qū)域，由于使用功能的特殊性，活荷載適當(dāng)提高至2.5 kN/m2。而樓梯間作為人流較為密集的區(qū)域，活荷載取值更是高達3.5 kN/m2。針對不上人屋面，考慮其使用特點，活荷載取值則相對較低，設(shè)定為0.5 kN/m2。加固前后綜合抗震承載力計算結(jié)果如表2 所示。加固前房屋橫向、縱向綜合抗震承載力均＜1，抗震強度達不到要求。經(jīng)計算驗證，經(jīng)高韌性混凝土表層加固后，其綜合抗震能力均＞1，完全達到規(guī)范所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 加固前后綜合抗震承載力

2.5 施工驗收

施工驗收是工程項目建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，旨在確保施工項目的質(zhì)量和安全性能符合設(shè)計要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為摸清收尾工程項目，通過竣工前的預(yù)檢，進行一次徹底的清查，按設(shè)計圖紙和合同要求，逐一對照，找出遺漏項目和修補工作，編制作業(yè)計劃，相互穿插施工。在工程施工完成后，嚴(yán)格按照《高延性混凝土加固技術(shù)規(guī)程》（DB37/T 5191-2021）進行驗收，確保每一項施工細(xì)節(jié)都符合技術(shù)規(guī)程的要求，具體為：第1，采用高韌性混凝土對村鎮(zhèn)房屋進行加固，使其整體性和整體抗震性能明顯提高。這種材料具有出色的延展性和韌性，能有效吸收地震能量，減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷，確保居民的生命安全，并可顯著延長房屋的使用壽命。第2，高延性混凝土施工工藝簡單明了，操作方便，且加固周期短。在施工過程中，采用高效的施工方法和專業(yè)的施工團隊，整個加固過程可在2 ～4 d 內(nèi)完成，對農(nóng)戶的正常生活影響極小，該方法易于在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。第3，由于高韌性混凝土面層的厚度一般為15 ～20 mm，因此在對建筑幕墻進行加固后，其立面效果沒有受到太大影響。在后期的裝飾施工中，可以通過刷砂漿、刷漆等方法進一步提升建筑的總體美感。

3 結(jié)語

高延性混凝土材料在農(nóng)用住宅建筑抗震加固設(shè)計中的應(yīng)用取得了顯著成效，通過合理的加固設(shè)計和施工，能提高農(nóng)用住宅的抗震性能，延長建筑的使用壽命。且高延性混凝土材料加固施工工期短，對住戶影響小，在農(nóng)村住宅抗震加固設(shè)計中具有重要應(yīng)用價值。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的深入推廣，高延性混凝土材料將在農(nóng)村建筑抗震加固領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為農(nóng)村地區(qū)的居民提供更加安全、舒適的居住環(huán)境。