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摘要：經過長時間使用后，磚砌體易發生由于磚風化、砂漿粉化、墻體裂縫和底層受潮等導致的磚砌體承載力下降、安全性降低，需采取合理的維修加固措施。...

鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻的試驗研究

許清風  江歡成  朱雷  杜剛

上海市建筑科學研究院 上海200032 上海市工程結構新技術重點實驗室 上海200032

上海江歡成建筑設計有限公司 上海200041

引言

    我國砌體結構歷史悠久，量大面廣，秦磚漢瓦已使用兩千多年，發展至今仍是我國最普遍的結構形式。我國現存許多優秀歷史建筑為砌體結構，其采用的砌筑砂漿多為石灰砂漿或黏土砂漿等低強度砂漿，由于磚墻風化、砂漿粉化、墻體裂縫或底層磚墻潮濕均可導致砌體強度降低、房屋安全性下降，加之許多優秀砌體建筑沒有考慮抗震設防要求，亟需進行加固和保護。

    1976年唐山大地震后，我國對鋼筋網水泥砂漿抗震加固砌體進行了一定的研究。朱伯龍等、樓永林、黃忠邦、蘇三慶等、談永奎、王天賢和李明等分別進行了鋼筋網水泥砂漿加固普通磚墻、空心磚墻和低強度砂漿磚墻抗震能力的對比試驗研究，并分別從主拉應力理論和剪摩理論出發進行了理論分析。鋼筋網水泥砂漿對磚墻進行抗震加固已被行業標準《建筑抗震加固技術規程》(JGJll6—8)采用。張代濤等和蘇三慶等分別進行了鋼筋網水泥砂漿加固磚房模型抗震性能的對比試驗研究，研究結果表明，使用鋼筋網水泥砂漿加固后磚房的整體抗震能力得到明顯提高。黃忠邦根據鋼筋網水泥砂漿抗震加固磚墻中拉筋受力性能的試驗研究，提出拉筋在抗震受力過程中對墻體抗震加固效果無明顯影響。

    優秀砌體建筑由于變更使用功能或磚墻累積老化損傷均可能導致磚墻的受壓承載力不足。雖然鋼筋網水泥砂漿已是一種常用的磚砌體抗震加固方法，但使用鋼筋網水泥砂漿對舊磚墻進行受壓承載力加固還未見報道；同時，用鋼筋網水泥砂漿對舊磚墻進行抗震加固也值得研究。基于此，本課題重點研究鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻受壓承載力的試驗研究，同時進行鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻抗震能力的試驗研究。

1、試件設計

    本次試驗選用已使用80多年、從舊房拆下的八五磚(220mm×105mm×43mm)，選用黏土石灰砂漿砌筑。本次試驗共8片磚墻，試件尺寸均為l500mm×900mm X220mm，采用一順一丁的砌筑方式，灰縫厚度和寬度均為8mm。試件共分兩組，其中W1～W5為第一組，研究鋼筋網水泥砂漿加同舊磚墻受壓承載力的效果，試驗參數包括砂漿層數和是否掏縫置換，其中W1為對比試件。W2～W5鋼筋網水泥砂漿加固層厚度均為40mm；鋼筋網規格均為水平φ6@410mm，豎向φ6@450mm；單側加同試件的拉筋為L形φ4@430mm，雙側加固試件的拉筋為S形φ4@430mm，均為梅花形布置。W2、W3在磚墻表面直接做鋼筋網水泥砂漿層；W4、W5待砂漿硬化后向內掏空30mm后用水泥砂漿置換，再做鋼筋網水泥砂漿層。W6～W8為第二組，研究雙側鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻抗震能力的效果，試驗參數為是否掏縫置換。其中W6為對比試件，W7同W3，W8同W5。試件參數見表1，試件尺寸見圖l。

表1試件參數

 

圖1試件尺寸圖

2、試驗概況

    2.1材料強度

    舊磚實測強度等級為MUl0；砌筑砂漿的實測抗壓強度為l.4MPa；掏縫置換用水泥砂漿的實測抗壓強度為13.1MPa；加固用水泥砂漿的實測抗壓強度為8.5 MPa。由6鋼筋的屈服強度為431.7MPa，極限強度為645.8MPa。

    2.2加載制度

    試件Wl～W5采用5個豎向同步千斤頂施加豎向荷載，試件的實際受力為單個千斤頂荷載讀數的5倍。試驗采用l0～15級的逐級加載方式，每級荷載持荷3mm，再施加下級荷載。

    試件W6～W8首先施加豎向荷載，豎向荷載通過兩個豎向千斤頂施加于試件四分點處，W6每個豎向千斤頂施加50kN，W7和W8每個千斤頂施加100kN，使3個磚墻的豎向壓應力均為0.3MPa(考慮鋼筋網水泥砂漿層承受的豎向壓力)。待豎向荷載穩定后用MTS水平作動器施加水平荷載，開始為荷載控制，每級循環一次。當試件屈服或水平位移達到2.0mm時轉為位移控制，每級循環一次。當荷載下降至峰值荷載的85％時，試驗結束。

    2.3數據采集

    為了解磚墻受力過程的變形情況，在磚墻、鋼筋和拉筋的不同位置布置應變片和水平位移計。為測試W2和W4未加固一側磚墻的變形情況，特在磚墻局部做水泥砂漿找平層用于粘貼應變片。采用 DH3816靜態應變測量系統進行數據采集。

3、W1～W5試驗結果與分析

    3.1破壞形態

    對比試件Wl在荷載增加至l55kN時，南側西上角磚塊開裂；隨著荷載繼續增加，南側磚塊裂縫繼續開展；當荷載增加至225kN時，北側出現多處磚塊裂縫；當荷載增加至400kN時，東側試件中間出現至上而下的貫通裂縫(圖2)；當荷載增加至535kN時，試件局部磚塊壓碎、豎向裂縫貫通、試件破壞。

 

圖2 W1側面出現豎向貫通裂縫

    單側鋼筋網水泥砂漿加固的試件W2在荷載增加至250kN時，在南側(未加同側)中上部出現磚塊豎向裂縫；當荷載增加至350kN時，北側(鋼筋網砂漿加固側)中上部鋼筋網水泥砂漿層出現水平貫通裂縫。試件呈明顯的偏壓特征。當荷載增加至510kN時，鋼筋網砂漿層沿水平貫通裂縫折斷、下端與底梁交接處剪壞、砂漿層與磚墻剝離、局部拉筋拉起(圖3)，荷載急劇下降，但此時磚墻破壞不明顯，僅南側局部磚塊開裂。繼續進行加載，試件仍能繼續承載；當荷載再次增加至475kN時，試件側面形成從上至下的貫穿裂縫，試件側面傾斜恢復，磚墻發生軸壓破壞，局部磚塊壓碎。試件呈典型的承載力雙峰值特性，說明鋼筋網水泥砂漿層與磚墻的應力峰值不同步。

 

圖3 W2砂漿層與磚墻剝離、局部拉筋拉起

    雙側鋼筋網水泥砂漿加固的試件W3在荷載增加過程中未見明顯裂縫，當荷載增加至ll85kN時，試件砂漿層中上部突然出現沿水平向斷裂(圖4)，砂漿層與磚墻剝離、砂漿層內鋼筋屈曲，試件側面出現豎向貫通裂縫、局部磚塊壓碎，試件破壞。

 

圖4 W3砂漿層中部沿水平向斷裂

    單側鋼筋網砂漿加同并掏縫置換的試件W4在荷載增加至250kN時，在西側和南側(未加固側)上部出現磚塊豎向裂縫；當荷載增加至400kN時，東、南和西側磚塊裂縫繼續發展，北側(鋼筋網砂漿加固側)出現水平和斜向裂縫，試件南側的壓縮變形明顯大于北側；當荷載增加至500kN時，東側鋼筋網砂漿層與磚墻剝離；當荷載增加至575kN時，試件東、西側鋼筋網水泥砂漿與磚墻從上而下脫開，拉筋角部拉起(圖5)，局部磚塊壓碎，試件破壞。

 

圖5 W4拉筋端部彎起

    雙側鋼筋網水泥砂漿加固并掏縫置換的試件W5在荷載增加過程中未見明顯裂縫，當荷載增加至1250kN時，試件突然出現鋼筋網砂漿層角部裂縫、砂漿層與磚墻剝離、砂漿層內鋼筋屈曲，試件側面出現豎向貫通裂縫、局部磚塊壓碎，試件破壞。

    3.2試驗結果分析

    (1)受壓承載力對比

    W1～W5的開裂荷載和破壞荷載對比如表2所示。

表2主要試驗結果

　　由表2可知，采用單側鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻(W2、W4)的開裂荷載有所提高(提高61％)，但受壓承載力沒有明顯提高。采用雙側鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻(W3、W5)的開裂荷載和極限荷載基本相同，試件出現裂縫后馬上進入破壞階段，雙側加同試件的受壓承載力較對比試件有明顯提高，提高幅度達121％～l34％。

　　(2)應變分析

　　試件W2水平應變對比見圖6所示，其中1#應變片布置在拉筋上，l6#、17#粘貼在水平鋼筋上，24#、34#應變片分別布置在未加固墻面(粘貼在附加的水泥砂漿面層上)和加固砂漿面層的中心水平位置處。試件W2豎向應變對比見圖7所示，8#、9#應變片粘貼在豎向鋼筋上，21 #、23 #、25#布置于非加固墻面一側豎向位置，31#、33#、35#布置在加固砂漿面層一側豎向位置。

 

圖6 W2水平應變對比圖

    由圖6可知，隨著荷載增加，拉筋和水平鋼筋的應變明顯增大，說明拉筋和水平鋼筋在試件受力后期逐漸起作用；未加固一側磚墻的水平應變變化較復雜，而加固一側水平應變逐漸變大。

 

圖7 W2豎向應變對比圖

    由圖7可知，W2在受力過程中呈明顯的偏壓特性，加固一側砂漿表面的豎向應變為拉應變而砂漿內鋼筋的豎向應變為壓應變，且未加固一側磚墻表面的豎向應變亦為壓應變，這與試驗過程中未加固一側豎向變形大的現象一致。

    試件W3水平應變對比見圖8所示，其中1 #、3#應變片布置在拉筋上，l4#、16#粘貼在水平鋼筋上，26#、28#應變片分別布置在兩側加固砂漿面的水平位置。試件W3豎向應變對比見圖9所示，8#、l0#應變片粘貼在豎向鋼筋上，23 #、27#、29#布置在兩側加固砂漿面的豎向位置。

 

圖8 w3水平應變對比圖

    由圖8可知，砂漿表面與水平鋼筋的應變相近，說明鋼筋網砂漿層能協調工作；拉筋應變為拉應變，說明拉筋在加載過程中起明顯的拉結作用。

    由圖9可知，豎向鋼筋與兩側砂漿層的豎向應變基本一致，共同工作性能較好，試件呈典型的軸壓特征。

 

圖9 W3豎向應變對比圖

　　(3)破壞機理

    本次研究表明，采用單側鋼筋網水泥砂漿進行受壓承載力加固后，由于舊磚墻和砂漿層的彈性模量存在較大差異，導致舊磚墻與砂漿面層不能很好的協同工作；未加固一側由于彈性模量較小而壓縮變形較大，加同一側彈性模量大而壓縮變形較小，使舊磚墻呈典型的偏壓受力特征。拉筋亦不能保證鋼筋網水泥砂漿層與磚墻協同工作，在加載后期拉筋端部拉起而逐漸失去作用。隨著荷載增大，加固砂漿層產生水平向貫通裂縫，并在受荷后期折斷，使加固層完全退出工作，而此時的舊磚墻卻沒有明顯的破壞，荷載達到第一個峰值荷載；繼續加載，磚墻仍將出現第二個峰值荷載，使單側加固試件出現雙峰值特性，加固試件的極限荷載為兩個峰值荷載的較大值。試驗表明，單側加固對受壓承載力沒有明顯提高。

    采用雙側鋼筋網水泥砂漿加固后，由于兩側加固層的彈性模量和剛度相同，加同后試件形同夾心墻板受力，加固后試件仍為軸心受壓。磚墻和拉筋對鋼筋網水泥砂漿層有明顯支撐作用，拉筋把鋼筋網水泥砂漿層拉結成整體受力，顯著提高了磚墻的豎向承載力，提高幅度達121％～l34％。但由于砂漿強度和彈性模量明顯大于舊磚墻，使加固層與舊磚墻受力不協調，一側加固層出現裂縫試件即達極限，預兆不明顯。

　　(4)理論分析

　　根據本次研究結果，雙側鋼筋網水泥砂漿加固磚墻的豎向承載力可按式(1)進行計算。

　　P=φ·[f·A+αv·(fc+fy·A′s)](1)式中：P為加固磚墻的豎向承載力；φ為高寬比和軸向力偏心矩對受壓磚墻的影響系數；f為砌體抗壓強度；A為砌體受壓面積；αv為豎向荷載作用下鋼筋網水泥砂漿與磚墻的共同工作系數；fc為加固砂漿層抗壓強度；Ac為加固砂漿層受壓面積；fy為鋼筋抗壓強度；A′s 為鋼筋受壓面積。

    根據本次試驗的材料強度，可得共同工作系數αv=0.58。αv與砌體和鋼筋網水泥砂漿層的強度比及彈性模量比有關，還需通過進一步的試驗研究驗證。

4、W6～W8試驗結果與分析

　　4.1破壞形態

    對比試件W6在水平荷載增加至lkN時，墻體東側出現少數磚塊的豎向裂縫；當荷載增加至26kN時，墻體西側偏北位置出現多塊磚的豎向裂縫；當水平荷載增加至30kN時，墻體的水平位移達到2mm，轉為位移控制。當水平位移增加至4.5mm時，墻體兩側出現斜向沿對角線方向的裂縫，裂縫長度和寬度隨水平位移的增加而增加；當水平位移增加至16mm時，墻體斜向x形交叉裂縫明顯(圖10)，最大裂縫寬度達l2mm，墻體水平承載力明顯下降，試驗結束。

 

圖10 W6的X形交叉斜裂縫

    雙側鋼筋網砂漿加固的試件W7在荷載控制時未出現可見裂縫。當荷載增加至110kN時，水平位移大于2mm，改為位移控制。當水平位移增加至4.7mm時，墻體在北側下角部出現水平裂縫，裂縫長度隨著水平位移的增加而緩慢增長，但未發現斜向裂縫。當水平位移增加至l5.2mm時，伴隨兩聲巨響試件出現多條斜向裂縫，墻體南側下端灰縫與磚墻錯動、明顯偏位，角部部分加固砂漿層剝落、鋼筋彎曲，少數磚塊斷裂。隨著水平位移的繼續增加，墻體形成x形交叉斜裂縫(圖11)，水平承載力明顯下降，試驗結束。

 

圖11 w7的x形交叉斜裂縫

    雙側鋼筋網砂漿加固并掏縫置換的試件W8在水平位移增加至4.0mm/時，在試件西北側下端出現水平裂縫；隨著水平位移的增加，試件下端的水平裂縫繼續開展；當水平位移增加至l2mm時，試件出現斜向裂縫；水平位移增加至14mm時，試件下端的水平裂縫貫通，斜向裂縫兩端繼續發展；當水平位移增加至18mm時，試件下端水平錯動，試件角部磚塊壓碎(圖12)，斜向裂縫繼續增加；水平位移增加至22mm時，試件下端錯動，荷載明顯下降，試件角部加固砂漿層與磚墻脫開、開裂、剝落，試驗結束．

 

圖12 W8角部磚壓碎、砂漿破壞

　　4.2試驗結果分析

　　(1)滯回性能

　　W6～W8的荷載一位移滯回曲線如圖l3～圖l5所示，骨架曲線對比如圖16所示。

 

　　由圖l3～圖l6可知，W6～W8的滯回曲線存在較大差異。對比試件W6的滯回曲線存在明顯的捏縮效應，試件的耗能能力相對較差、水平承載力較小：加固試件W7和W8滯回環所圍合的面積明顯變大、耗能能力明顯提高，破壞位移亦有明顯增加。加固試件的水平承載力顯著增加，其中W7正向(推)提高517％、反向(拉)提高250％；W8正向(推)提高263％、反向(拉)提高612％。由于掏縫置換既可提高磚墻灰縫與鋼筋網水泥砂漿層的連接，又可提高磚墻的抗剪強度，使W8水平承載力的提高幅度略大于w7。另外，W7和W8均表現出雙向受力性能的不對稱特性。

    (2)拉筋應變分析

    加固試件w7拉筋的應變變化見圖17所示。1 #～5#應變片粘貼在不同位置的拉筋上。

 

圖17 w7拉筋應變變化

    由圖l7可知，除l#拉筋外，其余拉筋的應變在水平荷載增加過程中無明顯變化，說明拉筋對水平承載力的影響可忽略，這與文獻[11]的結論相同。1#拉筋位于試件的下角部，由于加載后期該位置加固層與磚墻剝離，因而其應變隨水平荷載的增加而明顯增大。

    雖然拉筋對水平承載力加固的作用不明顯，但由圖8可知，拉筋對受壓承載力加固有明顯有利作用。

    (3)加固機理

    本次研究表明，雙側抗震加固舊磚墻的鋼筋網水泥砂漿層和舊磚墻能很好地協同工作。隨著荷載增加，首先在鋼筋網水泥砂漿層與底梁結合處出現水平裂縫，然后在加固層上出現斜裂縫；隨著荷載繼續增加，下角部加固層與磚墻剝離、角部磚塊壓碎，水平荷載明顯下降，試件破壞。破壞時鋼筋網水泥砂漿加固層大部分仍與磚墻結合較好，保持整體受力。

    《建筑抗震加固技術規程》(JOJll6-98)8。建議根據加固砂漿層厚度和強度、加固層數和磚墻砌筑砂漿強度確定不同的抗震能力增強系數，但沒有考慮磚墻豎向應力的影響。本文認為加固磚墻的抗側力由磚砌體、加固砂漿層和鋼筋網三部分共同承擔。試驗表明，試件接近破壞時，磚墻灰縫和加固砂漿層均發生明顯破壞，其對加固磚墻的貢獻度較大；而整個受力過程中豎向鋼筋的應變均較小，因而其對加固磚墻水平承載力的貢獻度相對較小。綜合本文和參考文獻的試驗結果，建議鋼筋網間距可適當放寬至300～400mm。

5、結論與建議

    (1)研究表明，雙側鋼筋網水泥砂漿加固舊磚墻是一種有效的加固方法，不僅可提高其抗震能力，還可大幅提高其受壓承載力。

    (2)舊磚墻采用雙側鋼筋網水泥砂漿加固后，受壓承載力提高l21％～l34％；加固后兩側砂漿層和鋼筋網的受力基本同步協調，但其破壞預兆不明顯。采用單側鋼筋網水泥砂漿加固試件的受壓承載力沒有明顯改善，加固試件呈典型的雙峰值特性，加固層與舊磚墻未能有效協同工作。為保證受壓承載力的加固效果，本文建議選用雙側加固，該方法已在上海思南路風貌別墅加固工程中得到實踐，取得了滿意的效果。

　　(3)研究表明，舊磚墻采用雙側鋼筋網水泥砂漿加固后水平承載力提高250％～612％；加固后兩側鋼筋網水泥砂漿層與舊磚墻的受力基本協調，破壞后加固層仍和磚墻較好連接，具有較好的整體性。

　　(4)試驗結果表明，用于拉接雙側鋼筋網的穿墻拉筋對抗震加固作用不明顯，但對受壓承載力加固有明顯有利作用。

    (5)掏縫對鋼筋網水泥砂漿加固磚墻豎向承載力和水平承載力有一定效果，且掏縫可明顯提高磚墻的耐久性能。

參考文獻

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[2]樓永林．夾板墻的試驗研究與加固設計[J]．建筑結構學報，1988，9(4)：1—12

[3]黃忠邦．水泥砂漿及鋼筋網水泥砂漿面層加固磚砌體試驗[J]．天津大學學報，l994，27(6)：764-770

[4]蘇三慶，豐定國，王清敏．用鋼筋網水泥抹面加固磚墻的抗震性能試驗研究[J]．西安建筑科技大學學報，1998，30(3)：228—232

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[8]JGJ ll6_98建筑抗震加固技術規程[s]

[9]張代濤，宋菊芳．鋼筋網水泥砂漿加固磚砌體房屋振動臺試驗研究[J]．工程抗震，l996，(3)：32—36

[10]蘇三慶，豐定國．用夾板墻加固磚房的抗震性能[J]．西安建筑科技大學學報，l998，30(3)：233—23

[11]黃忠邦．鋼筋網水泥砂漿加固磚墻中關于拉結筋的試驗研究[J]．實驗力學，l994，9(4)：383—359

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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