CFRP在中小學(xué)校舍砌體結(jié)構(gòu)房屋加固中的應(yīng)用

蔣孝明

汶川地震的慘重?fù)p失給我國(guó)以及世界房屋結(jié)構(gòu)的抗震安全性敲響了警鐘,尤其是在這次地震中有大量中小學(xué)校舍倒塌,造成大量中小學(xué)生遇難,給國(guó)人留下了深刻的教訓(xùn)。2009年5月,國(guó)務(wù)院?jiǎn)?dòng)全國(guó)中小學(xué)校舍安全工程。至2009年10月底,全國(guó)完成了近40萬所中小學(xué),14億多平方米校舍的排查鑒定工作。鑒定結(jié)果顯示,全國(guó)中小學(xué)校舍中有8億多平方米達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn),其中砌體結(jié)構(gòu)占了80%,砌體結(jié)構(gòu)校舍的抗震加固任務(wù)十分艱巨。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)砌體結(jié)構(gòu)房屋抗震加固主要采用增設(shè)構(gòu)造柱、增大柱截面法、粘鋼法、外包角鋼法等一系列方法。面對(duì)如此大面積建筑物的抗震加固要求,按現(xiàn)有的抗震加固方法在加固時(shí)效性和加固的經(jīng)濟(jì)方面均難以滿足要求。

與傳統(tǒng)加固修補(bǔ)方法即鋼筋水泥砂漿加固法相比,粘貼CFRP加固法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在原校舍建筑空間利用率高、耐性好、施工工效高、沒有濕作業(yè),以及加固修補(bǔ)后基本不增加原結(jié)構(gòu)質(zhì)量及原構(gòu)件尺寸,不增加下層結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。本文以浙江省某中小學(xué)校舍砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)為例,綜合考慮了各方面因素選用粘貼CFRP的加固方式,在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上提出了相關(guān)設(shè)計(jì)建議,為實(shí)際加固改造工程的應(yīng)用提供參考。

1 工程實(shí)例

該校舍位于浙江省某市,建于20世紀(jì)80年代,建筑平面大體呈 L形,總長(zhǎng) 36.0 m,總寬25.26 m,主體結(jié)構(gòu)形式為砌體結(jié)構(gòu),地上4層,總建筑面積約為 2 000 m2。標(biāo)準(zhǔn)層層高為 3.5 m,總高為16.0 m。該校舍主樓由縱橫墻和磚柱承重,外承重墻為270 mm厚石墻,內(nèi)承重墻采用240 mm厚實(shí)心磚。樓板采用預(yù)制樓板,磚強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求為不低于MU10,砂漿強(qiáng)度等級(jí)為不低于MU5。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排查鑒定,該校舍砌體主體存在的主要問題如下:

1)校舍北面的窗間墻有一定的斜裂縫和豎向裂縫。2)在內(nèi)承重墻中部分墻體有明顯的階梯形裂縫,抗震承載能力不足。3)在放有托梁的內(nèi)承重墻下由于局部受壓造成的豎向裂縫。4)底層走廊外側(cè)磚柱結(jié)構(gòu)延性較差,部分磚柱有細(xì)微的彎曲水平裂縫。

根據(jù)檢測(cè)鑒定報(bào)告,該校舍砌體墻體滿足抗壓承載力要求,但抗剪承載能力 V0未能達(dá)到抗震要求 Vk,需進(jìn)行抗震加固處理;磚柱上細(xì)微裂縫不影響結(jié)構(gòu)主體安全,但不滿足結(jié)構(gòu)整體延性要求,需要進(jìn)行抗震加固處理。

2 加固設(shè)計(jì)的思路及方法

2.1 窗間墻體裂縫加固設(shè)計(jì)

該校舍北面為具有大開洞的砌體墻,這種大開間、大采光窗的建筑形式,抗震墻面積少,不利于抗震。該砌體墻的裂縫主要分布在門窗洞附近,并呈現(xiàn)出多種開裂形式,主要表現(xiàn)為斜裂縫和豎向裂縫,如圖1所示。對(duì)于此類砌體墻的加固,采用沿洞口周邊粘貼CFRP并在窗洞角部附加錨固碳纖維布條的有效加固方法?？紤]施工方便采用CFRP全墻面貫通的加固方式,如圖2所示。

根據(jù)疊加原理,在用CFRP加固開門窗洞口砌體墻的抗剪承載能力時(shí)計(jì)算公式采用:

其中,VU為加固后砌體墻的極限抗剪承載力;CFRP承受的極限抗剪承載力 VCFRP采用以下計(jì)算公式[1]:

其中,n為CFRP粘貼層數(shù);tC為CFRP的計(jì)算厚度;b為CFRP的寬度;εC為CFRP沿縱向的極限應(yīng)變;?C為CFRP的抗剪承載能力影響系數(shù),取為1.0;EC為CFRP的彈性模量。

經(jīng)計(jì)算,選用CFRP寬 b=300 mm,層數(shù) n=1,滿足抗震加固要求。

2.2 階梯形裂縫加固設(shè)計(jì)

該校舍東西面外承重墻由于受垂直荷載和水平荷載的共同作用,產(chǎn)生沿階梯形截面的裂縫,如圖3所示,還有由于溫度變化不均勻而造成墻體不均勻收縮產(chǎn)生“X”形裂縫。這些裂縫的產(chǎn)生不利于砌體結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。對(duì)于此類砌體墻的加固采用沿砌體墻對(duì)角線粘貼CFRP,并對(duì)上下端進(jìn)行錨固處理的加固方法,如圖4所示。

其中,n為CFRP粘貼層數(shù);tC為CFRP的計(jì)算厚度;b為CFRP的寬度;LC為CFRP粘貼長(zhǎng)度;L為墻體長(zhǎng)度;ε1,ε2分別為CFRP沿縱向,橫向上的極限應(yīng)變;θ為CFRP與水平線的夾角;?C為CFRP的抗剪承載能力影響系數(shù),取為1.0。

經(jīng)計(jì)算,選用CFRP寬 b=350 mm,層數(shù) n=1,滿足抗震加固要求。

CFRP承受的極限抗剪承載力 VCFRP根據(jù)下式得出[2]:

2.3 局部受壓裂縫加固設(shè)計(jì)

在校舍內(nèi)部的部分承重墻由于和梁的接觸面積很小,造成局部壓力過大,產(chǎn)生如圖5所示的裂縫形態(tài)(裂縫上下較細(xì)、中間較寬)。

針對(duì)這種裂縫形式采用十字交叉粘貼CFRP的方式,在裂縫集中的部位加密粘貼,如圖6所示。這樣粘貼的CFRP起到套箍強(qiáng)化的作用,使其周圍未直接受壓的部分像“套箍”一樣阻止其橫向變形使得墊板下的砌體處于三向應(yīng)力狀態(tài),因而使得局部受壓砌體的抗壓強(qiáng)度大為提高。但此種做法只能對(duì)墻體進(jìn)行加固,要改變這種局部受壓的受力特性需要在墻體上部增設(shè)圈梁,并在局部受壓區(qū)設(shè)置磚柱等一系列加固措施。

2.4 磚柱的加固設(shè)計(jì)

校舍底層走廊外側(cè)的磚柱由于沒有和砌體墻連接,磚柱整體的剛度較低、延性較差、抗側(cè)力能力弱,在地震力作用下很容易發(fā)生破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。對(duì)于這種磚柱采用環(huán)向粘貼CFRP進(jìn)行加固處理,環(huán)向粘貼的CFRP就像條形箍一樣,對(duì)軸心受壓磚砌體起到約束作用,使得核心砌體處于豎向壓應(yīng)力及CFRP約束產(chǎn)生的側(cè)向壓應(yīng)力作用下的三向應(yīng)力狀態(tài),提高了磚柱的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)在磚柱上粘貼CFRP可以使得結(jié)構(gòu)的延性大幅提高,提高抗震耗能能力。

3 結(jié)語

1)在施工之前首先需要鏟除原墻抹灰層和面磚,再用注射灌漿的方法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ),最后進(jìn)行粘貼CFRP加固。2)采用粘貼CFRP加固方式可以有效加強(qiáng)砌體墻抗剪和抗拉能力,以提高構(gòu)件的整體抗震性能,同時(shí)不破壞建筑物的外觀造型和內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)。3)沿門窗洞口粘貼CFRP的加固方法,改變了開洞口墻體的初裂位置,保證地震作用下洞口的安全。對(duì)于未開洞墻體,斜向交叉粘貼CFRP可以較好的約束裂縫的開展,保證砌體墻的承載能力和延性,改善墻體裂縫分布形態(tài),提高墻體的抗裂能力。

4)采用粘貼CFRP的加固方法對(duì)砌體墻的整體剛度提高不大,如何在采用粘貼CFRP加固方式的同時(shí)提高構(gòu)件的整體剛度尚需今后繼續(xù)研究。

[1] 谷 倩,彭 波,劉衛(wèi)國(guó).碳纖維布抗震加固開門窗洞口砌體墻片的試驗(yàn)研究與受剪承載力分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,28(1):80-88.

[2] 趙 彤,張晨軍,謝 劍,等.碳纖維布用于磚砌體抗震加固的試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2007,21(2):89-95.

[3] CECS 146∶2003,碳纖維片加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 董華陽,王名臣,鄔 敏.CFRP材料加固混凝土梁的內(nèi)力變形特性[J].山西建筑,2008,34(4):90-91.