预制钢筋混凝土墙板加固砌体结构抗震性能研究

李 佳，霍 光

(河北建研科技有限公司，石家庄 050221)

砌体建筑通常由砖砌体、石砌体、砌块建成，作为主要建筑结构形式之一，具有一定的承载能力及抗震性能，相比于混凝土及钢结构，具有自重轻、造价低等特点，广泛应用于我国低层、多层建筑。由于早期的砌体结构房屋大多未考虑抗震影响，使得部分砌体结构房屋需要进行加固处理，以满足正常使用要求。基于此，很多学者对砌体结构加固方法及原理展开了深入研究。

景杰婧[1]对纤维增强复合材料加固砌体技术展开了深入研究，从材料间粘结破坏机理出发，建立了内嵌纤维复合材料粘结、抗弯、抗压、抗剪强度及抗震性能计算方法，为古建类砌加固提供了理论支撑。周彬[2]基于后加混凝土-砌体组合结构1∶2缩尺试验研究结果及破坏现象，分析了组合结构延性、耗能及滞回特性，并提出结构受剪承载力计算方法，研究表明，后加混凝土可大幅提高砌体结构延性及耗能能力，进而改善砌体结构的抗震性能。邓明科[3]对高延性混凝土加固蒸压加气混凝土砌体结构抗震性能进行了试验研究，揭示了此类结构骨架曲线、滞回曲线、刚度、耗能变化规律，进一步建立了高延性加固砌体结构承载能力计算方法，为高延性混凝土加固应用提供了试验及理论依据。

现有研究中砌体加固方法主要有钢筋混凝土面层加固、粘贴复合纤维片材加固、钢筋网水泥砂浆面层加固、钢绞线网-聚合物砂浆面层加固法、增设砌体扶壁柱等加固方法[4]，其中混凝土面层加固方法施工范围广、造价低、加固性能好，可解决大部分由于沉降、承载力不足引起的墙体开裂问题，在加固施工中得到了广泛应用。但是，混凝土面层加固施工现场不可避免的存在大量施工湿作业现象，施工周期较长，对周边环境造成了不利影响。考虑装配式技术应用可较好的改善这一现象，鉴于此，将装配式施工理念与现有加固方法相结合，依据最新装配式技术在砌体结构加固中的应用研究，探讨了预制钢筋混凝土墙板加固砌体结构的试验及数值模拟方法，深入分析了该类结构的试验特性及退化机理，以期为此类结构设计及施工提供一定参考。

1 混凝土面层加固方法概述

既有砖混结构房屋使用年限较长，由于地基发生不均匀沉降，导致墙体发生开裂等问题，对结构使用安全产生不利影响，如图1所示，现行《砖混结构加固与修复》(15G611)[4]、《砌体结构加固设计规范》(GB 50708—2011)[5]对混凝土面层加固法进行了详细描述。混凝土面层加固法是复合截面加固法的一种，通过在墙体侧部增设混凝土面层，以提高其受压、受剪承载力的方法，如图2所示。

施工工艺如下：原有墙体清底→钻孔并用水冲洗→浇水湿润墙面→喷射或浇筑混凝土并养护→墙面装饰。其中喷射或浇筑混凝土并养护环节中混凝土浇筑，支模、拆模养护往往需要14 d以上，且湿作业严重。鉴于此，为改善这一现象，可通过部分预制装配式墙板替换传统湿作业墙板，以实现节约工期，减少污染，实现结构快速拼装加固。

2 预制钢筋混凝土板墙加固方法概述

为改进传统混凝土面层加固方法，吴建锋、王啸霆等[6,7]将装配式理念与传统砌体加固相结合，研究了预制钢筋混凝土板墙加固法，该方法采用后浇带与销键将预制钢筋混凝土板与原砌体结构连接为整体，以提高原墙体承载力特性及抗震性能，预制板墙采用后浇带连接，以保证结构整体性。如图3所示，施工工艺如下：原有墙体清底→钻孔并用水冲洗→浇水湿润墙面→预制墙板安装→后浇带部分浇筑养护→墙面装饰。

该方法优化了混凝土面层加固法中喷射或浇筑混凝土并养护环节，预制板墙工厂生产，减少现场湿作业，缩减工期，同时预制混凝土板墙对原砌体有较好的约束作用，大幅提高了原砌体竖向及水平向承载能力。为进一步量化该加固方法对原结构的影响，部分学者分别进行了试验、理论及数值模拟研究，以期为该类方法实践应用提供依据。

3 试验、理论及数值模拟研究

3.1 试验及理论研究

为深入了解该类组合结构地震作用下的受力与变形特性，部分学者进行了低周往复加载试验及工程实践，深入研究了加固方法、破坏过程及机理。

张永群[8]基于灌浆料粘结与后浇带植筋粘结对比试验，得出后浇带植筋方法粘结强度更高，试验构件发生延性破坏。在此基础上，进一步进行双面粘贴预制混凝土墙片低周往复加载拟静力试验，结果表明该加固方法较好地提高原砌体结构承载能力与结构延性，较大荷载作用下原砌体结构角部破坏，墙板钢筋屈服，发生延性破坏。

谢婧等[9]针对甘家口住宅楼加固工程实例，说明了具体外套钢筋混凝土墙加固方法及施工难点，并为进一步优化预制混凝土墙与砌体结构连接方法，分别采用“灌浆”、“销键”、“灌浆+销键”三种连接方式进行拟静力加载试验。结果表明，采用“灌浆”方法可使砌体结构与预制混凝土板墙间形成较好的连接。

王涛等[10]为研究加固用预制混凝土板墙与砌体墙的连接方法，分别采用“销键”、“灌浆”和“后浇带”实现预制墙板、砌体结构的相互连接。试验及模拟结果表明，未加固砌体脆性较大，易发生脆性破坏，耗能能力较差；采用“销键”、“灌浆”和“后浇带”可以使砌体结构得到不同程度的加强，其中“后浇带”连接方式效果最佳，在弹塑性阶段均能传递较大的荷载，远高于“销键”与“灌浆”连接，传力最为有效。

上述研究表明采用板墙加固方法可以有效地提高砌体抗震能力，改善破坏特性。同时板墙与板墙间采用后浇带连接可较好进行应力传递，为预制板墙加固设计、施工方法研究提供了依据。

3.2 数值模拟方法研究

考虑加固试验较为复杂，实际加固工程实施过程往往需要通过数值模拟进行试验，以预测加固效果，进行加固方案设计。因此，许多学者对砌体结构加固数值模拟方法进行了深入研究。

黄靓、陈再现等[11]对砌体结构材料特性进行研究，指出砌体结构中砌块与砂浆两者相互作用关系复杂，均表现出明显的各向异性特性，加剧了砌体结构的模拟难度，现有砌体结构数值模拟方法主要有整体式建模方法、简化分离式建模方法、精细微观建模方法。精细微观建模、简化分离式建模方法可以准确反应砌体、砂浆间相互作用关系，但计算成本较高，建模难度大，模拟时间长，对计算机要求较高。Paulo B等[12]通过砌体结构模拟研究得出宏观建模的方法对于沿长度方向应力分布均匀的砌体结构十分适用，虽然其精度略低，但通过建立准确的协同应变关系，仍能较好的反应砌体结构整体性能，为砌体加固模拟方法研究提供了参考。

Gokarna Bahadur Motra[13]等对地震作用后的尼泊尔帕坦四层教学楼加固改造进行数值模拟研究，提出了基于混凝土围套和抗剪键不同的加固方法，采用简化非线性模型模拟砌体结构、混凝土结构各向异性，并设定非线性连接模拟材料间的变形关系。结果表明，混凝土围套较抗剪键加固效果更为明显，且两者均使原结构得到了较好的加强。

周茗如等[14]在混凝土板墙加固砌体结构模拟研究中指出材料本构、模型及参数确立、计算算法、收敛准则等关键技术尚未得出一般规律，需要进一步完善。为解决该问题，其采用同济大学应力应变本构方程、《混凝土结构设计规范》混凝土应力应变关系分别定义砌块墙、混凝土材料特性，以准确描述其非线性特性，分别采用shell63单元进行砖墙模拟，采用SOLID65单元进行板墙及构造柱模拟，并采用随动硬化模型模拟单元属性，所得模拟结果与试验结果误差接近10%,模拟准确度较好。

閤东东[15]采用ABAQUS软件对混凝土板墙加固足尺试验模型进行了数值模拟，将砂浆、砌体作为整体材料建模，并采用厚壳单元进行砌体与混凝土板墙单元建模，在此基础上，进一步结合SAP2000计算结构质量并导入ABAQUS模型进行地震动荷载模拟。结果表明外附剪力墙片承担了大部分剪力，减小了结构位移，提高了结构抗震能力。

上述研究表明虽然预制混凝土板墙加固砌体结构各材料性能复杂，但可通过相关试验及文献获取混凝土、砌体非线性材料本构，通过整体建模的方式实现砌体、销键、预制板墙、后浇带、钢筋的数值模拟，各材料单元可根据材料厚度、约束特性及其他因素选用实体或壳单元，并通过建立材料单元间的非线性关系，以实现准确的预制混凝土板墙加固数值模拟。

4 结 论

预制装配式混凝土板墙加固方法作为装配式理念与砌体加固改造结合的新方法，符合绿色施工理念，可缩减施工工期，减少现场湿作业，降低环境污染，具有较好的应用前景。目前，国内外学者在该领域已展开深入研究，并取得一定成果，主要结论如下：

a.“后浇带”可以使预制板墙、砌体结构实现更好地连接，其传力效果优于“灌浆”、“销键”连接。

b.将砌块、砂浆作为整体进行建模，分别对砌体、混凝土、后浇带、销键、钢筋分别定义非线性材料、单元及接触特性，可以较好地实现砖墙加固数值模拟与分析。

c.预制装配式混凝土板墙加固方法可以较好地提高原砌体结构承载能力与抗震性能，地震作用下预制板墙与砌体结构连接可靠，可承担大部分荷载，并大幅提高原结构抗剪、抗弯性能，增强结构延性，使结构发生延性破坏。