磚混結(jié)構(gòu)后加構(gòu)造柱抗震加固宿遷

主要工作

1.通過(guò)學(xué)習(xí)規(guī)范，結(jié)合汶川地震的各類砌體結(jié)構(gòu)的震害破壞形態(tài)，分析磚砌體產(chǎn)生破壞的原因，提出對(duì)于磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震應(yīng)以概念設(shè)計(jì)為主先，重視規(guī)范要求。

2.算例來(lái)分析規(guī)范的公對(duì)于各類砌體結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算方法，特別是橫墻抗震的方法-底部剪力法，用工程式的正確性。

3.通過(guò)對(duì)原規(guī)范后加構(gòu)造柱部分進(jìn)行分析、修正，提出新型的后加嵌入式構(gòu)造的加固技術(shù)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其施工工法。課題研究目的

課題的研究目的：提高結(jié)構(gòu)的整體性能，防止磚混結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性垮塌，確保地震中人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

工程應(yīng)用價(jià)值

開(kāi)展本課題研究，可以有效提高磚混砌體結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，可以有效防止地震時(shí)結(jié)構(gòu)體系的垮塌，有效避免人員過(guò)大傷亡，因而其研究具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值；另外，對(duì)于震后損傷磚混砌體結(jié)構(gòu)體系的抗震加固，可以有效節(jié)約成本，提出實(shí)用型加固技術(shù)對(duì)于快速恢復(fù)災(zāi)后重建也有重要的戰(zhàn)略意義,提出實(shí)用型加固技術(shù)。國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，處于世界地震活動(dòng)頻繁兩條地震帶間，分布范圍十分廣泛。90年代以后，我國(guó)科研工作者才對(duì)抗震鑒定與加固分析工作的認(rèn)識(shí)上升到一個(gè)新的高度。在加固方法的研究上，除了擴(kuò)大截面法、粘鋼法和外包鋼法等傳統(tǒng)的加固方法之外，近年來(lái)大力開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力加固方法和碳纖維加固方法的研究，并取得顯著的成效。但由于對(duì)磚混砌體結(jié)構(gòu)體系抗震性能認(rèn)識(shí)的不足，磚混結(jié)構(gòu)的整體性和抗垮塌問(wèn)題值得深入研究，尤其是經(jīng)歷5.12大地震的慘痛教訓(xùn)之后，開(kāi)展這一課題的研究就具有更重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。研究的主要內(nèi)容

主要分析影響磚混結(jié)構(gòu)整體性的主要影響因素，研究增強(qiáng)磚混結(jié)構(gòu)整體性的加固方法，提高磚混結(jié)構(gòu)的整體性，保障磚混結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，著重考慮后加構(gòu)造柱加固技術(shù)。

汶川地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)震害初步分析

震害表明：強(qiáng)烈地震作用下，多層砌體房屋的破壞主要是（1）墻身破壞（2）附屬構(gòu)件破壞（3）構(gòu)件間的連接處破壞。而樓蓋、屋蓋本身因?yàn)閺?qiáng)度的破壞不多，主要是因連接不牢而坍塌，或因墻倒而發(fā)生垮塌，當(dāng)縱橫墻連接不牢或板墻聯(lián)系較差時(shí)，往往也會(huì)因樓板從橫墻滑脫而掉落，有時(shí)會(huì)發(fā)生外縱墻整片外閃而全部倒塌。汶川地震以墻的破壞以及空心板的垮塌所帶來(lái)的震害為主。墻體產(chǎn)生X型裂縫或水平縫，預(yù)制空心板因整體連接不好而塌。

地震作用主要是水平地震力的影響：多層砌體及多層內(nèi)框架房屋在地震水平力沿房屋橫向作用時(shí)，水平地震力將通過(guò)樓蓋傳給橫墻，這時(shí)橫墻主要受剪切，當(dāng)某一橫墻所受的剪力超過(guò)砌體本身的抗剪承載力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生斜裂縫或反方向水平力作用下的斜裂縫，即交叉裂縫；當(dāng)?shù)卣鹚搅ρ胤课菘v向作用時(shí)，水平地震力將通過(guò)樓蓋傳給縱墻，如果窗間墻很寬，縱墻仍以剪切破壞為主，如果窗間墻很窄，縱墻將可能壓彎破壞。對(duì)于大量的村鎮(zhèn)建筑，以一層磚混結(jié)構(gòu)居多，屋蓋大多數(shù)為木檁條小青瓦屋面、少數(shù)為預(yù)應(yīng)力混凝土圓孔板，當(dāng)水平地震力沿房屋橫向時(shí)，由于房屋的空間作用，一部分地震力會(huì)通過(guò)屋蓋傳給橫墻或山墻，還有部分傳給縱墻，橫墻（或山墻）以剪切破壞為主，縱墻以壓彎破壞為主。對(duì)于概念設(shè)計(jì)的理解

地震的破壞作用和結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理十分復(fù)雜，用真實(shí)的建筑物進(jìn)行整體試驗(yàn)來(lái)研究地震的破壞又受到限制，精確計(jì)算是艱難的，70年代后，人們提出了“概念設(shè)計(jì)”，它比“數(shù)值設(shè)計(jì)”更重要，概念設(shè)計(jì)是指正確的解決總體方案，材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理的抗震效果，它要考慮以下因素：場(chǎng)地條件和土的穩(wěn)定性，建筑平立面布置的合理性及外形形態(tài)，抗震體系的選擇，抗側(cè)構(gòu)件的布置及質(zhì)量分布，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體的關(guān)系，二者間的聯(lián)結(jié)，材料的選擇和施工質(zhì)量等。掌握概念設(shè)計(jì)，將有利于明確抗震思想，較好的運(yùn)用規(guī)范，但也決不是不重視數(shù)值設(shè)計(jì)。

根據(jù)概念設(shè)計(jì)原理，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵守下列基本要求：

1.選擇對(duì)抗震有利的場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)

2.選擇有利于抗震的平面和立面布置

3.選擇技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上合理的抗震結(jié)構(gòu)體系4.抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)有利于抗震5.保證結(jié)構(gòu)整體性，并使結(jié)構(gòu)和連接部位具有較好的延性6.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)有可靠的連接和錨固7.注意材料的選擇和施工質(zhì)量

多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震計(jì)算理論與加固研究

多層砌體房屋的破壞主要是由水平地震作用引起的，對(duì)于多層砌體房屋的抗震計(jì)算，一般只考慮水平地震作用的影響，而可不考慮豎向地震作用的影響。水平地震作用驗(yàn)算步驟為（1）計(jì)算重力荷載的代表值（2）計(jì)算水平地震作用力（3）計(jì)算各層的地震剪力（4）驗(yàn)算各橫墻的抗震承載力，下面公式為地震力的計(jì)算：FEK＝α1Geq其中地震影響系數(shù)是根據(jù)國(guó)內(nèi)外在地震中對(duì)地面的加速度的記錄及地震反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)分析，采用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線作為設(shè)計(jì)依據(jù)（5）對(duì)于多層砌體結(jié)構(gòu)，底框，多層內(nèi)框，地震影響系數(shù)取水平影響系數(shù)的最大值（6）高不超40米，以剪切變形為主且建筑質(zhì)量的分布和剛度沿高度變化均勻的結(jié)構(gòu)，單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法進(jìn)行地震力的計(jì)算。

地震時(shí)，多層砌體房屋的破壞主要是由水平地震作用引起的，汶川地震的大部分砌體的震害已說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，對(duì)于多層砌體房屋的抗震計(jì)算，一般只考慮水平地震作用的影響，而可不考慮豎向地震作用的影響。當(dāng)多層砌體房屋的總高度不高，高寬比不大于規(guī)范規(guī)定時(shí)，由整體彎曲而產(chǎn)生的附加應(yīng)力不大。因此，可不作整體彎曲驗(yàn)算，而只需驗(yàn)算房屋在橫向和縱向水平地震作用的影響下橫墻和縱墻在其自身平面內(nèi)的抗剪能力。磚混結(jié)構(gòu)無(wú)構(gòu)造柱震害分析

歷次震害表明，磚混結(jié)構(gòu)房屋受地震破壞最為嚴(yán)重。1976年的唐山地震，在一千余棟磚混房屋中，倒塌率為70%～90%；1991年的新疆柯坪地震，1993年的云南普洱地震，磚混房屋的破壞率達(dá)到75%。無(wú)構(gòu)造柱的磚房受到10度地震的作用，就有80%倒塌。有構(gòu)造柱的磚房在10～11度地區(qū)，卻只有嚴(yán)重破壞的及部分倒塌（有兩棟僅無(wú)構(gòu)造柱部分倒塌）。

在地震中磚混在結(jié)構(gòu)中水平地震作用下，墻體會(huì)產(chǎn)生X形裂縫，有的墻體沿有的會(huì)將磚塊間斷，如果沒(méi)有圈梁，構(gòu)造柱的約束，裂縫會(huì)很快延伸擴(kuò)展，最終使墻體剪壞，突然倒塌，造成房屋局部或全部倒塌磚墻齒縫發(fā)展。

X形交叉斜裂縫是由于墻體抗剪能力不足造成的，屬于主拉應(yīng)力超過(guò)砌體強(qiáng)度所引起的剪切破壞現(xiàn)象，交叉斜裂縫一般出現(xiàn)在房屋的1-3層的承重橫墻以及縱墻。開(kāi)裂嚴(yán)重墻體出現(xiàn)砂漿被震松、墻體被壓酥的情況，已經(jīng)基本喪失了承載力。缺少構(gòu)造柱導(dǎo)致縱墻上產(chǎn)生的X裂縫無(wú)構(gòu)造柱室內(nèi)窗戶出現(xiàn)剪切裂縫

在地震時(shí)構(gòu)造柱和圈梁起著約束墻體的作用和防止墻體開(kāi)裂后砌塊散落，同時(shí)增加了建筑的整體性，同時(shí)變形大的砌塊墻體受到變形較小的構(gòu)造柱的有利約束。增強(qiáng)了內(nèi)外墻聯(lián)結(jié)的整體性，而且形成了一個(gè)圈梁與構(gòu)造柱形成組成的帶鋼筋混凝土邊框的抗側(cè)力體系，大大提高機(jī)構(gòu)的抗變形能力。底層完全垮塌，上兩層被甩了出去，由于圈梁和構(gòu)造柱，上兩層嚴(yán)重變形但沒(méi)有解體僅存的磚混結(jié)構(gòu)是由于有圈梁和構(gòu)造柱

有構(gòu)造柱震后沒(méi)有倒塌

磚混結(jié)構(gòu)中構(gòu)造柱的作用

a)它可加強(qiáng)縱橫墻間的連接。

b)構(gòu)造柱的設(shè)置是為了加強(qiáng)房屋整體性能而設(shè)的，由于構(gòu)造柱的鋼筋混凝土材料的彈性模量比砌體材料的彈性模量大，故在豎向荷載作用下，混凝土構(gòu)造柱的變形比砌體要小，同時(shí)在混凝土構(gòu)造柱和墻體的聯(lián)結(jié)作用下，變形大的砌塊墻體受到了變形小的構(gòu)造柱有利約束。

c)它可提高磚砌體的抗剪能力，雖然提高的比例不是很大，試驗(yàn)表明：能提高磚體的抗剪承載力約為10～30%（提高幅度與墻體的高寬比，豎向壓力應(yīng)力，開(kāi)洞情況等因素有關(guān)）能約束墻體的開(kāi)裂，對(duì)限其裂縫的開(kāi)展，起一定作用。

d)雖然提高抗剪的能力有限，但是對(duì)磚墻墻體的約束和防止墻體開(kāi)裂后砌塊散落能起非常顯著的作用。e)它與圈梁共同作用，加大了建筑物的整體度，類似框架結(jié)構(gòu)，可稱為“弱框架”，對(duì)墻體起了約束作用，墻體的四周處于雙向雙壓狀態(tài)使墻體橫向變形減小，改善墻體受壓的穩(wěn)定性能從而提高墻體的承載能力。一般認(rèn)為可提高10～20%。f)一般認(rèn)為設(shè)置構(gòu)造柱的磚墻延性系數(shù)可比普通磚墻延性系數(shù)提高2～4倍。從而大大改善了磚結(jié)構(gòu)的變形性能，提高了磚結(jié)構(gòu)的抗震能力，可以使磚結(jié)構(gòu)在大地震的作用下，做到裂而不倒。

后加嵌入式構(gòu)造柱產(chǎn)生的原因

在砌體抗震加固中，不同于外加構(gòu)造柱，在墻體內(nèi)適宜部位設(shè)置的鋼筋混凝土柱并與圈梁連接，共同加強(qiáng)建筑物的穩(wěn)定性，這種鋼筋混凝土柱稱為后加嵌入式構(gòu)造柱。后加構(gòu)造柱改造技術(shù)，即是指為了提高其抗震承載能力，對(duì)已建無(wú)圈梁構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)，位于結(jié)構(gòu)合理的部位增設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱的施工技術(shù)，其技術(shù)在磚混結(jié)構(gòu)整體抗震加固中的應(yīng)用已久?！对O(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T13-94）中所錄用的后加構(gòu)造柱改造技術(shù)部分，后加構(gòu)造柱指在原房屋外部增設(shè)混凝土構(gòu)造柱，其增設(shè)的構(gòu)造柱通常是捆綁在原建筑外側(cè)，嚴(yán)重影響了原建筑風(fēng)貌，并且顯得過(guò)于笨重，影響建筑美觀。為了盡可能地保持原有的建筑風(fēng)貌，應(yīng)將后加混凝土構(gòu)造柱嵌入原砌體結(jié)構(gòu)墻體中，隨著加固施工工藝的進(jìn)步，加固所使用材料的發(fā)展，目前的施工技術(shù)完全可以做到，此時(shí)若再按部就搬地運(yùn)用規(guī)程中所錄用的后加構(gòu)造柱加固處理方法就顯得有些久妥。a）切割、鉆孔技術(shù)的發(fā)展

砌體結(jié)構(gòu)抗震加固工程中所采用的后加構(gòu)造柱改造技術(shù)施工方法，使用到的切割、鉆孔機(jī)具獲得的技術(shù)更新，所用機(jī)具朝著輕型、便捷、操作方便等方面發(fā)展，基本上可根據(jù)加固設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念方法，選取合適的切割、鉆孔機(jī)具，在原房屋墻體上切出有利形狀的溝槽。(1)切割機(jī)具

圖2液壓墻鋸系統(tǒng)

圖3鉆石鏈鋸系統(tǒng)（2）鉆孔機(jī)具

a)b)c)圖4電錘具系列

后加構(gòu)造柱施工時(shí)，一方面可根據(jù)抗震加固設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用此部分墻體切割機(jī)具在砌體結(jié)構(gòu)墻體外側(cè)需要增設(shè)混凝土構(gòu)造柱部位，切割成鋸齒形或進(jìn)行留槎切割，邊留馬牙槎，邊切割掉原承重砌體墻，留槎切割是為了保證后加構(gòu)造柱與原砌體墻之一通過(guò)機(jī)械咬合達(dá)到共同工作的目的；另一方面采用相關(guān)的鉆孔機(jī)具將墻體打洞，通過(guò)植筋的方法埋入拉結(jié)鋼筋（見(jiàn)圖5后加構(gòu)造柱大樣示意），加強(qiáng)后加構(gòu)造柱部分與原砌體結(jié)構(gòu)墻體的聯(lián)結(jié)性能，保證兩者在地震作用下能共同承擔(dān)地震作用效應(yīng)。b)新材料的發(fā)展——干拌自密實(shí)混凝土應(yīng)用

干拌自密實(shí)混凝土是免振搗自密實(shí)混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型混凝土，它是以水泥作為基料，以高強(qiáng)度材料作為粗、細(xì)骨料，輔以高流態(tài)、微膨脹、早強(qiáng)性、抗?jié)B性抗離析等摻和料配制而成的一種具有較好抗裂性能的新型復(fù)合材料。它是機(jī)械設(shè)備安裝、結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)及防油防滲工程的理想材料，保證在灌漿地充分填充工作空間，并提供適當(dāng)?shù)呐蛎洃?yīng)力；保證設(shè)備安裝定位、結(jié)構(gòu)修補(bǔ)或栽筋錨固在一天內(nèi)完成，大大縮短了施工周期，達(dá)到省工、省時(shí)、早運(yùn)轉(zhuǎn)或早投入使用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

。干拌自密實(shí)混凝土除具有普通混凝土相關(guān)良好性能以外，與普通混凝土相比還有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）早強(qiáng)高強(qiáng)：1~3天強(qiáng)度可達(dá)到30~50MPa以上，灌漿后24h即可拆模。（2）高自流性：具有高自流性，現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢杓纯墒褂?，不需振搗便可填充全部間隙。（3）微膨脹性：灌漿后無(wú)收縮，保證后澆混凝土構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)緊密接觸。

干拌自密實(shí)混凝土的出現(xiàn)，使得后加嵌入式構(gòu)造柱成為一種可能。按照設(shè)計(jì)要求，在原砌體承重墻上開(kāi)槽后，綁扎后加構(gòu)造柱鋼筋，立模后，灌入干拌自密實(shí)混凝土，其能充分填充模板與原磚墻之間的空隙，保證后澆混凝土與原砌體墻體能緊密接觸，確保遭遇地震時(shí)，后加構(gòu)造柱能有效地與原砌體墻協(xié)同工作。C）使用要求的需求

磚混結(jié)構(gòu)是我國(guó)中小學(xué)建筑的主要結(jié)構(gòu)類型之一，從60，70年代的唐山地震，海城地震，東川地震到80，90年代的云南祿勸地震，云南普洱地震，包頭地震到最近的四川汶川地震等歷次破壞性地震中，磚混結(jié)構(gòu)都遭到不同程度地破壞，造成了一定程度的生命財(cái)產(chǎn)損失。我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，各省市發(fā)展不平衡，中小學(xué)校舍雖然經(jīng)過(guò)了“校改”，“雙基”等幾次大的建設(shè)后，經(jīng)濟(jì)較好的地區(qū)有了較大的改觀。但是，偏遠(yuǎn)山區(qū)和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)中小學(xué)校舍沒(méi)有根本轉(zhuǎn)變。近幾年，國(guó)家建設(shè)部，教育部三令五申要求加強(qiáng)中小學(xué)校舍建設(shè)，各級(jí)部門作出了不懈的努力，收到了一定成效。但在每年組織對(duì)中小學(xué)校舍質(zhì)量，安全大檢查中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)村中小學(xué)校舍質(zhì)量仍令人擔(dān)憂。后加嵌入式構(gòu)造柱的抗震性能

在砌體結(jié)構(gòu)房屋抗震加固工程中，后加構(gòu)造柱設(shè)置措施是為了加強(qiáng)整體性能而設(shè)的，其作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）可以大大提高砌體墻的極限變形能力，使砌體墻在遭遇地震強(qiáng)烈的地震作用時(shí)，雖然砌體墻體開(kāi)裂嚴(yán)重但不至于突然倒塌傷人。

2）墻體開(kāi)裂以后，后加構(gòu)造柱能夠有效地約束破碎的三角形砌體脫落坍塌，即使在構(gòu)造柱自身上下端出現(xiàn)塑性鉸后，也能阻止破碎砌體的坍塌。

3）后加鋼筋混凝土構(gòu)造柱不僅增強(qiáng)了內(nèi)外墻聯(lián)結(jié)的整體性，而且形成了一個(gè)由圈梁和構(gòu)造柱組成的類似框架結(jié)構(gòu)，其抵抗地震損傷的作用效果明顯。所謂的異型構(gòu)造柱，是與矩形截面構(gòu)造柱相對(duì)而言的，比如T型，L型截面的構(gòu)造柱。（見(jiàn)圖5）。圖5后加構(gòu)造柱示意

圖6后加構(gòu)造柱切割示意

從圖5、6可以看出，此種后加嵌入式構(gòu)造柱，不影響原建筑里面形狀，且與傳統(tǒng)的后加構(gòu)造柱的做法相比，由于原建筑結(jié)構(gòu)砌體墻體真正包圍在后加嵌入