简单介绍砌体结构抗震加固的一些方法

简单介绍砌体结构抗震加固的一些方法简单介绍砌体结构抗震加固的一些方法 摘要 砌体结构在我国房屋建筑中应用广泛 而我国又是一个多地震的国 家 因砌体结构材料属脆性材料 强度较低 变异较大 结构的整体性和抗震 性能较差 在地基产生不均匀沉降或有温度变形作用时 极易产生各种裂缝 在长期的使用过程中会产生程度不同的损伤或破坏 本文就是基于国内外对砌 体结构加固的发展及其研究现状 对一些加固方法进行简单介绍 从而让我们 对砌体结构的抗震加固有一些了解和认识 关键词 砌体结构 抗震加固 加固方法 Abstract Masonry structure is widely used in the buildings of China And also China is an earthquake country As masonry structure is of the properties of brittle material low strength big variation poor structure integrity and seismic performance extremely easy to produce all sorts of cracks under the circumstance of uneven settlement in foundation or deformation in temperature and different degree of damage or destruction in the long term use of process This paper based on the present research situation of home and abroad in the reinforcement of masonry structure some simple reinforcement methods are introduced Thus some understandings will be made in the seismic strengthening of masonry structure Keywords masonry structure seismic strengthening reinforcement methods 1 1 前言 前言 砌体结构在我国房屋建筑中应用广泛 尤其是在广大村镇房屋建筑中占很 大比重 而我国又是一个多地震的国家 地震活动的分布范围十分广泛 绝大 多数省份都曾发生 6 级以上的地震 地震基本烈度 6 度及以上地区的面积占全 部国土面积的 79 因砌体结构材料属脆性材料 强度较低 变异较大 结构 的整体性和抗震性能较差 在地基产生不均匀沉降或有温度变形作用时 极易 产生各种裂缝 在长期的使用过程中会产生程度不同的损伤或破坏 历次震害 表明 多层砌体结构房屋受地震的破坏最为严重 目前我国六七十年代建造的建筑和现在广大村镇多数的居民住宅 大多数 都是砌体结构 但其中有相当部分的砌体结构并不满足现行抗震规范所要求的 抗震加固 而近期内这些房屋又不可能全部淘汰或拆除 一旦发生类似唐山 汶川那样的地震 损失将不可估量 为此 除在砌体房屋的设计和施工中采取 必要的措施防止开裂外 如何提高砖砌墙体的抗剪强度和抗裂性能 及如何对 已开裂的墙体进行加固修复也是当前砌体结构房屋中急待解决的问题之一 本文就是基于国内外对砌体结构加固的发展及其研究现状 对一些加固方 法进行简单介绍 从而让我们对砌体结构的抗震加固有一些了解和认识 2 2 砌体结构房屋抗震加固的原则 砌体结构房屋抗震加固的原则 砌体结构房屋抗震加固时 要满足一下原则 1 满足结构的整体稳定性 2 加固后的砌体结构和构件要达到预定的抗震能力 3 加固后避免局部刚度突变和质量分布不均匀等问题 4 在不影响原有结构强度的基础上进行加固 3 3 砌体结构加固方法 砌体结构加固方法 砌体结构房屋 除了设置圈梁 构造柱 增大截面面积 窗间墙增设钢筋 混凝土柱 增设或扩大扶壁柱 托梁加垫 外包钢法 外套钢筋混凝土墙法等 传统加固措施外 还有一些新型的加固措施 下面就简单介绍一些加固方法 3 1 斜拉筋加固法 兰州理工大学的宋彧 原国华等于 2008 年对斜拉筋加固砌体结构抗震性能 做了试验研究 3 该试验运用有限元分析软件 Ansys10 0 对 1 片无筋的普通 砖砌体和 4 片斜拉筋加固的砖体 其中 1 片砖砌体采用预应力加固 进行了非线 性有限元分析 试件设计参数如表 1 所示 表 1 试件设计参数一览表 通过对试验结果的分析表明 GQ 8 GQ 12 GQ 16 YGQ 12 与 WGQ 相比 抗剪承载力分别提高了 15 18 42 48 试件最大变形量分别提高了 12 48 68 78 即 加斜拉筋能够提高墙体的承载能力和延性 施 加预应力后 墙体延性提高更为显著 斜拉筋加固砖砌体能够增加墙体的抗侧移能力 提高墙体的水平极限承载 力 增强墙体的整体性 a WGQ b GQ 8 c GQ 12 d GQ 16 e YGQ 12 图 1 试件的滞回曲线 由图 1 中试件的滞回曲线可以看出 试件 WGQ 的塑性变形量小 滞回环接 近线性 图形比较窄 与其它滞回环相比 面积较小 表明结构的抗震性能较 差 结构破坏呈脆性 用斜拉筋加固后的试件随着配筋量的逐渐增加 墙体刚 度较试件 WGQ 逐渐增大 滞回环面积也较试件 WGQ 逐渐增大 耗能能力逐渐得 到改善 抗剪能力逐渐提高 预应力试件耗能效果在五个构件中最好 Mustafa Taghdi 等人于 2000 年也做过斜拉筋加固砌体结构的试验 18 该 试验共设置 4 片墙体 分别编号为 Wall 9 Wall 9R Wall 10 和 Wall 10R 其中 9 和 9R 是砌体墙体内不加筋 10 和 10R 砌体墙体内加筋 R 表示墙体外部 用斜拉筋加固 墙体的滞回曲线如图 2 所示 a Wall 9 和 Wall 9R 的滞回曲线 b Wall 10 和 Wall 10R 的滞回曲线 图 2 试件的滞回曲线 由图 2 可以看出 斜拉筋加固后的墙体延性和耗能能力明显得到很大的改 善 而且墙体内加筋的墙体延性和耗能能力改善更为明显 3 2 FRP 加固法 采用 FRP Fiber Reinforced Plastic Polymer 片材对砌体结构进行抗震加固 已经成为一种新型的砌体加固方式 FRP 加固混凝土结构的研究于 20 世纪 80 年代末在美国 日本等发达国家展开 近年来中国也进行了大量的试验研究 并取得了不少研究成果 在大量试验研究的基础上 中国颁布了 碳纤维片 材加固修复混凝土结构技术规程 CECS146 2003 而 FRP 加固砌体结构技术 目前在国际上仍处于试验研究的初始阶段 建筑工程加固中常用的 FRP 材料有三类 玻璃纤维 CFRP 碳纤维 GFRP 和芳纶纤维 AFRP 这三种纤维复合材料各有其特点 CFRP 强度高 模量高 耐腐蚀性好并有利于智能化 是目前加固修复工程中用量最高的材料 但价格比较昂贵 GFRP 相对于 CFRP 强度及模量较低 但延伸率较大 并且 价格便宜 产品规格较多 市场供应充足 AFRP 具有断裂伸长率大 密度小 不导电 无磁性和柔韧性好等特点 根据 FRP 的特点及砌体结构的特点合理选 用 FRP 片材 既能得到良好的加固效果 又能获得较好的经济效益 Schwegler 24 于 1994 年较早提出和研究了采用碳纤维片材对砌体结构进行 抗震加固 试验将碳纤维布粘贴于足尺砌体墙构件表面 对加固后的墙体进行 平面内和平面外循环加载 试验结果表明此项技术用于砌体结构抗震加固是非 常有效的 并且在试验的基础上建立了碳纤维片材加固墙体平面内受力行为分 析模型 M R Valluzzife 25 对 FRP 片材加固砌体抗剪性能进行了试验研究 试 验采用三种 FRP 布对墙体进行单 双面加固 研究了 FRP 种类 粘贴方式及层 数对加固效果的影响 并提出了 FRP 加固砌体抗剪承载力计算公式 试验结果 显示 双面加固效果好于单面加固 对角线粘贴方式好于栅格型加固方式 以上是国外的一些研究情况 国内近年来也开展了相关的研究 但国内的 研究主要集中于墙体平面内抗剪 抗震 性能方面 下面通过天津大学赵彤等对 碳纤维布加固砖砌体的试验研究 了解一下碳纤维布加固砌体的性能 4 6 表 2 为赵彤等于 2002 年所做的通过碳纤维布加固修复砖砌体的研究实验结果的 总结分析 可以清楚的看出 FRP 加固砌体后 墙体的承载力 开裂荷载 极限 荷载 的变化情况 表 2 试件的设计参数及试验结果 注 其中 W1 为参照墙 W2 W3 W4 的布宽分别为 30cm 20cm 10cm 加固方案均为 X f1 f2 分别为实测的砖块体与砂浆的平均抗压强度 荷载及位移试验值为正反两方 向实测值的平均值 提高程度 是各试件相对同条件下未补强加固试件而言 由表 2 可以看出 粘贴碳纤维布的加固方法可以提高构件的抗裂能力 并且 使 用碳纤维布幅越宽 其开裂荷载 极限荷载 提高得越多 由下图 3 可以看出 碳纤维布加固墙体的滞回环明显较未加固墙的滞回环 更饱满 且随着使用的碳纤维布宽度的增加 耗能能力逐渐增强 a W1 b W2 c W3 d W4 图 3 试件的滞回曲线 我的师兄刘喜中于 2010 年的硕士毕业论文中做了 村镇住宅碳纤维布减震 技术研究及有限元分析 的研究 9 文中运用有限元分析软件对砖砌体结构单 元进行建模 应用不同的单元来模拟不同的材料 然后对整个构件进行加载 通过有限元通用软件对纯砖砌体墙体 设置碳纤维布墙体和构造柱墙体三种墙 体有限元模型进行建模分析 模拟在静力试验下碳纤维布对砖砌体墙体所起到 的作用 根据所得的荷载 位移曲线并对比三条曲线的特征 可以得出碳纤维 布可以有效的降低构件的极限位移 提高墙体的整体性 另外 运用有限元软 件对两层砖砌体结构房屋进行建模 并对其进行模态分析和动力时程分析 可 以证明碳纤维布加固砖砌体结果可以很好的提高结构的抗震能力 今年毕业的师兄徐嵩山 做的也是碳纤维布加固村镇砌体房屋的试验研究 10 文中通过对两组不同高宽比的 8 个缩尺的砖砌墙体试件 其中两个对比 墙体试件 四个纤维布加固墙体试件 两个构造柱加固墙体试件 进行拟静力 作用下的抗震性能试验研究 具体分析三种不同的纤维布粘贴方式 两面一层竖 向粘贴 两面两层竖向粘贴 三面一层竖向粘贴 加固砌体墙体在模拟地震荷载 作用下的破坏形态 承载力 位移 滞回特性 变形 刚度退化 耗能能力 提出了一种新型的竖向粘贴纤维布 横向粘贴纤维布锚固压条的加固砌体结构的 新方式 并验证了其有效性 同时验证了碳纤维布加固砌体结构能够有效提高 墙体的承载能力 延性和耗能能力 3 2 预应力加固法 预应力砌体不同于配筋砌体 配筋砌体是将砌体和钢筋简单组合 两者各 自发挥其作用 偏向于对结构抗压承载力的提高 预应力砌体则是将砌体与钢 筋 能动 的结合在一起 从而使两种材料都能很好的发挥其性能 砌体属于 脆性材料 通过预压力的施加 其抗压能力并未受损 而抗弯及抗剪承载力明 显提高 预应力加固法一般应用于加固历史遗迹 这是由于人们对预应力加固砌体 结构性能的了解 预应力加固砌体也是最近几年才开始研究 预应力中一般应 用钢绞线 但是钢绞线容易产生预应力松弛 而且容易锈蚀 纤维增强塑料解 决了这一难题 是一种很有前景的材料 21 为此国内外众多学者在预应力砌 体结构受力性能的试验研究和工程应用方面作了巨大努力 致使古老的砌体结 构在适应现代社会发展中焕发出新的青春和活力 22 尽管我国规范中还未涉及预应力砌体结构方面的内容 但对预应力砌体的 研究仍有所开展 1994 年哈尔滨建筑大学进行了预应力砌块剪力墙在单调水平 荷载下的抗震性能的试验研究 结果表明 预应力砌体比非预应力砌体的开裂 荷载提高 20 左右 抗剪承载力提高 50 左右 极限荷载时的位移增大 40 60 墙片破坏形态发生明显变化 预应力墙片的材料性能发挥较充分 1995 年至 1998 年期间 重庆建筑大学骆万康教授对配置预应力筋的开洞和不 开洞砖墙的抗震性能进行了试验研究 12 13 并对集中式预应力砖墙的抗震 设计提出了建议 14 实验结果表明 即使施加极低的预应力 0 0852Mpa 预 0 0 应力对墙体产生的初始压应力 无洞预应力墙较非预应力墙开裂荷载提高 31 极限荷载提高 24 开裂位移增大 33 开洞预应力墙施加 0 14lMPa 0 和 o 282MPa 的不同预应力情况下 较非预应力开洞墙开裂荷载分别提高 27 0 和 41 极限荷载提高 18 和 60 延性比提高 8 和 25 相比之下 施加足够 的预应力非但可以补偿开洞对墙体的削弱 还能超过无洞非预应力墙的抗裂和 承载能力 应加强预应力技术在砌体结构这一领域的发展 而且需要做一些试验研究 来支持这一发展 因为砌体结构因其材料的许多特性而在世界各地得到广泛应 用 20 3 4 隔振 减震加固法 隔震结构是在隔震层设置叠层橡胶支座来吸收地震能量 将大地震造成的 激烈的地表运动控制并削弱成为建筑物缓慢平移的结构形式 使地震时作用于 建筑物的地震力明显减弱 15 采用隔震技术对既有建筑物进行抗震加固改造 可以延长建筑结构的自振 周期 降低既有结构和增层结构的地震反应 隔震加固改造的形式分为基础隔 震和层间隔震 有地下室的建筑 其隔震层应设置在地下室的顶部与上部结构 之间 橡胶隔震支座设置在受力较大的位置 其规格 数量和分布 应根据竖 向承载力 侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定 16 近些年来 随着国外隔 震技术的发展 以及相关技术指导和得到了很大的发展 国外的工程科研人员 开始把目光转到了采用抗震加固改造的研究上 国外采用隔震技术对已有建筑 物进行抗实例 美国犹他洲盐湖政府大楼 始建于 1894 年 5 层无配筋砖石 结构建筑 离断层只有 3km 很容易为地震所破坏 该大楼采用了叠层橡胶支 座与铅芯橡胶支座的隔震加固方法 带铅芯的隔震支座安装在建筑的周围 以 减轻扭转振动反应 目前 我国还没有采用该技术加固的工程 消能减震则是通过在建筑物中设置