基金项目:福建省住房和城乡建设厅科技研究开发项目(2022-K-117、118).
第一作者简介:吴繁超(1986-),副教授,主要从事结构抗震理论与研究.E-mail:wfc@fzfu.edu.cn.
通讯作者简介:何佰昭(1980-),工程硕士,主要从事村镇建设的管理工作.E-mail:18305926789@163.com.
(1.福州外语外贸学院 智能建造学院,福建 福州 350202; 2.福建船政交通职业学院 土木工程学院,福建 福州 350007; 3.福建省住房和城乡建设厅,福建 福州 350025; 4.福建省建筑科学研究院有限责任公司,福建 福州 350100; 5.福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108)
(1.School of Intelligent Construction,Fuzhou University of International Studies and Trade,Fuzhou 350202,Fujian,China)(2.College of Civic Engineering,Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007,Fujian,China)(3.Fujian Provincial Department of Housing and Urban Rural Development,Fuzhou 350025,Fujian,China)(4.Fujian Academy of Building Research Co.Ltd.,Fuzhou 350100,Fujian,China)(5.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,Fujian,China)
stone masonry wall; joint; retrofitting; seismic behaviour; ultra-high performance concrete
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0054
我国石材资源丰富,取材方便,且具有抗压强度高、耐腐蚀、抗风能力强等诸多优点,因而盛产石材的往往优先选择石砌块建造房屋。目前,石砌体建筑在我国东南沿海、云贵高原、青藏高原、东北地区等分布广泛,其中福建省沿海地区石砌体房屋占比较大。石砌体房屋是乡镇、农村居民住宅的主要结构形式,根据有关统计数据(朱远浩,2022),福建省石砌体房屋超过80万栋,其中泉州有50多万栋,漳州和平潭约20万栋,厦门和莆田约10万栋。闽南地区(厦门市、漳州、泉州)石砌体房屋的总面积约2000多万平方米(周云等,2006)。
据中国建筑科学研究院工程抗震研究所数据(葛学礼,陈晶茹,2012),农村地区的震害远高于城市地区,近30年来,我国发生的破坏性地震绝大多数位于农村和乡镇地区,地震中农村人口死亡人数占比超过60%。农村经济发展相对落后,未进行总体建设规划工作,宅基地审批、规划与建设管理工作均存在脱节情况,农村自建房屋未经地质勘探与专业设计,多由房主依据个人财力、传统习惯、匠人经验确定地段就近建房,相当部分房屋立于软弱土层之上,存在诸多薄弱环节,性能堪忧。
2021年颁布的《建设工程抗震管理条例》(中华人民共和国国务院令第744号)中明确指出“各级人民政府和有关部门应当加强对农村建设工程抗震设防的管理,提高农村建设工程抗震性能。”泉州市人民政府出台的《关于进一步推进泉州市城乡石结构房屋改造工作的意见》中提出“注重优化改造方式,降低改造成本,对三层及以下的石结构房屋,大力推行修缮加固改造,使其满足当地抗震设防要求。”
本文通过分析福建省既有石砌体房屋的构造组成特点及抗震薄弱环节,阐述了石砌体房屋整毛石墙体抗震加固研究与应用情况,总结了目前整毛石墙体研究存在的不足,为整毛石墙体抗震加固的进一步研究提供参考,最后提出采用材性相匹配的超高性能混凝土(UHPC)进行整毛石墙体加固的研究展望。
闽南地区石砌体房屋的墙体、楼板、柱等构件的部分乃至全部由当地花岗岩砌筑搭接而成,其建筑面积较小,层数2~3层,平面布局较简单,以三、四开间为主,俗称“三关张”“四关张”(图1)。
石砌体房屋具有经久耐用、抗风耐蚀等优点,是沿海地区常采用的建筑形式之一。根据结构形式的不同可以将石砌体建筑主要分为两类:①房屋的墙体、楼板、外廊立柱等构件(图2a)全部采用料石,称为纯石结构(图2b)。该结构未合理设置构造柱、圈梁等抗震构造措施,且屋顶附属结构抗震性能不足。《福建省石砌体结构加固技术规程》(DBJ/T 13264—2017)中规定“严禁采用石板、石梁及独立料石柱作为承重结构”,因为地震时易造成石砌体房屋局部先行破坏,结构存在极大的安全隐患,急需进行结构的抗震加固。②随着村民收入水平提升,在原纯石结构上加砌1~3层的砖混结构,称为石砌体加盖砖砌体混合结构(图2c)。由于石与砖两种材料的变形模式不同,石墙与砖墙的厚度不同,两者的砌筑方式不同,易造成下部石墙与上部砖混交接处抗侧力刚度突变。该结构不仅会引起基础受力增加,而且造成多层石砌体房屋总高度超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)限值。刘阳等(2007)对闽南地区农村民宅进行安全性普查结果显示,石砌体加盖砖砌体混合结构在石砌体建筑中占比超过50%,此类房屋的抗震加固需求大幅增加。
(1)墙体砌筑方式不当
福建省既有石砌体房屋墙体砌筑方式存在较大的地域性差异,主要有3种类型:无垫片铺浆砌筑、有垫片铺浆砌筑和有垫片干砌甩浆砌筑(图3)。
细料石是指外露面及相接周边的表面凹入深度小于等于2 mm,上、下叠砌面及左右接砌面表面凹入深度小于等于10 mm的料石,细料石清水墙多数采用无垫片铺浆砌筑(图3a)。福建平潭石砌体房屋墙体大多采用短整毛石(即长度为高度2~3倍的粗料石,俗称“方整石”)有垫片铺浆砌筑(图3b),该地区石墙厚度多数为180 mm。部分双轨墙厚度约400 mm,清水外墙表面料石相对比较规整,混水内墙表面采用乱毛石填充(图3c)。福建闽南地区石砌体房屋墙体大多采用单皮整毛石有垫片干砌甩浆砌筑(图3d)。整毛石指借助专业工具粗加工的长条石,俗称“条石”,其截面高度与宽度尺寸通过均为210 mm,其长度为高度的2~5倍,常为3倍以上,表面凹面与凸面高差为10~30 mm。
不同砌筑方式影响着石砌体房屋的抗震性能,郭子雄等(2009)试验研究表明,有垫片干砌甩浆砌筑的石砌体抗震性能最差。
(2)墙体厚度不足
单皮整毛石墙体砌筑平均厚度为210 mm,表面粗糙度约±15 mm,其中闽南地区石墙厚度为210 mm,平潭地区大部分石墙厚度为180 mm,均不满足《福建省石砌体结构加固技术规程》(DBJT 13-264—2017)规定的“砌筑料石的宽度不宜小于240 mm”。
(3)墙体构造措施不利
福建省石砌体房屋整毛石墙大部分未设置抗震构造措施,如构造柱、圈梁缺失,门窗洞口无过梁,纵横墙接槎不牢,墙体无拉结钢筋,结构整体性差。石墙作为层间抗侧力构件,是决定石砌体房屋抗震性能的主要因素。葛学礼等(2001)的研究表明,石砌体房屋的破坏主要发生在纵横墙交接、外墙转角、楼梯间及山墙等处。
石墙是石砌体房屋主要的承重构件与抗侧力构件,在地震动、基础不均匀沉降以及风荷载等作用下,石砌块与砂浆的黏结处最易发生剪切破坏,灰缝是整毛石墙体最薄弱的环节。
砂浆在凝结硬化过程中产生干缩效应,进一步加大灰缝空腔面积,砂浆的饱满度严重不足(图4a)。同时,因刚度较大的主石垫片支承,灰缝宽度无法适应砂浆的收缩变形,其表面存在黏脱现象,进一步影响石砌块与砂浆的黏结作用。
墙体表面勾缝砂浆与石材的黏结能力相对较弱,不能较好地协同受力,造成灰缝开裂(图4b),随时间推移,砂浆严重风化,强度大幅下降。葛学礼等(2001)和柴振岭(2019)研究表明,不同于其它砌体结构,地震作用下石砌体房屋砌块间起黏结作用的灰缝易发生剪切滑移破坏,而石砌块基本未破坏,所以提高灰缝的抗剪能力对改善石砌体房屋的抗震性能起到关键性作用。
为了尽可能地降低石砌体房屋震害,华侨大学、中国地震局工程力学研究所、东南大学等单位开展了一系列研究,其中,华侨大学石砌体结构科研团队经过十余年研究,取得了丰硕的成果。以下将从石墙灰缝抗剪强度和石砌体墙抗震性能
等方面进行评述。
影响石墙水平灰缝抗剪强度的主要因素有砌筑方式、砂浆强度、竖向压应力水平等。
(1)砌筑方式的影响
闽南地区石砌体房屋墙体主要材料为整毛石,采用有垫片干砌甩浆法砌筑方式(图5):首先,整毛石四角安放石主垫片,利用主垫片对上皮整毛石进行安装调平; 然后,两皮整毛石的缝隙中甩入黏土混合砂浆; 最后,灰缝内塞入石辅垫片。
根据实地调研与已有研究(朱远浩等,2022)发现,有垫片干砌甩浆砌筑整毛石下的石垫片尺寸不一且摆放随意,墙体压应力无法均衡分布; 整毛石墙体砂浆饱满度差,表面的勾缝砂浆与石砌块黏结力薄弱,整体性差,造成该结构抗震性能极差。刘木忠(1992)通过料石砌体抗剪性能试验研究发现,墙体灰缝的抗剪强度根据不同砌筑方式由高到底依次为无垫片铺浆砌筑、有垫片铺浆砌筑、有垫片干砌甩浆砌筑。
(2)砂浆抗压强度与竖向压应力水平
灰缝的抗剪强度主要取决于砂浆与石砌块的黏结强度,提高灰缝的砂浆强度可以有效提高灰缝抗剪强度。柴振龄等(2010,2011)、王兰(2019)通过石墙通缝双剪试验和石墙灰缝水平低周反复荷载抗震性能试验得知,提高竖向压应力与砂浆强度可以有效提高灰缝的抗剪强度。其中砂浆强度的影响更为显著,砂浆强度对抗剪强度的影响随竖向压应力的增加而有所降低,在小压应力的情况下,砂浆强度决定着灰缝的抗剪能力,灰缝砂浆砌筑饱满度越高其抗剪性能越好。郭子雄等(2012)开展机器切割粗料石无垫片砌筑石墙灰缝低周反复试验发现,灰缝抗剪性能的影响程度依次为界面处理方式、竖向压应力水平和砂浆强度,并提出机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪强度计算公式。
(3)石墙灰缝抗剪强度计算公式
石墙灰缝抗剪性能与砌筑方式、砂浆强度、竖向压应力水平等参数相关,基于莫尔库伦理论,石墙灰缝抗剪强度计算公式为:
式中:τ表示石墙灰缝抗剪强度; ζ1、ζ2表示石墙类型及砌筑方式等相关系数,通常由试验数据回归得到,见表1; fm表示砌筑砂浆的抗压强度平均值; σn表示竖向压应力水平。
黄群贤等(2010)对25片粗料石干砌甩浆墙体进行了通缝双剪试验,定量分析了砂浆强度、竖向压应力水平对灰缝抗剪强度的影响,基于可靠度分析,提出满足现行规范要求的灰缝抗剪强度计算公式为:
式中:τ表示石墙灰缝抗剪强度; ζ1、ζ2表示石墙类型及砌筑方式等相关系数,通常由试验数据回归得到; ρ表示活载效应与恒载效应的比值; fm表示砌筑砂浆的抗压强度平均值; σn表示竖向压应力; Av表示灰缝面积。当ρ≥0.357时,ζ1=0.054,ζ2=0.647; 当ρ<0.357时,ζ1=0.054,ζ2=0.647。
目前石砌体墙抗震性能的研究主要以砌筑方式、砂浆强度、竖向压应力水平、高宽比、抗震构造措施等为研究对象,开展对石墙的受力过程、破坏形态、刚度退化、墙体延性、耗能性能、受剪承载力等方面的研究。
(1)受力过程
石墙的受力过程主要分为3个阶段:近似弹性工作阶段、裂缝发展阶段和摩擦滑移阶段(郭子雄等,2011; 徐明等,2014a,b)。弹性工作阶段,石墙受力相对比较均匀,残余变形较小,荷载位移曲线基本呈线性关系; 裂缝发展阶段,随着水平荷载与位移幅值的增加,墙体裂缝由初始裂缝发展到主裂缝; 摩擦滑移阶段,墙体出现贯通主裂缝后,墙体的水平承载力仅由灰缝摩擦提供,黏结能力基本消失。
(2)破坏形态
石墙的破坏形态主要受竖向压应力的影响,当竖向压应力较小且砂浆强度较低时,沿石墙下部薄弱灰缝发生“一字形”剪切滑移破坏,不带洞口的石墙大多数情况发生“X”形阶梯状剪切滑移破坏(郭子雄等,2011; 徐明等,2014b)。“一字形”剪切滑移破坏形态主要以水平主裂缝最为典型,随着荷载增加,试件沿水平通缝发生整体滑移,通缝中石垫片不断压碎。“X”形阶梯状剪切滑移破坏特征为:随着荷载和位移幅值的增加,试件沿阶梯形主裂缝滑移,裂缝中石垫片压碎。
(3)刚度退化
根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015),可以通过石墙等效割线刚度评定墙体的刚度退化情况。石墙刚度退化曲线呈现先快后慢继而趋于平稳的特点,可分为3个阶段:①试件明显开裂前,随位移的增大刚度快速下降,为速降阶段; ②裂缝发展阶段,刚度较开裂初期下降速度变缓,为次降阶段; ③主裂缝形成后的摩擦滑移阶段,刚度下降趋于平稳,为刚度缓降阶段(郭子雄等,2011; 徐明等,2014a,b; 柴振岭,2019)。郭子雄等(2011)开展干砌甩浆石墙试件的低周水平反复荷载试验时发现,在石墙裂缝发展阶段,随着竖向压应力的提高刚度退化速度减缓,砂浆强度对其影响不明显。
(4)墙体延性
郭子雄等(2011)根据试验得到,竖向压应力和砌筑砂浆强度影响干砌甩浆石墙的延性,低压应力情况下石墙具有较好延性,墙体延性随着竖向压应力的增大而减少,随着砂浆强度的提高而提高。徐明等(2014a,b)通过试验确定延性系数μ=Δμ/Δy(Δμ表示极限位移,Δy表示屈服位移),发现砂浆强度越大、竖向压应力越小,墙体延性越好; 墙体增设配筋砂浆带与构造柱,延性系数将大幅提升,但仅增设配筋砂浆带时,墙体延性却下降,故不宜单独使用。柴振岭(2019)通过试验得到有垫片干砌甩浆石墙具有良好延性; 竖向压应力与砂浆强度均相同的条件下,带窗洞口石墙延性优于带门洞口石墙的延性。
(5)耗能能力
干砌甩浆石墙的耗能系数随着竖向压应力与砂浆强度比值的提高而提高,随着位移幅值的增加而明显提高(郭子雄等,2011)。
石墙耗能能力的变化情况与石墙的破坏形态有关:“一字形”剪切滑移破坏,其极限位移状态的能量耗散系数比最大荷载状态的略有下降; “X”形阶梯状剪切滑移破坏,其极限位移状态的能量耗散系数比最大荷载时略有增加(郭子雄等,2011)。有垫片干砌甩浆石墙的滞回曲线呈现十分饱满的梭形,耗能能力良好(郭子雄等,2011),如图6所示; 有垫片铺浆砌筑石墙的滞回曲线存在捏缩效应,砂浆强度愈大、竖向压应力愈小其捏缩效应愈明显(徐明等,2014b); 带洞口石墙的滯回曲线有明显捏缩现象,曲线总体呈现出弓形特征,耗能能力明显下降。
(6)受剪承载力
石墙受剪承载力受多方面因素影响,主要有:①竖向压应力、砂浆强度、灰缝质量、抗震构造措施、砌筑方式、门窗洞口的设置等。提高竖向压应力水平和砂浆强度,可以有效提高石墙受剪承载力,其中竖向压应力水平的影响更为显著(郭子雄等,2011); ②结构增设构造柱可有效提高墙体的抗剪承载力与延性; ③增设配筋砂浆带对墙体抗剪承载力影响不明显(徐明等,2014b)。④机切无垫片石墙受剪承载力影响明显高于干砌甩浆石墙; ⑤门窗洞口造成石墙的受剪承载力降低(柴振岭,2019)。
胡奕东(2010)基于灰缝的双剪试验和干砌甩浆石墙的低周反复荷载试验,提出干砌甩浆石墙的抗剪承载力计算公式为:
式中:k表示修正系数; τ表示灰缝剪切强度; A表示石墙横截面面积; fm,cu表示砂浆强度; σn表示竖向压应力水平; fm表示砂浆抗压强度平均值。
(7)恢复力模型
柴振岭(2019)和胡奕东(2010)的研究表明,干砌甩浆石墙的恢复力模型采用刚度退化的三折线模型,反映石墙的三阶段破坏过程。
石墙灰缝是墙体抗震的薄弱环节,对灰缝进行嵌缝加固,针对性强且布置相对灵活,不影响建筑使用功能,又可保持建筑立面风格如下:
(1)置换砂浆加固法
采用高强度砂浆置换原石墙灰缝中低强度砂浆,通过提高灰缝砂浆强度与饱满度,进而提高石墙灰缝的抗剪强度。加固时,首先人工掏除原灰缝中的旧砂浆并清理干净,继而嵌入高强度砂浆(优先选用硬性砂浆,可减少其干缩值),直至灰缝密实。该加固方法存在一定的局限性,挤入的砂浆黏结性能不好且饱满度不高,施工时将影响建筑物的装修,施工工期较长。
(2)压力灌浆加固法
有垫片石砌体房屋,灰缝厚度较大,砂浆饱满度较低,可沿灰缝方向,按一定的间距钻孔,利用压力将灌浆材料(水泥砂浆或化学浆料)注入灰缝,填充空腔,提高砂浆饱满度。但该方法实际操作效率较低,开孔和封闭较为困难,灌浆饱满度不易测量,加固成本较高。
施养杭和余建星(2004)提出新型灌浆材料加固法,以石材精加工产生的废料——石粉为集料,制作浆体,用于石墙灰缝的灌浆加固。加固后石墙灰缝的抗剪强度平均值fvm为(施养杭,林建华,2005):
式中:灌浆有垫片石砌体时,k=0.21; 灌浆无垫片石砌体时,k=0.18; f 12,B12表示原砌筑砂浆强度和饱满度; f<sup> 22表示灌浆材料的强度; B2表示灌浆后的饱满度; f2表示灌浆材料与砌筑砂浆结合而成复合砂浆强度。
(3)嵌缝加固法
刘小娟等(2010)提出聚合物砂浆嵌缝加固法,首先凿除石墙表面灰缝形成30 mm深凹槽并清理干净; 再次槽内涂刷水泥净浆; 最后采用聚合物砂浆嵌缝。刘小娟(2011)通过抗剪性能试验发现,聚合物砂浆嵌缝加固能够有效提高灰缝剪切变形能力和抗剪承载力,并提出加固后灰缝的抗剪承载力τ计算公式为:
式中:fm表示砌筑砂浆抗压强度平均值; σn表示竖向压应力水平; fp表示聚合物砂浆抗压强度平均值。
目前石砌体墙的加固技术很大一部分是沿用砖砌体墙的加固技术,主要有如下几种:
(1)复合材料加固法
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP),因具有高强、轻质、耐腐蚀等优点,国外学者提出将其用于石墙抗震加固,但国内鲜有相关报道。根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)和玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)。
Borri等(2014)提出在石墙一侧灰缝嵌入不锈高强钢丝,另一侧表面固定GFRP网片进行复合加固,通过石墙抗剪性能的对角加载试验,发现加固后墙体抗剪强度显著提高。Gattesco等(2015)提出采用GFRP网片砂浆对足尺石墙进行3种不同方式的加固:GFRP网片砂浆单面加固、双面加固、一侧GFRP网片砂浆另一侧钢绞线复合加固,通过试验和有限元分析表明双面加固效果最佳。上述复合材料加固法几乎不增加结构自重,且施工便捷、工期较短,但是造价较高,不适于大量农村民居的加固。
高延性水泥基复合材料(ECC)是一种经系统的微观力学设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的纤维增强水泥基复合材料。Hou等(2021)对石结构采用ECC嵌缝加固技术进行了研究,分析石墙通过ECC嵌缝加固后,灰缝压-剪复合受力作用下的受力性能及石墙的抗震性能,研究表明,ECC灰缝在粘结滑移破坏后,石垫片与灰缝砂浆并未被碾压碎裂,而是直接进入摩擦滑移破坏,强度退化阶段较为缓慢; 提出了石墙灰缝的弹性刚度及剪切强度数学模型公式,建立了石墙灰缝的剪切应力-滑移恢复力模型,对其采用四折线的非线性数学模型公式拟合骨架曲线,拟合结果可以较为精确的对试验结果进行预测。
(2)面层加固法
李梁峰(2018)提出钢筋网水泥砂浆面层加固干砌甩浆整毛石墙体,即:双面钢筋网水泥砂浆加固试件采用穿过灰缝的S形拉结筋拉结; 单面钢筋网水泥砂浆加固试件采用L型筋进行拉结。通过压剪试验得到,墙体加固后其刚度、抗剪承载能力、墙体延性等均有提高,其中抗剪承载能力可提升100%~300%。
刘文定(2018)通过试验研究发现,采用钢筋网水泥砂浆面层加固干砌甩浆石墙,其抗剪承载力可以提高100%~300%; 采用钢筋混凝土面层加固,其抗剪承载能力可以提高300%以上,两者的延性和抗侧移刚度均可得到改善,双面加固效果明显优于单面加固,并提出两种材料加固后石墙的抗剪承载力的计算公式,见表2。表中:V表示加固后石墙的受剪承载力; V表示原石墙受剪承载力; VCS表示钢筋网混凝土面层加固后提升的受剪承载力; VSJ表示钢筋网水泥砂浆面层加固后提升的受剪承载力; h表示墙体水平方向长度; As表示水平向单排钢筋截面面积; s表示水平向钢筋的间距; fy表示水平向钢筋强度值设计。
徐天航等(2016)通过低周水平往复加载试验发现,钢筋网片改性砂浆加固面层能显著提高石墙的受剪承载力和耗能能力,其中双面加固效果更优,其受剪承载力提高幅度是单面加固的3倍以上。改性砂浆强度越高,与石墙的黏结性能越好,加固层剥离破坏过程越平缓,加固后石墙的受剪承载力计算公式为:
式中:V表示加固后石墙的受剪承载力; V表示原石墙受剪承载力; VSJ表示钢筋网片改性砂浆面层加固后提升的受剪承载力; β表示改性砂浆与石墙的协同工作系数,单面加固取0.3,双面加固取0.225; σn表示竖向压应力水平; fc表示改性砂浆抗压强度; As表示加固钢筋横截面面积; s表示水平向钢筋的间距; fy表示钢筋的强度值设计。
面层加固法有效地提高了石墙的抗剪承载力,但是墙体的厚度、刚度、自重也随之增大,但也改变了墙体的既有外观,无法保持石结构独特的立面风格,不适用于历史建筑的加固。
(3)嵌缝加固法
胡奕东等(2009)提出钢筋-聚合物砂浆嵌缝加固法,首先凿除石墙表面灰缝形成30 mm深凹槽,槽内涂刷水泥净浆,采用聚合物砂浆嵌缝; 继而在垂直于灰缝的方向切割槽道; 最后用植筋胶嵌入钢筋剪力键。通过低周反复加载试验,发现钢筋-聚合物砂浆嵌缝加固干砌甩浆石墙,可以有效延迟灰缝裂缝的出现,扩大裂缝分布范围,阻止对角临界裂缝的出现,有效改善石墙的抗震性能。
嵌缝加固法不影响石墙的原始风貌,不增加厚度,基本不增加结构自重,但是嵌入的新材料与原有材料之间的黏结效果需要进一步研究,嵌缝饱满度也不易测量。地震时在水平与竖向振动作用下,石砌块间易产生层间剪切斜裂缝,加固效果有限。
(4)增大截面加固法
吴应雄等(2022)提出采用改进的新型超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)增大截面法和钢筋绑带法相结合,对既有整毛石墙体进行加固,可有效增加整毛石墙体厚度,提高石墙稳定性,显著提高其抗震性能。
(5)丁字销键拉结加固法
黄凯等(2016)提出丁字销键拉结加固干砌条石墙,即在砌体横竖相交砌缝处嵌入丁字销键,并用结构胶将其与整毛石粘结,并将同一水平横缝中所有丁字销键用钢筋焊接成为一个整体,如图7所示。该加固法可有效提高石墙的耗能能力,滞回曲线饱满稳定,水平极限承载力提高了1.4~2.7倍,但是既有石墙体灰缝满布石垫片,丁字销键及拉结钢筋需要嵌入灰缝的方法不具操作性。
纵观既有石砌体房屋墙体灰缝、墙体抗震加固方法,以上所述的加固方法存在一定的局限性,将隔震、减震技术运用于石砌体房屋加固,其成本费用相对高昂,均不适用于大量石砌体房屋加固。科研工作者对既有加固材料进行改进创新,以达到施工安全、快捷、经济的效果,同时尽可能减小对居民生活的影响,新材料、新工艺和新技术的发展也为石砌体民宅的抗震加固提供了新思路。
目前,研究人员针对新发展的UHPC用于结构加固已经进行了一定的研究(陈宝春等,2019; 邵旭东等,2017; 位三栋等,2018)。UHPC具有优异的力学性能、耐久性能和超高的抗压、抗拉强度(陈宝春等,2014; 吴应雄等,2023; Wu et al,2023),但针对其在石砌体墙抗震加固方面的研究相对较少。本文提出以下研究思路和展望:
(1)采用高强度、高耐久性、与石材材性相匹配的UHPC对石砌体墙进行加固,可充分利用UHPC良好的力学性能与超高的耐久性,期许有效提高既有石砌体房屋的抗震性能。
(2)福州大学课题组已将UHPC运用于石墙与灰缝的加固研究,获得了初步的试验数据:UHPC强度等级为C100,拉应变达到1.2%,采用UHPC嵌缝25 mm和点状嵌缝两种加固方式,可有效推迟墙体裂缝的出现,显著提升墙体的抗剪承载力,且造价不高,表明采用UHPC加固石墙的抗震性能切实可行(朱远浩,2022)。下一步将通过大量试验研究与分析,成果指导试点工程,为福建省石砌体房屋的抗震加固提供技术支持。