既有石结构房屋石楼板加固技术分析

周 天，朱远浩，郑 亮，苏明双

（1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108； 2.福建春林工程管理有限公司，福建 厦门 361000； 3.厦门保顺建设有限公司，福建 厦门 361100）

中国石材资源遍在布大江南北，各类石材矿山年开发产量高达数亿吨，其中以花岗岩、大理石矿山为主。而花岗石资源大部分集中在沿海各省，福建、广西、山东等五省及自治区，其生产量几乎占到全国花岗石产量的70%。

就福建沿海地区而言，花岗岩分布广泛、易于取材，而基于当地风俗、经济、居住条件等原因石砌体房屋遍布沿海村镇，尤其以闽南石结构建筑最为集中，保有量至少占村镇建筑总量的60%。王慧芳、郭子雄等通过实地调研，发现泉州地区现存石结构房屋大部分分布在农村地区，其比例高达80% ，而且是农民居民用房的主要结构类型之一，其中惠安县的村镇里也是随处可见的石砌体结构，石结构建筑石墙采用条石进行砌筑，基础及其上部结构的墙、梁、柱、楼板以及非结构构件皆采用石材制作，极具当地特色。

福建省地处中国东南沿海地震带、临近环太平洋地震带。在此背景下数量众多的石结构房屋易受地震影响。由于石结构安全性不足、石材易发生脆性断裂，如果不采取一定的措施对石结构加固，在震害下易造成重大的人员伤亡和财产损失。

图1 石结构房屋

1 石结构存在的安全隐患

石结构房屋建筑大多修建于在20世纪70年代左右，多数为地方传统工匠砌筑而成。由于缺乏必要的房屋设计常识，建造时未遵循砌体结构设计规范，也没有考虑抗震设防，大多数的石结构住宅均未设计圈梁、构造柱、圈梁等钢筋混凝土构件，房屋的整体性差，纵横墙之间联系薄弱；绝大部分石块之间采用三合土或低等级砂浆粘结，且密实度低、抗剪强度弱；各石楼板之间、石楼板与墙体的连接薄弱甚至仅搭接在部分石墙上，支撑（锚固）长度也不足；构件自身强度不足而引起破坏主要表现在石柱、石梁、石楼板等石制构件， 石材具有承载力强，耐久性较好等优点，但它的脆性材质的这一弱点十分显著，抗拉、抗剪等强度较低，在某些外部冲击荷载或弯矩、剪力作用下容易产生脆性破坏，这种破坏形态事先毫无预兆，其危害性极大。

图2 石楼板与石墙搭接

其中石楼板构件作为石结构房屋中主要的受弯承载构件，跨度较大约有2～4 m，各楼板灰缝间虽存在低强度红黏土砂浆粘结，但主要依靠两端搭接在石墙的部分形成类似简支梁的单向受力模式。裂缝一旦产生，会迅速发展最后引起脆性破坏，破坏前没有任何征兆，这会导致严重的人员伤亡与财产损失。海峡都市报、泉州网、东南早报等都曾报道若干石结构倒塌、石楼板断裂的意外事件，因此要着重考虑石楼板的加固措施，提高石楼板的抗弯承载能力并改变其脆性破坏的形式，是解决石结构建筑安全隐患的一个决定性因素。

2 石楼板构件加固技术研究现状

随着国家对地震和建筑抗震方面的认识逐步提高，学者们对结构抗震性能及加固改造技术有一定的研究基础。石结构民房领域的研究方面，从石材力学性能、石材砂浆界面粘结性能等材料方面的研究，到石墙体、受弯石构件等石结构建筑中的构件加固试验研究，再到石结构整体抗震方面都进行了相关的试验及理论分析，对指导石结构抗震加固有一定理论基础。

2.1 钢筋网砂浆面层加固

2.1.1 加固影响因素及效果

郭子雄采用其课题组内自行配置的改性砂浆对石楼板面层进行配筋面层加固，进行受弯试验研究，加固石楼板配筋率约0.336%试件的破坏形态类似于RC适筋梁的延性破坏，受弯承载力有所提升。开裂弯矩和极限弯矩均随配筋率和钢筋强度的增大而增大。而加固配筋率为0.21%试件存在类似钢筋混凝土梁少筋破坏的弯矩-挠度曲线，说明加固石板存在最小配筋率的问题需要进一步试验探究。张楠对多个未加固花岗岩石楼板试件、钢筋网砂浆面层加固试件进行受弯试验研究。花岗岩石楼板断裂破坏面往往发生在最大弯矩区域的最小截面或有天然缺陷的截面；且其受压区的极限应变平均值远小于圆柱体轴心抗压试验的结果。加固试件得出了配筋率对极限承载力的影响最大。存在的问题包括：石材因离散型其本构模型有待完善、钢筋网砂浆实际加固中存在施工难题、多片石板加固试验有待研究。

陈潇魁主要考虑加固方式、加固层配筋率对试件的影响。对石楼板进行钢筋网水泥砂浆板底面层加固和围套加固，通过植筋将钢筋网固定，试验表明两种加固方式都有明显效果，其中植筋挂钩对石板正截面抗弯承载力几乎没有不利影响，围套加固法影响不大反而对材料协同作用不利。配筋率小于0.3%的试件均表现出明显的脆性破坏特征，配筋率达到0.4%左右的试件则表现出较好的延性。

2.1.2 加固试件开裂弯矩计算

陈潇魁计算假定包括石材开裂前受压、受拉区应力均呈三角形分布，且均处于弹性受力阶段且受拉区石材恰好达到抗拉强度设计值。郭子雄同样以试件开裂石材受拉边缘达到其抗拉强度作为开裂荷载的标志，且假定中性轴位于石楼板截面中心即将改变位置，计算忽略了加固层砂浆所承受的力。张楠则考虑砂浆层的受力，所计算的结果相比郭子雄所得结果误差小。

2.1.3 加固试件受弯承载力计算

对石材受弯构件面层加固承载力计算，陈潇魁给出的公式类似于钢筋混凝土梁的计算，受弯承载力包含了加固层钢筋、受拉区石材提供的承载力，不考虑加固层的混凝土或水泥砂浆材料。郭子雄等类比钢筋混凝土梁计算公式简化为截面弯矩由石板受压区压应力和加固层钢筋拉力抵抗承担，二者满足应力平衡条件，得出的结果与实验值相比平均误差在10%以内。

2.2 CFRP筋加固

2.2.1 板缝配筋加固

郑奕鹏研究了板缝、底面加固石板楼盖构件的受弯性能，板缝连接处与实际不同，采用灌浆料、改性砂浆、自流平砂浆。板缝嵌埋高强钢筋浇灌高强灌浆料仅对开裂、极限弯矩提高不明显，砂浆强度大于20 MPa后变化影响不大，加固石板楼盖中和轴位置随着配筋率提高而下降。但实际中板缝间砂浆强度低，而且顶层已存在装饰装修难以拆除重新进行灰缝灌浆。试验加载是在三块板上同时加载，未分析板与板之间的影响。

图3 试件加固过程

叶勇在郑奕鹏的研究基础上，对板缝配CFRP筋加固，承载和变形能力有所提升，但加固工程中，若要将石楼板间的灰缝清除并重新加固，该方法在现存石结构房屋中难以实施。

2.2.2 内嵌式预应力加固

除了对石楼板进行面层加固研究外，还有学者结合近表面内嵌式技术，针对石楼加固提出了新的加固方式。

从2014年开始，叶勇等就借鉴内嵌式技术对石楼板进行加固研究，提出了一种内嵌式预应力CFRP筋的加固方法。试验证明具有较高的开裂荷载，采用预应力的CFRP筋强度利用率远高于非预应力加固石板。基于截面分析法建立了预应力NSM-CFRP筋加固石板的分析模型，预测值与实验结果吻合较好。

高晓鹏采用表层嵌埋（NSM）加固方法对石楼板板底开槽内嵌CFRP钢筋。加固后构件材料间共同工作性能良好，构件承载力有效提高。苗伟等在叶勇研究基础上，主要以配筋率、预应力水平和粘结剂作为主要试验参数，并基于钢丝绳和石板之间的良好粘结特性，建立了用于预测加固石板抗弯强度的简化理论模型。

刘翔、叶勇等提出一种预制增强板加固，实现对石楼板的快速加固。该预制增强板内嵌CFRP筋，试验研究增强板的加固方式、宽度、CFRP筋直径和配筋率对加固后受弯性能的影响。试验表明预制增强板与石材的粘结可靠，加固后构件性能明显提高且具有一定延性。这种预制的加固板虽然加固快捷方便，但研究不够成熟，其耐久性能尚未得到验证。

目前对上述NSM预应力加固方法的试验进行的较多，但上述方法不仅在石楼板底面开槽对构件截面有所削弱，而且在石楼板两端固定锚具进行张拉，这种方法在实际使用中的石结构房屋中存在很多问题，施工较复杂，工序多难以推广。

3 研究展望

纵观现有的石楼板加固研究，部分研究成果应用于既有工程中仍存在一些问题。综合上文的分析，提出以下研究思路。

（1）碳纤维板在加固修复的应用中逐渐广泛，主要表现在能够提高结构的承载力以及施工方案的优势，该材料所具备强度高、韧性高、施工操作简单的特点，能给石结构受弯构件加固工程带来应用价值。

（2）目前新发展的超高性能混凝土（UHPC）具备超高的力学性能和超高的耐久性。将UHPC材料运用到石结构加固技术上，利用UHPC具有的良好延展性，其抗拉、抗剪强度较石材相比要好很多，这将有助于增加石楼板的受弯承载力。这些优异的性能不仅可以有效提高结构的安全性，同时能够降低加固面层的厚度，以节约加固成本。

4 结论

（1）目前石楼板构件的抗弯加固技术研究已有一定的进展，钢筋网水泥砂浆面层加固、钢筋嵌缝加固、粘贴预制板加固均能一定程度提升石楼板承载能力并改善构件破坏形态，使其发生延性破坏。

（2）钢筋网水泥砂浆这种受拉面层加固方法需要支模浇筑等施工流程、施工困难且耐久性一般；而板缝配筋、板底嵌入钢筋的加固方案在实际施工中缺乏可行性、普适性而难以推广，所以上述这些加固方法基本没法在既有石结构房屋中实施。现在政府规定已不允许新建石结构房屋，所以板缝重新配筋、内嵌CFRP筋等加固方式不可能实现。

（3）已有的研究基本是对单块石楼板的受弯性能进行加固试验，而实际结构中数块石板通过灰缝连接共同受力。建议开展多片石楼板整体加固研究，逐步形成符合实际工程的石结构楼盖加固技术。

（4）目前国内外已经对采用超高性能混凝土、碳纤维板材等高性能材料的加固技术进行了大量试验研究，但缺少利用这些加固材料进行石楼板加固的研究工作。