预应力加固在砌体结构中的应用研究及展望

徐秀凤，杜秀丽，王璐，孟艳春，孙伟

（青岛黄海学院，山东 青岛266427）

1 引言

我国地处地中海—喜马拉雅和环太平洋2 大地震带的交接处，自古以来就是地震多发国家，自20 世纪以来，地震造成我国近59 万人死亡和数百亿元的直接经济损失。因此，抗震防灾已成为保障我国社会和经济可持续发展的重大战略，而实现抗震减灾的关键在于提高土木工程的抗震能力，正如美国著名地震学家J.M.Gra 所言：“杀死人的不是地震，而是建筑物”[1]。

国家出台了一系列相关文件，2015 年新版的地震区划图[2]将我国7 度区面积从49%增至58%，县级以上城市中设防水平得到提升的约占12.5%；2016 年，住房城乡建设部印发《城乡建设抗震防灾“十三五”规划》中要求“提升既有住房抗震能力。通过棚户区改造、抗震加固等，加快对抗震能力严重不足住房的拆除和改造。研究探索强制性与引导性相结合的房屋抗震鉴定和加固制度。继续实施农村危房改造工程，统筹推进农房抗震加固改造[3]。”全国政协委员李小军在2019 年全国两会上指出：“农村民居普遍未设防或设防不达标。”因此，对不满足新版抗震规范要求的既有结构加固研究已成为抗震防灾减灾的重点工作。汶川大地震后，清华大学、西南交通大学、北京交通大学土木工程结构的专家组赴震区进行调研[4]，对不同结构形式建筑的震害情况进行了统计，如表1 所示。其中，砌体结构震后可以直接使用的比例最小，但加固后可使用的比例最大。因此，对不满足既有抗震设防要求的砌体结构进行加固具有重要的意义。本文首先对GB 50702—2011《砌体结构加固设计规范》[5]中的加固方法进行分析，然后对后张预应力加固方法的研究现状进行总结，最后对未来的发展进行了展望。

2 规范中的砌体结构加固方法

我国GB 50702—2011《砌体结构加固设计规范》对砌体结构的加固方法、适用条件、承载力计算、构造要求等进行了详细的规定，表2 中列出了规范中的7 种加固方法及其适用范围。

表1 不同结构形式建筑震害情况统计 %

表2 规范中的砌体结构加固方法

表2 中的加固方法普遍存在施工周期长、现场湿作业多、影响建筑正常使用以及工程造价高等问题，村镇居民人均收入较低，很难负担此类大规模、长时间、高费用的加固工程。因此，加固时间短、费用低、加固后抗震性能显著提高后张预应力加固技术应运而生。

3 预应力加固研究现状

将预应力加固技术应用到砌体结构中的想法最早由D.Foster 博士[6]提出，并得到了国内外的许多学者响应，美国最先将预应力加固砌体结构列入《砌体结构建筑规范》之中。至今我国的GB 50702—2011《砌体结构加固设计规范》和JGJ 116—2009《建筑抗震加固技术规程》[7]并没有对预应力加固砌体结构进行规定。

我国对预应力加固砌体结构的研究始于唐山大地震后，孙伟民等[8]通过拟静力试验研究了8 片开窗洞及无窗洞的内、外纵向混凝土小型空心砌块砌体墙片在竖向预应力筋加固时的抗震性能，刘航等[9]做了8 片足尺竖向预应力加固砖砌体墙片拟静力试验，宋彧 等[10]对5 片不同预应力值的预应力斜拉筋加固的砖墙进行了拟静力试验，尹新生等[11]对横向预应力筋加固的砌体墙片进行了试验研究，以上试验表明不同方向预应力筋均可延缓墙体的开裂，抑制裂缝的发展，提高砌体结构的抗剪强度和结构开裂荷载，增加结构的延性和耗能能力。为了研究预应力加固对结构整体抗震性能的影响，马乐人等[12]选取了20 世纪80 年代的一典型砌体结构预制楼板教学楼中的1个基本单元，按1∶4 缩尺建造了未做任何加固和采用竖向预应力筋加固的2 个相同的结构模型进行了模拟振动台试验，结果表明，对砌体结构施加竖向整体预应力，可以提高墙体的抗剪、抗弯强度，改善墙体的延性和耗能能力，增强结构的整体性，且很少增加结构自重，是一种较为理想的抗震加固方法。陈红媛等[13]对一宽1.5m、长2m 的2 层带圈梁、构造柱的砌体房屋进行纵、横向及竖向预应力筋加固，并对加固模型和未加固模型进行双向拟动力试验，结果表明，预应力筋产生的约束力对限制裂缝开展、防止圈梁与预制楼板的脱空效果明显，加固后的总耗能大于未加固体系，损伤小于未加固体系。徐秀凤[14]对一9.9m×9.6m，高6.6m 的2 层足尺砌体结构进行竖向预应力加固，并对其进行拟静力试验，结果表明，预应力加固砌体结构的峰值承载力是未加固结构的2 倍左右。邵海强[15]采用纵向和窗间墙处横向预应力筋对一1∶4 缩比的2 层砌体结构进行加固，通过振动台试验证明，双向加固比单向加固的结构抗震性能更好，且双向加固在破坏性很强的地震反复作用下，仍保持一定的承载能力，不会倒塌。

已有的研究虽已证明后张预应力加固后砌体结构的抗震性能会显著地提高，但是，未能对加固性能进行量化，未能建立加固目标与加固设计的对应关系，即未能做到基于性能的加固，不能良好地对实际建筑的加固设计进行指导。已有的后张预应力砌体结构加固大都以试验来验证其加固后的抗震性能，并未提出有效的数值模拟方法。

4 总结与展望

本文首先对我国规范中规定的砌体结构的加固方法进行总结，可知传统的加固方法湿作业多、造价高、施工周期长。然后，介绍了一些学者所做的预应力加固砌体结构的研究工作，从研究可知，后张预应力加固技术可显著提高砌体结构的抗震性能，但已有的研究大都不符合“基于性态的抗震设计”理念，即未建立加固目标-加固设计方法-加固效果评估之间的可量化关系，因此，在后续的研究中应将基于性能的加固理念应用到砌体结构的加固中。