砌体结构体外预应力加固技术设计方法及施工实现

蒋　璐

(1.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海　200032；2.上海建科工程改造技术有限公司，上海　200032；3.上海市工程结构安全重点实验室，上海　200032)



砌体结构体外预应力加固技术设计方法及施工实现

蒋璐1，2，3

(1.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海200032；2.上海建科工程改造技术有限公司，上海200032；3.上海市工程结构安全重点实验室，上海200032)

砌体结构体外预应力加固技术具有较好的经济性，是一种十分有效的抗震加固技术，具有广泛的适用范围。根据课题组前期已完成的专项振动台缩尺对比试验成果，在大量阅读相关研究文献的基础上，本文报道了砌体结构体外预应力加固技术的设计计算方法、预应力损失取值、以及预应力筋的锚固、张拉、防护等施工方法，作为该课题的后续研究成果，以便工程技术人员及科研人员参考借鉴。

砌体结构；抗震加固；体外预应力；预应力砌体

0　引言

目前在我国城镇建筑中，砌体结构房屋仍约占有80%以上的比率；而在广大农村，砌体结构房屋是居民住宅的主体。这些房屋大都建于20世纪，由于历史、经济等原因，这些房屋大部分都没有进行合理的抗震设计甚至根本未做抗震设防，难以抵御强烈地震的袭击，需要进行抗震加固。而常用的砌体结构加固方法如粘钢、钢丝网水泥砂浆面层等由于加固费用昂贵，不适于在我国大面积抗震加固中采用，且这些方法在墙与墙竖直交界线以及墙与楼板的水平交界线上，都很难达到加固效果的连续性，同时还存在二次受力的问题[1]。

震害调查表明：在以往地震中，大量砌体墙体因剪切变形而破坏并产生过度的平面内变形，而与之正交的墙体则因平面外变形过大，抗弯能力差而倒塌，随之造成砌体结构的整体坍塌。因此改善砌体结构的抗剪、抗弯性能是减小结构在地震作用下变形，维持结构整体稳定的关键所在。砌体结构的抗压强度高，而抗拉强度弱，其弯曲抗拉强度通常不及其抗压强度的5%[1]。倘若对墙体施加一个适当的预压力，由预压力来抵消地震作用下墙体中产生的拉应力，不仅可以克服上述弱点，减少墙体开裂，还可显著改善砌体结构的抗震性能。

基于此，课题组提出了砌体结构体外预应力抗震加固技术，并于2010年在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了专项振动台缩尺对比试验，有效地验证了砌体结构体外预应力加固技术的有效性[2-4]。作为该课题的后续研究成果，本文报道了砌体结构体外预应力加固技术的优缺点、适用范围、设计计算方法及预应力损失的取值，并对体外预应力技术的施工实现作出了指导。

1　体外预应力加固砌体结构技术[1-4]

本技术系在墙体两侧(贴紧墙体)从基础到屋顶压顶梁，按照类似砌体结构构造柱的平面分布要求埋设并张拉预应力筋(预应力筋需事先进行防火、防腐处理)，使墙体在交角处和主要受力段受到预压力。预压力提高墙体的抗剪强度，也抵消因水平地震作用产生的弯矩或竖向地震作用在墙体中产生的拉应力，减少墙体开裂，从而避免墙体因水平开裂而丧失抗剪能力。体外预应力加固砌体结构示意见图1。

图1　体外预应力加固技术示意图

对于多层砌体结构而言，各层墙体受压状态有所不同：下部墙体由于自重压力大，可施加的预应力相对较小，由预压力带来的抗剪强度提高有限。而下部墙体地震剪力往往较大，因此可在下部附加柔性交叉斜拉杆来增强墙体的抗剪能力。而上部墙体由于自重压力小，墙体抗压承载力有较大余量，可以大幅度施加预应力。此时，通过在上、下墙体分界处的楼面圈梁上设置一组“分级键”来解决上、下墙体分级施加预应力的问题，分级键设置位置见图1(a)中所示。分级键见图1(c)，为一组设于圈梁处的倒形钢部件，两片竖向钢板贴于圈梁两侧，并用化学螺栓固定；水平向钢板开孔，便于预应力筋穿过。墙体上、下层预应力筋用套筒进行连接。

分级张拉时，可遵循如下步骤：首先，在屋顶处用液压张拉器张拉预应力筋直至达到下层墙体预应力筋所需的拉力值，然后拧紧预应力筋上位于分级键水平钢板顶部和底部的4个螺母，使得该处成为施加预拉力的一个节点，这样下层墙体预应力筋的应力就被锁定了；然后，在屋顶处继续张拉预应力筋直至达到上层墙体预应力筋所需的拉力值，依次类推，最后在顶部拧紧螺母固定，即实现了对上下各层墙体的分级张拉。需要说明的是，分级键的刚度应该足够大，以保证在张拉上部墙体预应力筋时不至对下部墙体预应力筋的应力造成过大的影响。此外，施加预应力后，墙体由自重和预应力产生的总压力值不得超过砌体抗压强度。

砌体结构传统加固方法大都在原结构上直接增设附加材料或构件来分担地震力，从而达到抗震加固目的[5]。相对于传统加固技术而言，砌体结构体外预应力加固技术可根据原结构各层墙体受压状态不同的特点采用分级张拉对策，充分发挥各层墙体的抗压能力，且很少增加结构自重；此外，加固效果在竖向连续，不存在二次受力问题，无需在加固前对原结构进行卸载。

2　体外预应力加固砌体结构计算方法

2.1预应力损失

同预应力混凝土一样，施加于砌体墙体上的预应力，也会逐渐减小。从预应力施加和传递一开始，以及在整个使用期间内，预应力都会产生损失。由于本文所报道的体外预应力技术对砌体结构进行抗震加固与传统的预应力砌体技术存在一定的区别，目前尚无工程实例或试验结果可供参考来预测预应力损失，因此只能在过去人们对后张法预应力砌体研究的基础上对该技术的预应力损失做出一个保守的预估。

在预应力砌体结构中，预应力损失通常由：①预应力筋的松弛，②砌体的弹性变形，③砌体的收缩变形，④砌体的徐变，⑤锚具的回缩，⑥温度和湿度改变，⑦预应力筋与砌块的摩擦等7项组成[6]。以上预应力损失中：②可由重新施加预应力来补偿；采用后张法施加预应力，能够使⑤减到最小；另外，预应力筋采用直线形，并且布置在墙体外侧，几乎不存在⑦损失。所以对于预应力砌体结构来说，主要以①和④损失为主。关于预应力损失的取值，文献[6]中建议烧结黏土砖砌体为20%左右，混凝土砌块砌体为35%左右，至于其它类砌体尚无研究结果；文献[7]则中认为混凝土砌块砌体预应力损失取35%偏于保守，20%即可；而文献[8]中对40根预应力砌体柱的测试结果表明：混凝土小型空心砌块最大损失为0.5 h内损失11%。由于各国试验准则，以及试验所采用的材料不用，因此不同学者所报道的预应力损失也有一定差异。

传统预应力砌体结构通预应力筋被放置在墙体里面，一般在墙体砌筑完毕，待砂浆达到设计强度后就进行张拉。然而，本文所介绍的体外预应力技术，预应力筋在张拉时所需加固的砌体结构已经在使用荷载作用下服役了多年，且预应力筋被放置在外，虽然在外部会做一些必要的保护措施，但保护效果未知。此外，预应力筋在分级键设置处采用套筒连接，分级键的刚度以及套筒都会对预应力产生影响。在上述人们对预应力砌体结构的预应力损失研究成果的基础上，结合本文所提出的体外预应力技术的特点，以下预应力损失将被考虑[1]：(1)由砌体结构长期蠕变效应造成的预应力损失，暂取为20%；(2)由预应力筋松弛所导致的预应力损失(考虑到预应力筋在楼层中及分级键处采用套筒进行连接)，暂取为15%。(3)由其它原因(包括张拉过程中的预应力损失、锚具损失、砌体温湿度改变等等)所造成的预应力损失，暂取为15%。当然，以上预应力损失仅为暂定值。在后续进一步的深入研究中，期望通过工程实测或是试验研究获取更为准确的预应力损失值。

2.2计算方法

我国及其它许多国家的砌体结构规范都采用了库伦破坏理论(式(1))的形式来确定砌体在剪-压复合作用下的抗剪强度，只是所采用的强度fV0和摩擦系数μ不同，式(1)与国内大量试验结果符合程度较好[1]。

(1)

在砌体结构抗剪设计中，采用主拉应力强度破坏理论或库仑破坏理论均可，两者计算结果相差不大，不过由于库仑理论只需引入一个参数μ，使得该方法更为简单，应用更为方便。故本文的砌体结构体外预应力加固计算公式也近似按经典的库仑强度理论(剪-摩型抗剪强度)的形式给出。但需要说明的是，根据本文给出的库仑强度理论形式的公式进行加固设计计算，并不意味着加固后的砌体墙体就对应剪-摩破坏形态。砌体的摩擦系数取0.6[1]，考虑预应力的松弛，乘以折减系数0.8×0.85×0.85=0.57，即各层墙体在地震作用下需施加的预应力可近似由下式确定

(2)

式中，Δσi为各层墙体需施加的预压力；τi为地震作用下各层墙体的剪应力计算值；fVEi为考虑自重作用下的各层墙体抗震抗剪强度。具体计算步骤如下：

(1)计算在竖向设计荷载作用下每层墙体墙根处的压应力值σ0i；

(2)采用底部剪力法计算每层墙体墙根处的地震剪应力τi；

(3)考虑结构自重，按照抗震规范计算每层墙体的在地震作用下的抗剪强度fVEi=ξNifV0；

(4)根据公式(2)，求出每层墙体需增加的压应力Δσi，再根据Δσi的大小来确定各处墙体预应力筋的布置、数量、直径以及需施加的预拉力大小。

2.3底层墙体压力限制确定

假设在自重作用(D+L)下，底层墙体墙根处的压应力为σGK，给墙体施加的体外预应力为Δσ。底层墙体墙根处的总压应力不能超过砌体抗压强度设计值f，则在极限状态时有

Δσ+σGK=f

(3)

即预应力最大时，底层墙体在预应力和自重作用下刚好等于砌体设计强度f。张拉过后，预应力筋松弛，预应力发生损失。于是式(3)变为

Δσ×k+σGK

(4)

即预应力损失后底层墙根处的总压力小于砌体强度设计f，其中k(0

Δσ+σGK≤1.2f

(5)

3　体外预应力技术加固砌体结构施工方法

3.1预应力筋的选取与连接

体外预应力技术中的预应力筋可以选用高强钢丝、钢绞线和高强钢筋(如精轧螺旋钢筋C25)，但根据国外多年的实践经验，竖向后张拉构件建议选择高强钢筋，这是由于体外预应力筋全部暴露在外，使细软的钢绞线或钢丝束的架设变得十分困难，而高强钢筋的刚度较大，不需要太多的临时支撑，且更容易定位，施工操作相对便捷。此外，预应力筋应采用高强钢而不是低碳钢，因为低碳钢会由于徐变产生很大的预应力损失，而高强钢可以在施加预应力的过程中达到高应变，从而使砌体徐变和收缩产生的预应力损失降到最小[6]。另外，选用高强钢，在同样的预拉力下预应力筋的直径会更小，这样可以减少对房屋外观的影响。

当房屋高度较高时，由于运输的需要，预应力筋需要被截断。因此沿房屋高度方向，预应力筋的连接可以采用螺纹套筒连接或焊接，但必须确保有足够的锚固长度，以保证连接处能够有效地传递预拉力。对于设置有分级键的地方，可采用图1(c)所示的连接方式，在上、下层预应力筋两端车螺纹，下部预应力筋穿过分级键和楼板，在楼板上方用套筒与上部预应力筋连接。

3.2预应力筋的锚固

一般预应力筋的上部为张拉端，下部为固定端。上部锚固的主要要求是允许不受约束地施加预应力，并将这个力按照要求分布到周围的砌体上。本技术中上部锚固可在预应力筋的端部车螺纹，套上垫块和螺母，用螺母和螺纹来固定预应力筋，如图2所示。用于上部锚固的垫板应该具有足够的刚度，能够抵抗作用于垫块上的剪应力和弯曲应力，其厚度应该根据计算确定。

预应力筋下部锚固的主要要求是抵抗预应力对锚体的局部作用，锚固必须保证对预应力荷载的抗力不超过锚体的允许粘结应力、剪应力、承压应力等。由于需要加固的建筑既有基础形式已定，因此可根据具体的基础形式确定：当墙体下部为砖基础时，可将基础凿开，预应力筋可用插入墙体下部的槽钢固定，待预应力筋放置就位后，再用微膨胀混凝土浇筑，混凝土中配置适量的钢筋，通过化学植筋法锚入原砖基础中(图3)。当墙体下部为混凝土基础时，若需施加的预应力较小，可直接采用化学植筋法将预应力筋锚入原基础中，植筋长度需经过计算确定；当需要施加的预应力较大时，可在基础上凿孔，预应力筋用锚板固定，待预应力筋放置就位后，再用微膨胀混凝土浇筑，混凝土中配置适量的钢筋(图4)。

图2　预应力筋上部锚固

图3　预应力筋下部锚固(砖基础)

3.3预应力筋的张拉

在给砌体墙体施加预应力时，推荐两种方法，这两种方法都是通过拉伸钢筋挤压垫板产生反作用力从而给砌体施加预应力的，它们的区别在于施力系统的不同。

(1)液压张拉法[9](图5，用于预拉力值较大的情况)。 首先用垫板和垫圈套住预应力筋并拧上螺母，将预应力筋固定就位，然后可采用液压张拉法直接张拉。所施加的拉力值可由张拉器所带的压力计读出。待张拉至油压标定值后，再用扳手将螺母旋紧至垫板的表面，然后卸载油压，移去张拉器即可。液压张拉法精度高，可以很好的适用于预应力筋直径大和长度较大的情况。

(2)使用扭矩扳手[6,10](用于预拉力值较小的情况)。 扭矩扳手系统是采用扭矩扳手旋紧套在预应力筋张拉端螺纹上的螺母，使它压紧垫板以拉伸钢筋的。扭矩扳手带有按所需扭矩预先调好的显示装置，因此可准确地拉伸钢筋及施加所要求的预拉力。

图4　预应力筋下部锚固(混凝土基础，高预应力度)

图5　液压张拉器示意图

3.4预应力筋的防护

由于体外预应力筋全部暴露在外，因此预应力筋的防火与防腐蚀是本体系长期性能的主要考虑因素。预应力筋防火可以采用以下3种方法：

(1)待张拉完毕后，在预应力筋的表面喷涂防火涂料，形成防火保护层。建议采用膨胀型防火涂料，其厚度一般为2～7 mm，耐火极限可达0.5～1.5 h，厚度较薄，对房屋立面外观影响较小。

(2)可采用耐火轻质板材，如石膏板、硅酸钙板、或纤维增强水泥板将预应力筋包裹起来，形成外包层，防止火焰直接与预应力筋接触，这种方法占地空间小，综合造价低。

(3)如图1(b)所示，可在预应力筋处刷一层30～50 mm水泥砂浆(或浇一层细石混凝土)，形成一根构造柱，将预应力筋完全封闭在内，不仅可以起到防火的作用，还可增加墙体的平面外稳定性。但这种方法会对房屋外观造成一定的影响。

预应力筋防腐蚀可采用以下几种措施：

(1)在预应力筋表面刷涂或喷涂非金属保护层，即用涂料将预应力筋表面与周围介质隔绝，防止有害介质对预应力筋的侵蚀。这种方法效果较好，涂料品种较多，且价格低廉，实用性强，操作简单。但非金属涂料耐久性较差，经过一定时期需进行维修。

(2)可以在预应力筋表面喷镀金属保护层，通过电镀、喷镀、化学镀、热度、渗镀等方法，在预应力筋表面形成金属保护膜，隔离预应力筋与腐蚀介质的接触。采取防护层保护的方法，要求对钢材表面进行严格的防锈处理后，才能进行涂装。

(3)当地下水位较高时预应力筋伸入地下与基础锚入的部分，或者对于特别重要的部位，预应力筋可选用不锈钢，或者对预应力筋采取阴极保护。

4　适用范围

体外预应力技术尤其适用于抗压余量较大(一般砌体结构每增加一层，底层墙体的压应力增量约为0.1 MPa)、墙体开洞面积较小、开间尺寸适中(教学楼、办公楼、工业厂房等)的砌体结构。与预应力砌体结构类似，体外预应力技术按照所施加预应力值的大小，也可分为低预应力度和高预应力度两类。低预应力度所需的预应力较小，不需要大型张拉设备，预应力筋的张拉由扭矩扳手施工即可，可适用于以下几种情况：

(1)用于加固独立式(悬臂)墙承受侧向风荷载及集度较大的压力的情况。

(2)对于一般高度和高度较高的单层砌体房屋(其中墙体是独立的或是带支撑的悬臂式)承受风压力时，施加预应力可使墙体从一个只是消极承受荷载的维护墙变为主动的受力结构。

(3)用于提高墙体的抗冲击或抗暴能力。

高预应力度就是需要施加较大预应力的情况，往往需要千斤顶或液压张拉器等大型张拉设备，施工较低预应力度时繁琐。高预应力度可用于多层砌体房屋的加固，当房屋设置有圈梁时，可设置分级键根据各层墙体的实际受压情况分级施加预应力。此外，高预应力度还可用于蓄水池、涵洞、挡土墙等结构的加固。

5　结语

砌体结构体外预应力加固技术是一种十分有效的抗震加固技术，具有广泛的适用范围，尤其适用于抗压余量较大、墙体开洞面积较小、开间尺寸适中(教学楼、办公楼、工业厂房等)的砌体结构。课题组前期已进行了专项振动台缩尺对比试验，作为该课题的后续研究成果，本文系统地报道了砌体结构体外预应力加固技术的设计计算方法、预应力损失取值，预应力筋的锚固、张拉、防护等施工方法，以便工程技术人员及科研人员参考借鉴。

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Design and Construction Method for Masonry Structures Using External Prestressing Techniques for Improving Seismic Performance

Jiang Lu1,2,3

(1.Shanghai Research Institute of Building Sciences (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200032, China;2.Shanghai Jianke Engineering Reconstruction Technology Co.,Ltd, Shanghai 200032, China;3.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, SRIBS, Shanghai 200032, China)

External prestressing is a comparatively economical and very effective strengthening technique for unreinforced masonry structures, and it has extensive application. According to the experimental results of the shaking table model tests completed by our research group before, and based on a large number of studies conducted in the past by various researchers, this paper reports the design and calculation method, the possible prestressing losses considered, and the construction method for masonry structures using external prestressing technique for improving seismic performance. As the follow-up research work of this subject, this paper can be used as a reference for engineers in the future similar experimental studies.

masonry structure；seismic strengthening；external prestressing；post-tensioned masonry

2015-01-04责任编辑:刘宪福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.02

国家“十二五”科技支撑计划(2012BTJ07B04)

蒋璐(1986-),男,博士，工程师，研究方向为结构抗震。E-mail:jlhb2008@126.com

TU362

A

2095-0373(2016)03-0007-06

蒋璐.砌体结构体外预应力加固技术设计方法及施工实现[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):7-12.