以UHPC加固历史建筑砌体墙的伪静力试验研究

位三栋 彭 斌 郑七振 龙莉波 马跃强 陈 刚

1. 上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093；2. 上海建工二建集团 上海 200080；3. 上海建筑逆作法工程研究中心 上海 200080

砌体结构在我国已有悠久的发展历史，曾被广泛地用于工业和民用建筑中。虽然我国已着重推动建筑材料改革，推广新型安全的绿色建筑材料，但现存的大量砖混结构建筑是无法忽视的。随着城市化的推进，历史建筑在城市中占据着不可替代的作用，其蕴含的历史人文价值是无可替代的。因此保护历史建筑受到社会的高度关注，而对历史建筑的加固再使用已逐渐成为社会的热点。因此研究出合理、实用、经济的加固方式就显得尤为重要。传统加固方法，如钢筋网砂浆面层加固方法需要锚固钢筋网，不可避免地会对历史建筑造成一定程度的损伤。混凝土板墙加固方法会减少建筑物的使用空间。最近涌现出一些新型加固方法如纤维增强复合材料，但该方法不能很好地提高历史建筑的刚度，故其抗震加固效果不明显。

超高性能混凝土（UHPC）以其“三高”而著称，即耐久性高、工作性高、强度高，被称为21世纪混凝土。在我国可持续发展战略中，随着绿色混凝土工程材料的推进和发展，超高强高性能混凝土在改善环境、提高经济效益、解决工程中的疑难问题等方面引起了社会各界的极大关注。在国外，UHPC已经被用于很多工程，如巴黎JeanBouin体育场，马赛地中海博物馆等。国内对UHPC的应用也已逐渐展开，冯军骁等[1]已研究将UHPC用于预制装配梁节点连接，得到很好的效果。邵旭东等[2]已将UHPC用于连续箱梁桥。而UHPC在砌体加固方面还未得到研究和应用。本文采用上海罗洋新材料科技有限公司提供的UHPC面层加固低强度历史砖砌体墙，探究加固效果。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

试验设计2片砌体墙，一片为未加固对比试件W1，W1试验后单面加固为WU1，另外一片是加固试件W2。墙体长1 740 mm、高1 130 mm、厚240 mm（图1），底顶梁均采用C30混凝土浇筑，在顶、底梁上均预留宽240 mm的键，以防止连接处滑移，因客观条件限制，砖墙与顶梁的交接处用早强灌浆料连接。墙体由2人按分层流水作业法砌筑，砌筑方式为一顺一丁，灰缝厚度为10 mm。为模拟历史建筑的现状，砌墙用的砖采用有100 a历史的建筑拆下的砖，并采用配制的低强度砂浆。由万能试验机与测砖回弹仪实测，砖的强度为5.6 MPa。试配砂浆是石灰砂浆，强度为0.6 MPa，墙体完成砌筑与养护后采用砂浆贯入仪实测砂浆强度为0.4 MPa。

图1 试件几何尺寸及构造

W1试验后以及W2砌筑完成并养护一周后，用上海罗洋新材料科技有限公司提供的UHPC材料单面加固，加固厚度为40 mm，用支模浇筑的方式施工加固面层（图2），具体试件参数见表1。

图2 现场施工

表1 试件参数

1.2 加载装置及测点布置

砌体墙试验加载时，试件设计轴压比为0.3，用千斤顶在墙顶端分2级加载至78 kN。在墙端采用50 t级MTS电液伺服作动器施加低周反复荷载，采用荷载分级控制的方法，每级增加5 kN，初始值为5 kN，每级荷载下循环1次，直到试件出现较明显的损伤破坏或承载力下降到极限荷载的85%时试验终止。试验中采集应变、位移、荷载三部分数据（图3）。

图3 位移计与应变片位置

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏过程

1）未加固试件W1主要破坏过程为：竖向荷载施加过程中墙体无明显变化。当水平荷载加载至20 kN时（以作动器推为正，拉为负），墙体出现轻微响声，有众多宽0.49 mm的细小裂缝出现，但裂缝无明显贯通。继续加载至±35 kN时裂缝逐渐扩大并基本贯通，在墙上形成“X”形交斜裂缝。当正向加载至41.4 kN时，荷载突然下降，墙体发出很大响声，自左上到右下的贯通斜裂缝达到的最大宽度为2.98 mm，对于反方向，当加载到－43.1 kN时，形成自右上到左下的贯通斜裂缝宽度为3.4 mm。在此时，正反荷载都有明显下降，卸载后终止试验。此条裂缝在左上跨越3皮砖，同时也穿过右下3皮砖；左下穿过2皮砖，右上跨过1皮砖，其余基本分布在砂浆灰缝中。认为未加固墙体W1出现斜压破坏（图4），峰值水平荷载为43.1 kN。

2）加固试件WU1破坏过程为：由于WU1是W1破坏后加固的状态，故在其未加固面已经存在W1的贯通“X”形裂缝以及各细小裂缝。加载到45 kN时加固面与未加固面均无明显变化，继续加载至60 kN时墙体出现明显响声，并在墙体底部与底梁连接处出现水平裂缝，加固面层无任何变化，继续加载至80 kN时，墙体底部裂缝水平贯通，在与顶梁连接处出现细小的水平剪切裂缝。当加载至90 kN时，此时峰值荷载已接近43.1 kN的2倍，此后不再循环反复加载，采用单向加载至破坏。正向加载至102 kN时底层明显脱落掉灰，加固面无明显变化。此后荷载不断波动，裂缝不断出现，当加载到134 kN时，荷载突然下降，墙体上部与底层1皮砖明显滑移错位，加固面跟随墙面与底梁发生错位移动。停止加载，认为墙体出现剪切滑移破坏（图5），UHPC加固后墙体水平峰值荷载是加固前的3倍。

图4 W1破坏形态

图5 WU1破坏形态

3）加固试件W2破坏过程为：W2是新砌筑墙体，养护1周后用UHPC加固。加载到＋50 kN时墙体出现响声，－60 kN时左下方出现轻微响声，并且在底部出现细裂缝。当加载到90 kN时底部裂缝变宽，并水平贯通，未加固墙面与加固墙面均无明显裂缝出现，加载到±100 kN时底部出现响声，并且底部裂缝变宽。此后不再进行循环加载，采用单方向施加推力，荷载增加过程中，墙面不断出现灰粉脱落。加固层始终无明显变化，当加载至167 kN时荷载明显下降，墙体仍是在底层出现剪切滑移，加固面跟随墙体与底梁发生滑移（图6）。

2片墙体在破坏后，为探究UHPC与墙面的连接情况，对2片墙体进行了取芯，WU1未能取到UHPC与墙面连接完好的芯样。可能是因为W1墙面有石灰粉的存在，阻碍了UHPC与墙面的接触。由W2的芯样（图7）可以看出，UHPC与墙面黏结的比较牢固。

图6 W2破坏形态

图7 W2芯样

2.2 滞回曲线

对比W1与WU1〔图8（a）、（b）〕滞回曲线可以看出，当施加荷载高于50 kN时，曲线出现一定强化，由于WU1和W1是同一片墙体，而且WU1是W1破坏后加固的状态，可以认为此后是加固层UHPC发挥了作用。W2的曲线较WU1完整〔图8（c）〕，这是由于WU1是损伤后的墙体再加固，而W2是完整的新墙体加固。

对比3图可以看出，墙体在UHPC加固后的水平承载力明显高于加固前的，强度提高值多于1倍。

图8 墙体滞回曲线

3 结论与展望

1）厚40 mm的UHPC加固后的墙体，其水平承载能力有很大程度的提高，提高幅值可达200%。

2）对已经损伤的墙体可以采用UHPC加固，并且也能得到很好的加固效果。

3）从试件破坏形态来看，UHPC加固后的墙体都是在底层连接处剪切破坏，下一步可考虑将加固延伸到地基处或在节点处采用钢筋加强连接。

4）厚40 mm的UHPC加固层对墙体强度的提高太大，工程应用中也许可以减少用量，因此对不同厚度的UHPC加固有待进一步研究[3-7]。

由于本次试验试件数量有限，样本数据不充分，因此试验结论可能会有一定程度的偶然性。