CFRP在中小学校舍砌体结构房屋加固中的应用

蒋孝明

汶川地震的惨重损失给我国以及世界房屋结构的抗震安全性敲响了警钟,尤其是在这次地震中有大量中小学校舍倒塌,造成大量中小学生遇难,给国人留下了深刻的教训。2009年5月,国务院启动全国中小学校舍安全工程。至2009年10月底,全国完成了近40万所中小学,14亿多平方米校舍的排查鉴定工作。鉴定结果显示,全国中小学校舍中有8亿多平方米达不到安全标准,其中砌体结构占了80%,砌体结构校舍的抗震加固任务十分艰巨。目前国内外对砌体结构房屋抗震加固主要采用增设构造柱、增大柱截面法、粘钢法、外包角钢法等一系列方法。面对如此大面积建筑物的抗震加固要求,按现有的抗震加固方法在加固时效性和加固的经济方面均难以满足要求。

与传统加固修补方法即钢筋水泥砂浆加固法相比,粘贴CFRP加固法具有明显的技术优势,主要表现在原校舍建筑空间利用率高、耐性好、施工工效高、没有湿作业,以及加固修补后基本不增加原结构质量及原构件尺寸,不增加下层结构负担。本文以浙江省某中小学校舍砌体结构加固设计为例,综合考虑了各方面因素选用粘贴CFRP的加固方式,在总结以往研究成果的基础上提出了相关设计建议,为实际加固改造工程的应用提供参考。

1 工程实例

该校舍位于浙江省某市,建于20世纪80年代,建筑平面大体呈 L形,总长 36.0 m,总宽25.26 m,主体结构形式为砌体结构,地上4层,总建筑面积约为 2 000 m2。标准层层高为 3.5 m,总高为16.0 m。该校舍主楼由纵横墙和砖柱承重,外承重墙为270 mm厚石墙,内承重墙采用240 mm厚实心砖。楼板采用预制楼板,砖强度等级设计要求为不低于MU10,砂浆强度等级为不低于MU5。

根据现场排查鉴定,该校舍砌体主体存在的主要问题如下:

1)校舍北面的窗间墙有一定的斜裂缝和竖向裂缝。2)在内承重墙中部分墙体有明显的阶梯形裂缝,抗震承载能力不足。3)在放有托梁的内承重墙下由于局部受压造成的竖向裂缝。4)底层走廊外侧砖柱结构延性较差,部分砖柱有细微的弯曲水平裂缝。

根据检测鉴定报告,该校舍砌体墙体满足抗压承载力要求,但抗剪承载能力 V0未能达到抗震要求 Vk,需进行抗震加固处理;砖柱上细微裂缝不影响结构主体安全,但不满足结构整体延性要求,需要进行抗震加固处理。

2 加固设计的思路及方法

2.1 窗间墙体裂缝加固设计

该校舍北面为具有大开洞的砌体墙,这种大开间、大采光窗的建筑形式,抗震墙面积少,不利于抗震。该砌体墙的裂缝主要分布在门窗洞附近,并呈现出多种开裂形式,主要表现为斜裂缝和竖向裂缝,如图1所示。对于此类砌体墙的加固,采用沿洞口周边粘贴CFRP并在窗洞角部附加锚固碳纤维布条的有效加固方法。考虑施工方便采用CFRP全墙面贯通的加固方式,如图2所示。

根据叠加原理,在用CFRP加固开门窗洞口砌体墙的抗剪承载能力时计算公式采用:

其中,VU为加固后砌体墙的极限抗剪承载力;CFRP承受的极限抗剪承载力 VCFRP采用以下计算公式[1]:

其中,n为CFRP粘贴层数;tC为CFRP的计算厚度;b为CFRP的宽度;εC为CFRP沿纵向的极限应变;∂C为CFRP的抗剪承载能力影响系数,取为1.0;EC为CFRP的弹性模量。

经计算,选用CFRP宽 b=300 mm,层数 n=1,满足抗震加固要求。

2.2 阶梯形裂缝加固设计

该校舍东西面外承重墙由于受垂直荷载和水平荷载的共同作用,产生沿阶梯形截面的裂缝,如图3所示,还有由于温度变化不均匀而造成墙体不均匀收缩产生“X”形裂缝。这些裂缝的产生不利于砌体结构整体的抗震性能。对于此类砌体墙的加固采用沿砌体墙对角线粘贴CFRP,并对上下端进行锚固处理的加固方法,如图4所示。

其中,n为CFRP粘贴层数;tC为CFRP的计算厚度;b为CFRP的宽度;LC为CFRP粘贴长度;L为墙体长度;ε1,ε2分别为CFRP沿纵向,横向上的极限应变;θ为CFRP与水平线的夹角;∂C为CFRP的抗剪承载能力影响系数,取为1.0。

经计算,选用CFRP宽 b=350 mm,层数 n=1,满足抗震加固要求。

CFRP承受的极限抗剪承载力 VCFRP根据下式得出[2]:

2.3 局部受压裂缝加固设计

在校舍内部的部分承重墙由于和梁的接触面积很小,造成局部压力过大,产生如图5所示的裂缝形态(裂缝上下较细、中间较宽)。

针对这种裂缝形式采用十字交叉粘贴CFRP的方式,在裂缝集中的部位加密粘贴,如图6所示。这样粘贴的CFRP起到套箍强化的作用,使其周围未直接受压的部分像“套箍”一样阻止其横向变形使得垫板下的砌体处于三向应力状态,因而使得局部受压砌体的抗压强度大为提高。但此种做法只能对墙体进行加固,要改变这种局部受压的受力特性需要在墙体上部增设圈梁,并在局部受压区设置砖柱等一系列加固措施。

2.4 砖柱的加固设计

校舍底层走廊外侧的砖柱由于没有和砌体墙连接,砖柱整体的刚度较低、延性较差、抗侧力能力弱,在地震力作用下很容易发生破坏而导致结构整体失稳。对于这种砖柱采用环向粘贴CFRP进行加固处理,环向粘贴的CFRP就像条形箍一样,对轴心受压砖砌体起到约束作用,使得核心砌体处于竖向压应力及CFRP约束产生的侧向压应力作用下的三向应力状态,提高了砖柱的抗压强度。同时在砖柱上粘贴CFRP可以使得结构的延性大幅提高,提高抗震耗能能力。

3 结语

1)在施工之前首先需要铲除原墙抹灰层和面砖,再用注射灌浆的方法对裂缝进行修补,最后进行粘贴CFRP加固。2)采用粘贴CFRP加固方式可以有效加强砌体墙抗剪和抗拉能力,以提高构件的整体抗震性能,同时不破坏建筑物的外观造型和内部主体结构。3)沿门窗洞口粘贴CFRP的加固方法,改变了开洞口墙体的初裂位置,保证地震作用下洞口的安全。对于未开洞墙体,斜向交叉粘贴CFRP可以较好的约束裂缝的开展,保证砌体墙的承载能力和延性,改善墙体裂缝分布形态,提高墙体的抗裂能力。

4)采用粘贴CFRP的加固方法对砌体墙的整体刚度提高不大,如何在采用粘贴CFRP加固方式的同时提高构件的整体刚度尚需今后继续研究。

[1] 谷 倩,彭 波,刘卫国.碳纤维布抗震加固开门窗洞口砌体墙片的试验研究与受剪承载力分析[J].建筑结构学报,2007,28(1):80-88.

[2] 赵 彤,张晨军,谢 剑,等.碳纤维布用于砖砌体抗震加固的试验研究[J].地震工程与工程振动,2007,21(2):89-95.

[3] CECS 146∶2003,碳纤维片加固混凝土结构技术规程[S].

[4] 董华阳,王名臣,邬 敏.CFRP材料加固混凝土梁的内力变形特性[J].山西建筑,2008,34(4):90-91.