碳纤维加固技术在砌体危房加固中的应用

刘士伟

(屏山县建设工程质量安全监督站，四川 宜宾 644000)

0 前 言

农村危房加固工作是实现脱贫攻坚“两不愁、三保障”的重要指标，是如期打赢脱贫攻坚战必须完成的重要任务。鉴于全国农村危房需要加固的工作量大、时间紧迫，如何使用有限的资金实施加固成为目前亟待解决的问题。我国自20世纪50年代修建了大量砖砌结构，自20世纪70年代海城地震和唐山地震后全面开展加固工作[1]，对于砌体结构的加固应用采用新材料、新技术较少，理论和实践研究不深，碳纤维加固技术应用前景广阔,研究碳纤维加固技术对工程实践有重要的意义。有关碳纤维材料加固砌体结构的理论方法仍在不断研究和完善之中，本文通过介绍砌体结构加固公式计算及举例论证碳纤维加固砌体结构的可行性，并对实际工程运用中设计及施工方面的要点进行论述。

1 研究背景

我国地处环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带之间，是地震分布广泛和地震频发的国家，而四川刚好位于龙门山地震带上，地震频发。虽然随着脱贫攻坚工作的不断推进，人口城镇化取得了一定成效，但目前农村人口在城乡比例中仍占大多数，村镇砌体房屋较多。近10年内四川省发生7级以上地震就有以下3起：2008年5月12日在四川汶川县发生8.0级特大地震，2013年4月20日四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，2017年8月8日在四川省阿坝州九寨沟县发生7.0级地震。在这多起地震中，绝大部分村镇房屋受损严重，多处房屋倾覆、倒塌，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，根据我国地震震害调查表明，砌体结构房屋在历次地震中的破坏最严重。

许多不能满足现行安全标准的砖砌体，若直接拆除，不仅是资源的浪费，而且会增加农民的经济负担，在综合考虑多种因素下，只能通过采取措施对这些房屋进行加固处理解决。传统的砌体危房加固方法普遍存在施工工期长、施工场地大、耗费大量人力和物力等缺点，在山区偏远地区可实施推广性有限，如何提高砌体结构的抗震性能，改善砌体的脆性特性，亟待寻找一种全新的适合农村砌体结构危房进行加固的新材料及施工方法进行完善。

2 碳纤维布加固砌体结构的抗剪承载力

现具有代表性的抗剪强度理论主要有以下两种：①剪摩型(根据剪摩强度理论建立，目前砌体规范采用的抗剪计算公式)；②主拉型(根据主拉强度理论建立，目前抗震规范采用的抗剪计算公式)。这两种理论进行对比发现，当压应力与平均纯剪强度之比较小时，使用这两种公式计算出来的抗剪强度悬殊不大；当比值较大时，使用这两种公式计算出来的抗剪强度差距较大。通过碳纤维布加固墙体的抗剪承载力计算公式对比研究，发现文献[2]提出的碳纤维布加固砌体墙抗剪承载力的设计计算公式易于计算，可满足实际工程应用计算的需要。

1)未开裂砖砌体的抗剪承载力，计算公式为[2]：

(1)

式中，P墙为砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值；F为非抗震设计的砌体抗震抗剪强度设计值；H/L为砌体的高宽比；W为对应于重力荷载代表值的砌体截面平均压应力；U为摩擦系数；A为构件水平截面面积。

2)对于墙体已经开裂的部位的抗剪承载力，计算公式为：

P墙=(F+0.4W)A

(2)

3)碳纤维布加固墙体中碳纤维布所承受的极限剪力计算公式为：

tere kümün öɡdör(ööɡedör)tere tuqai ü (那个人昨天就把那件事说了)

P布=nt/h(α1f1bL1sinθ+0.5α2f2L2)

(3)

式中，n为碳纤维布的层数；t为碳纤维布的计算厚度；h为墙体高度；α1、α2为分别为碳纤维布长向、短向抗拉强度的利用系数；f1、f2为分别为块体、砂浆的抗压强度平均值；b为碳纤维布的宽度；L1、L2为分别为墙体的长度、碳纤维布的长度；θ为碳纤维布沿长向和水平面的夹角。

4)碳纤维布加固墙体的抗剪承载力可看做在相同条件下未加固墙体承载力和碳纤维布承担的抗剪承载力之和，即：

P加固=P墙+P布

(4)

式中，P加固为碳纤维布加固墙体后抗剪承载力；P墙为未加固墙体抗剪承载力；P布为碳纤维布所承担的抗剪承载力。

根据《四川省农村住房建设统筹管理联席会议办公室关于开展脱贫攻坚住房建设质量安全隐患排查的通知》(川农房联席办【2017】4号)文件要求，四川某县对区域内存在质量安全隐患的农村住房进行排查，发现存在隐患的农村住房除极少数为砖木结构外，均为砖混结构，层数为1～2层。本区域内抗震设防烈度为7度(地震动峰值加速度0.1g)，这里以碳纤维布沿墙对角线“X”粘贴方式加固未开裂普通砖砌体墙体(见图1)为例进行计算，计算模型如下：

图1 计算模型

普通砖砌体取值分别为：墙厚0.24 m，高1 m，长4.17 m，砖强度等级为MU15，砂浆为M5。碳纤维布按照目前市场常规碳纤维布取值：宽0.3 m，厚0.1035 mm，粘贴层数为2层。查《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[3]得普通烧结砖砌体的抗剪强度设计值为0.11 MPa；查《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[4]，房屋高宽比不得大于2.5，此处计算高宽比为1/4.17，满足规范要求；α1、α2取值分别为0.35和0.05；对于大多数砌体材料，U的取值范围为0.6～0.7，此处取0.65；按W/F=1计算，则W=F。计算可得普通砖砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值为140 kN；碳纤维布加固墙体中碳纤维布所承受的极限剪力为42.8 kN；碳纤维布加固墙体后抗剪承载力为182.8 kN。

由此可见，使用碳纤维来提高砖砌体结构农村危房抗剪承载力的加固方法是有效的，加固墙体与未加固墙体相比抗剪承载力明显提高，抗震性能明显改善。研究碳纤维布的加固公式可知，用碳纤维布加固墙体时，碳纤维布的宽度越大、层数越多、厚度越大，P布的数值就越大，加固效果越明显，考虑到农村危房加固政策的资金有限(某县：每户危房加固资金平均不得超过1.5万元)，建议无需贴很多层或者粘贴很厚碳纤维材料；危房层数多为1层，墙体高度较低，P布的数值较大，加固成效显著。

3 设计施工

3.1 设计方案

3.1.1 碳纤维布的选择

建议选用目前市面上比较典型规格的碳纤维布，规格如下：碳纤维单位面积质量为200 g/m2、宽度300 mm或者400 mm、力学性能为Ⅱ级或者Ⅲ级。碳纤维布层数为单层或两层。碳纤维复合材安全性鉴定的检验项目及合格指标应满足文献[5]规范要求。

3.1.2 碳纤维布的布置形式。

1)对墙体进行加固时。经试验研究发现，当墙体的高宽比大于0.5时，适宜采用“X”的粘贴方式，当小于0.5时，应选用“∧”粘贴方式(见图2)。

图2 “X”粘贴方式 及“∧”粘贴方式

2)对楼板进行加固时，主要侧重于其支座和跨中的抗弯强度不足而采用碳纤维布进行加固, 或因为楼板的局部开洞而采用补强加固, 见图3[6]。

(a)板支座加固 (b)板跨中加固 (c)板开洞加固

注：1-碳纤维布；2-板。

图3楼板加固

3.1.3 锚固件的布置

加固的墙体中碳纤维起到的主要作用是承受拉力，而其所承受的压力并不明显。粘贴碳纤维布的角部位置由于应力集中，在碳纤维布的交叉位置及端部进行锚固，可保证碳纤维布在与墙体其他部位剥落的情况下也能继续受力工作，更能发挥其抗拉强度高的优势。采用碳纤维销钉穿钢板的方式在碳纤维布的交叉处、碳纤维布与墙上下端处进行锚固较为可靠。

3.2 施工要点

施工工序应严格按照下面流程操作：施工准备→底层处理→配制涂刷底胶→砂浆抹灰找平→配制涂刷结构胶→粘贴碳纤维布→螺栓锚固→抹灰表面防护。

1)施工准备。熟悉施工图纸，了解施工现场和被加固砌体构件状况，在加固范围标注轮廓线。

2)底层处理，涂刷底胶。对于清水墙面，对出现的裂缝部位进行掏缝、聚合物加固砂浆灌缝处理后，对粘碳纤维布的墙体表面使用打磨机打磨平整，除去油污等杂质，露出砖砌体结构新面，按照胶粘剂生产厂家要求配制底胶并涂刷；抹灰墙面应剔除原抹灰层后进行处理。

3)砂浆抹灰找平[7]，涂刷结构胶。对于结构面平整度较差的部位，用聚合物加固砂浆进行找平后，在整个表面抹15 mm厚聚合物加固砂浆，洒水养护时间不小于7天，待表面干燥后再刷底胶。

4)粘贴碳纤维布，抹灰防护。按设计要求裁剪碳纤维布、按厂家要求配制粘结胶后，将涂有粘结胶的碳纤维布用手轻压贴于需粘贴部位(碳纤维布粘贴顺序为先竖向后横向，竖向的先中间后两边，横向先下后上)，从纤维布宽度中间向两侧方向用刮刀赶出气泡后，用橡胶滚筒纤维布长度方向压实，使胶液从两边挤出。碳纤维布的搭接部位应错开交叉处且搭接长度不小于100 mm。需粘贴2层碳纤维布时应连续粘贴，若不能连续粘贴时，应在第一层碳纤维布粘贴12小时并清理后粘贴第二层。待胶固化后可进行抹灰防护工序，避免碳纤维布直接暴露于阳光或有害介质中[8]，养护24小时后在墙体两侧碳纤维布上打孔，采用碳钉穿钢板进行锚固处理将碳钉穿入孔内并灌注环氧树脂胶进行锚固处理(见图4)。

图4 碳钉加固

3.3 注意事项

用于施工的碳纤维布外观应干净整齐，不得出现破损和污染。缺纬、脱纬现象每50 m不得多于2处；每50 m碳纤维布断经长度不超过10 mm不多于1处，断经长度超过10 mm的不多于2处；纤维排列均匀[9]。加固施工后对于有淋雨或者其他干扰的地方应进行遮挡养护。相对湿度不宜大于70%；由于碳纤维是仅次于金属的导电体，施工时应远离电源及电气设备，避免触电危险。

4 结 语

当前是全国脱贫攻坚的关键时期，实现“住上好房子”的指标具有重要意义，对砌体危房简单快捷、科学化的加固解决方案提出了更高的要求，本文结合对实例模型的计算研究，系统地介绍了设计及施工要点，对目前砌体危房的加固实施具有一定指导意义。碳纤维加固技术的发展应通过严谨科学的试验研究，结合国内外先进方法理念，推动碳纤维加固技术的进步。笔者坚信，只要具有发展创新砌体危房加固新技术的坚定理念，相信随着碳纤维加固技术的不断探索完善、设计的不断优化，实现这项新技术的广泛推广应用将指日可待。