某砖混结构砖砌体墙UHPC抗震加固设计与分析

陈 伟 恩

(福建省建筑设计研究院有限公司，福建 福州 350000)

我国大量砖混结构建造年代久远且抗震设防标准低，加上服役年限增长及外部环境造成结构损伤，造成墙体竖向承载力和抗剪承载力不满足要求，地震作用下易导致主体结构的破坏甚至倒塌[1]。因此，砌体结构的抗震加固研究长期以来备受关注。

传统结构加固方法有钢筋混凝土面层加固法、外包型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法及钢丝绳网-聚合物改性水泥砂浆面层加固法等[2]。另外，研究人员也提出了新型加固方法，包括高延性纤维增强水泥基复合材料面层加固法、体外预应力加固法及砂浆置换法等[3]。其方法各异且对墙体的加固效果不尽相同。

新发展的超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)是根据最大堆积密实度理论制备而成的低水胶比纤维水泥基复合材料，具备超高的强度和优异的耐久性能[4-5]，在结构加固应用中日趋广泛。近年来，UHPC加固砖砌体墙的应用得到关注[6-8]。郑七振等[6]、房明超等[7]研究UHPC面层加固及钢筋网聚合物砂浆加固对低强度砖墙抗震性能的影响，试验表明，两者都能有效提高墙体抗震性能，UHPC面层加固在提高墙体开裂荷载、极限荷载及刚度和耗能上优于钢筋网聚合物砂浆加固法。在此基础上，位三栋等[8]对低强度受损砖墙采用UHPC加固，试验结果表明UHPC加固受损墙体的水平承载力较未加固完整墙体提高了108%，加固面层与墙体能较好的协同工作。孙志杨等[9]通过UHPC加固低强度砖墙试验结果与有限元对比分析，验证了UHPC面层加固低强度砖砌体具有可行性。

综上可知，UHPC加固砖砌体墙能有效的提高墙体的竖向承载力及抗震性能，但目前UHPC加固砌体墙多为支模浇筑，不易控制浇筑过程中的施工质量，对于抹墙型UHPC(触变性UHPC)的加固研究较少，因此有必要开展抹墙型UHPC的制备及其对砌体墙的加固。本文通过工程实例，综合考虑砖砌体墙存在的问题，采取UHPC面层加固方案，制备出具有抹面施工性的UHPC配合比，采用抗震承载力计算法对加固后墙体进行抗震分析及计算，给同类工程加固设计提供参考。

1 工程概况

福州市某五层砖混结构住宅楼，房屋总高度为15.6 m，标准层层高3 m，建筑面积约为2 200 m2，20世纪70年代建成并投入使用，房屋外立面如图1所示。上部结构采用180 mm及240 mm厚烧结普通砖墙且纵横墙双向承重且平面布置对称，楼板、屋盖为现浇钢筋混凝土结构，立面布置规则合理，且质量和刚度沿高度分布规则均匀，图2为建筑标准层平面布置图。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度，根据《建筑抗震鉴定标准》规定，后续使用年限按30 a考虑，属A类建筑[10]。

图1 房屋外立面图

图2 标准层平面图(单位:mm)

工程检测表明：

(1) 结构整体性检测。各层楼、屋盖处均设置钢筋混凝土圈梁，但房屋外墙及楼梯间四角未设置构造柱。

(2) 墙体构造检查。卫生间、阳台填充墙及承重墙与纵横墙无可靠连接；承重墙体的门窗间墙宽度及外墙尽端至门窗洞边的距离超过最小限值800 mm的要求。

(3) 墙体工作状态检查。砖墙表面存在孔洞，灰缝砂浆饱满度不足，部分承重墙开裂渗水，如图3所示。另外，根据砌筑砂浆抗压强度贯入法及砖抗压强度回弹法进行实测，砌筑砂浆抗压强度值为1.1 MPa。砖抗压强度等级为MU10。

图3 墙体缺陷图

2 原结构承载力复核

2.1 受压承载力评估

根据实测的砂浆强度对结构进行核算(MU10，M1.1)，多数一层、部分二层及个别三层墙体受压承载力已不满足《砌体结构设计规范》[11](GB 50003—2011)要求。结构首层墙体竖向承载力计算结果如图4所示。

图4 一层墙体受压承载力汇总图(单位:mm)

2.2 抗震性能评估

根据《建筑抗震鉴定标准》[12](GB 50023—2009)得到原结构不满足第一级鉴定抗震鉴定，采用楼层综合抗震能力指数验算进行第二级鉴定，依据抗震鉴定标准中式(5.2.14)，结果如表1所示。由表1可知，在7度(0.10g)小震作用下，一至四层纵横向综合抗震能力指数不满足规范要求，其中纵向墙体的综合抗震能力指数大于横向。因此，墙体应采取加固措施，从而提高纵横墙的整体性、受压及抗震承载力。

表1 楼层综合抗震能力指数验算结果汇总表

3 加固方案确定

3.1 加固方案对比

住宅楼砌体墙的抗震加固依据抗震鉴定的结论，根据房屋使用情况、加固改造复杂程度及施工过程中的安全隐患，选择具有提升性能明显、原结构损伤小、施工便捷及经济合理等优点的加固方法。此外，在本工程基础不加固的情况下，避免选择自重较大的加固方式。

《砌体结构加固设计规范》[13](GB 50702—2011)及《建筑抗震加固技术规程》[14](JGJ 116—2009)中常用的砖砌体墙加固方法有：钢筋混凝土面层加固法、板墙加固法及钢丝绳网-聚合物改性水泥砂浆面层加固法等[15-16]。钢丝网水泥砂浆面层加固法及板墙加固存在加固材料的强度低、耐久性差及加固厚度较大，占用室内空间且增加了结构自重，一定程度增大了地震作用。另外，抗震加固规程规定，板墙加固中原有砌体墙砂浆强度等级不小于M2.5，且未提供低强度砂浆墙体的增强系数。

针对传统砖砌体结构加固方式存在的不足，研究人员提出了不同的加固方法[3，13，17]。高延性纤维增强水泥基复合材料面层加固砖砌体墙，能较好提升结构的延性，但承载力提升有限且加固成本高。体外预应力加固砖砌体墙能有效消除或减缓后增杆件的应力滞后现象，但施工较繁琐且可能对结构造成二次损伤。砂浆置换法采用高性能砂浆置换，形成新旧两种材料组合的砌体结构，达到提高砌体结构抗震性能的目的，但不适用于砖或砌块材料老化的结构。已有研究表明，UHPC面层加固采用较小加固厚度能显著提升墙体整体性能，避免了原始墙体的扰动损伤，能较好的适用于本工程的情况。

3.2 UHPC加固

UHPC面层加固是在砌体墙增设加固面层，形成“砖砌体-UHPC”组合墙体，达到提高墙体承载能力及耗能能力，且最大限度的减少上部墙体自重，避免了地震作用的增大[2,10,16]。

已有研究采用摸墙型UHPC，其不仅可以避免支模浇筑，还可以减少振捣不当时出现的脱粘及孔洞问题。本项目采用摸墙型UHPC，通过POM纤维替换钢纤维，减少钢纤维在触变性UHPC中的聚团，制备出具有良好施工性、优异力学性能和耐久性的UHPC。

抹墙型UHPC加固法与传统的钢筋网砂浆(聚合物砂浆)面层加固法相比，UHPC加固砖砌体具有如下优势：

(1) 不破坏原结构的整体性。无需在墙体钻孔和绑扎钢筋，避免对原结构的整体性的破坏。

(2) UHPC加固效果好于钢筋网聚合物砂浆加固。已有相关试验表明，UHPC面层加固在提高墙体开裂荷载、极限荷载及刚度和耗能上优于钢筋网聚合物砂浆加固法。

(3) 施工简单，工期短。构造措施简单，抹面一次完成，施工质量得到保证，工期比传统加固方法短。

(4) 造价低。UHPC采用20 mm～40 mm厚的加固面层，造价比传统加固方式低。

4 墙体抗震加固设计与分析

4.1 材料制备及力学性能测试

试验选用福建省某材料公司生产的UHPC预混料。预混料所采用的原材料如下(相关数据由供应商提供)：普通硅酸盐水泥P.O 42.5；微硅粉；600目石灰石粉；石英砂由三种不同粒径组成，分别为400目、70目～140目及40目～70目，具体配合比见表2。在预混料中加入聚羧酸高效减水剂、触变剂及POM纤维，降低了传统UHPC的流动性，增强其可塑性和黏度，实现UHPC的抹面工作性能，改性后的POM-UHPC强度有所降低，但不影响加固效果。UHPC力学性能试验按照《超高性能混凝土(UHPC)技术要求》[18](T/CECS 10107—2020)及《混凝土物理力学性能试验方法标准》[19](GB/T 50081—2019)有关要求进行。UHPC的力学性能如表3所示。

表2 UHPC配合比

表3 UHPC力学性能

4.2 墙体面层加固设计

参考文献[6-7]，初步确定一层至五层的外墙采用20 mm厚的UHPC单面加固，内墙为25 mm厚的UHPC双面加固。按照《砌体结构加固设计规范》及《砌体结构设计规范》相关章节进行试算及调整。其中，普通砖墙体截面抗震加固后竖向承载力按式(1)计算：

N=φcon(fmoAmo+αcfcAc)

(1)

式中:N为构件加固后的轴心压力设计值；φcon为轴心受压构件的稳定系数；fmo为原构件砌体抗压强度设计值；Amo为原构件截面面积；αc为砂浆强度利用系数；fc为砂浆轴心抗压强度设计值。其中，UHPC轴心抗压强度设计值取fc=70 MPa；Ac为新增砂浆面层的截面面积。

普通砖墙体截面抗震加固后受剪承载力按式(2)验算：

V≤VME+Vsi/γRE

(2)

式中:V为考虑地震组合的墙体剪力设计值；VME为原砌体抗震受剪承载力；Vsi为采用UHPC面层加固后提高的抗震受剪承载力；γRE为承载力抗震调整系数。经过墙体抗震加固复核验算，内、外墙竖向承载力及抗震承载力均满足要求。如表4所示。

表4 墙体承载力验算

5 现场施工及构造措施

UHPC面层加固按照施工前清理砖墙表面，润湿墙面、UHPC填补砖墙孔洞、进行UHPC抹面及养护五个步骤进行。自然养护条件下，在保证抹面厚度均匀且湿养护时间不应少于7 d时，UHPC面层未见开裂。实际工程UHPC加固过程如图5所示。

图5 UHPC墙体加固过程

另外，为保证两种材料的粘结性，在墙上(楼板)开槽、嵌缝，将面层端部嵌入墙内(楼板)或采用L形倒角加强端部锚固，锚固深度为120 mm。经过施工验收，UHPC面层端部与墙体粘结性能好，未见剥离，其28 d界面钻芯拉拔强度达到0.7 MPa～1.4 MPa。

6 结 论

(1) UHPC的性能优点克服了传统加固材料力学性能低、耐久性差等问题，加固既有墙体具有可行性。结合工程实例进行UHPC加固砖墙的设计及分析计算，内外墙体分别采用20 mm及25 mm厚的UHPC抹面加固，砖砌体-UHPC组合墙体竖向承载力及抗震承载力提高了4倍～5倍以上。

(2) 制备出性能优异且具备墙体抹面施工性的UHPC，为UHPC加固墙体提供施工便捷。通过添加触变剂，调配出易于砖砌体墙施工的POM-UHPC，其抗压强度超过100 MPa且抗折强度大于12 MPa，应用于墙体加固时免去支模及配筋的施工流程，施工简单且工期短。

(3) 通过面层端部构造措施保证UHPC加固砖墙的整体性。通过墙体(楼板)开槽、嵌缝，将UHPC面层端部嵌入墙内(楼板)或采用L形倒角加强端部锚固，120 mm的锚固深度能有效防止面层端部剥离破坏。该已竣工的加固实例，给同类工程加固提供参考。