UHPC单面无损加固历史建筑砌体墙技术研究

王竹君

(上海建工二建集团有限公司 上海 200090)

0 引言

我国存在着大量亟待加固修缮、保护性改造和再利用的历史建筑。历史建筑的建设时期较早，通常无法满足现行设计规范的要求，加之在长期服役过程中累积了不同程度的损伤，功能退化，需要通过加固修缮的方式，提升其承载能力与抗震能力。但历史建筑的改扩建施工也会对结构本身造成一定的扰动。因此，对历史建筑的加固，不仅要考虑永久使用阶段的要求，还需要考虑施工阶段的影响。

外包钢筋混凝土的增大截面法，是历史建筑砌体墙的一种常规加固方式。这种方法简单经济、技术成熟、应用广泛，却也存在一些不足。例如，钢筋混凝土外包加固时需要在原结构上植筋、设置对穿锚杆，对保护等级较高、要求无损加固的历史建筑不适用；混凝土材料强度和延性有限，加固后墙体抵御变形能力不足；混凝土外包加固厚度较大，影响历史建筑的室内使用面积等。

因此，工程界开始探索替代普通钢筋混凝土的新型加固材料。纤维增强混凝土材料(如超高性能混凝土UHPC、高延性纤维增强水泥基复合材料ECC等)具有高强度、高韧性和高耐久性的特征，是较为理想的加固材料。国内外也对纤维增强混凝土材料在砌体结构加固中的应用做了一些研究[1-5]：

Liu[6]根据UHPC和砌体材料参数进行分析，UHPC加固的墙体抗剪承载力提高了约30%～80%。

上海建工二建集团有限公司与上海理工大学对UHPC加固历史砖墙的力学性能进行了室内试验研究[7]。

现有研究表明，UHPC加固历史建筑砌体墙，可以在对墙体破坏最小化的前提下，提高砌体墙的承载能力和变形能力，改善墙体抗震性能，为砌体结构加固提供了一种良好的方法。但现有针对UHPC加固历史砖墙的研究仍停留在室内试验阶段，实际工程的应用效果仍需进一步探索。本文从现行设计规范、永久使用状态、特殊施工工况和抗震性能等角度出发，研究了UHPC加固历史砖墙的受力性能，为未来的历史建筑加固项目提供经验与参考。

1 工程概况

本文依托上海市黄浦区的某历史建筑街区改造项目，项目内的主要历史建筑为一幢5层的“□”形混合结构。工程对历史建筑进行加固修缮，在历史建筑合围的内部场地新建三层地下室，并采用管幕法施工历史建筑与新建地下室之间的地下连通道，如图1所示。管幕工作井位于历史建筑内部，工作井施工时，为了创造施工空间，需要拆除历史建筑一层的部分砌体承重墙，并在相应的位置采用临时立柱支撑二层墙体。因此，二层砌体墙的加固，除了需要满足永久使用阶段的要求外，还需抵抗地下空间开发、管幕及其工作井施工期间产生的变形和沉降。

图1 需加固的二层墙体概况示意图

历史建筑的二层层高为4.5 m，需要加固的砌体墙长度为13.7 m，如图2(c)所示。砌体墙厚度为240 mm，采用青砖及混合砂浆砌筑。根据鉴定勘察结果，砂浆强度等级为M3，砌块强度等级为MU10。根据《砌体结构设计规范》(GB5003-2011)可推定，砌体的抗压强度设计值为1.34 MPa。考虑轴心抗拉和弯曲抗拉的最小抗拉强度，设计值为0.086 MPa。

二层砌体墙加固的原设计方案为混凝土面层加固，采用60 mm厚度的钢筋混凝土加固面层，如图2(a)所示，混凝土强度C25，配置φ8@200钢筋网片，并在墙中设置φ8的L形锚筋，采用对穿螺杆支模浇筑。

为提高历史建筑砌体墙的加固效果，同时减少对墙面的损伤和室内空间占用，利用UHPC的优异性能，设计了基于UHPC的超薄单面无损加固方案。采用40 mm厚度的UHPC加固面层，如图2(b)所示，钢纤维掺量2%，强度等级C120，不设置钢筋网片。

(a)钢筋混凝土面层加固示意图 (b)超高性能混凝土UHPC面层加固示意图

(c)单面加固的墙体示意图图2 历史建筑砌体墙加固方案

2 设计规范下的加固墙体受压承载力分析

采用平面尺寸3 m×3 m的不同厚度的砌体墙，研究不同厚度的UHPC和钢筋混凝土面层加固后的墙体受压承载力。砖砌墙体抗压强度设计值为1.34 MPa；UHPC抗压强度设计值为120 MPa；C25混凝土抗压强度设计值为16.7 MPa。采用钢筋混凝土面层加固轴心受压的砌体构件，其正截面受压承载力验算[8]：

表1 UHPC加固面层强度利用系数

根据上式，计算出不同厚度的砌体墙在不同材料以及不同加固厚度下的承载力，计算结果如表2和图3所示。

表2 砌体墙受压承载力 kN

图3 砌体墙受压承载力

由受压承载力计算结果分析可得：在同等的加固层厚度下，采用UHPC加固的墙体受压承载力，是普通钢筋混凝土加固的1.4～1.6倍；采用40 mm厚UHPC的超薄单面无损加固方案，砌体墙的受压承载力约是原设计方案(60 mm厚钢筋混凝土加固)墙体受压承载力的1.1倍。因此，在原设计方案能够满足设计要求的前提下，基于UHPC的超薄单面无损加固方案，亦能满足设计要求。

3 永久使用状态的加固效果分析

在结构有限元分析软件Midas Gen中建立大楼的局部模型，用于模拟UHPC加固的砌体墙在永久使用阶段的受力性能。建模范围沿着研究对象向两侧各延伸一跨结构，包括大楼1～4层的混凝土梁、板、柱结构和砌体墙结构，如图4所示。

图4 大楼局部模型(含40 mm厚UHPC加固墙体)

结构所承受的荷载包括：①恒荷载，结构自重G；②活荷载，楼面活荷载L(2.5 kN/m2)。根据《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)[9]，荷载组合取为1.3G+1.5L。根据材料供应商提供的UHPC材料性能参数，材料的抗压强度为120 MPa，抗拉初裂强度(弹性抗拉强度)为9.2 MPa，极限抗拉强度为11.5 MPa，弹性模量为43 GPa，泊松比为0.2，重度为27 kN/m3。墙体在永久使用阶段的位移和应力分析结果，如图5～图7所示。

图5 永久使用状态下UHPC加固墙体的位移云图

图6 永久使用状态下UHPC加固墙体的最大主应力云图

图7 永久使用状态下UHPC加固墙体的最小主应力云图

在永久使用阶段，UHPC加固的砌体墙的最大位移为0.85 mm，最大相对变形为0.78 mm。UHPC的最大主应力为0.30 MPa，未超过UHPC材料的弹性抗拉强度(9.2 MPa)。砌体墙的最大主应力为0.013 MPa，未超过砌体结构抗拉强度(0.086 MPa)，墙体不会出现裂缝。UHPC的最小主应力为6.33 MPa，未超过UHPC材料的抗压强度(120 MPa)，砌体墙的最小主应力为0.274 MPa，未超过砌体结构抗压强度(1.34 MPa)，墙体不会出现受压破坏。因此，UHPC加固的墙体满足永久使用阶段的要求。

4 特殊施工工况下的加固效果分析

除了考虑设计规范和永久使用状态之外，加固的墙体还面临施工过程中的各类特殊工况，包括一层墙体拆除、管幕施工、新建地下室等施工过程引起的变形和沉降。为此，在Midas Gen中建立大楼的局部模型，模拟一层墙体拆除和地下空间开发期间的UHPC加固墙体受力性能，如图8所示。墙体承受的荷载包括：①恒荷载，结构自重G；②活荷载，楼面施工荷载L(5 kN/m2)、管幕施工导致的基础沉降U。根据《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)[9]，考虑施工过程中的两种特殊工况：①一层墙体拆除，荷载组合取为1.3 G+1.5 L；②管幕施工导致的沉降，荷载组合取为1.3 G+1.5 L+U。

图8 一层墙体拆除、地下空间开发阶段的大楼局部模型(含40 mm厚UHPC加固墙体)

在工况①一层墙体拆除情况下，40 mm厚UHPC加固墙体受力计算结果如图9～图11所示。限于篇幅，为图示清晰，仅显示加固墙体部分的分析结果。UHPC加固墙体最大位移为0.71 mm，墙体最大相对变形为0.52 mm。UHPC的最大主应力为1.49 MPa，未超过UHPC材料的弹性抗拉强度(9.2 MPa)；砌体墙的最大主应力为0.065 MPa，未超过砌体结构的抗拉强度(0.086 MPa)，墙体不会出现裂缝。UHPC的最小主应力为4.81 MPa，未超过UHPC材料的抗压强度(120 MPa)；砌体墙的最小主应力为0.21 MPa，未超过砌体结构抗压强度(1.34 MPa)，墙体不会出现受压破坏。

图9 工况①加固墙体位移云图

图10 工况①加固墙体最大主应力云图

图11 工况①加固墙体最小主应力云图

工况②考虑地下空间开发和管幕施工等过程产生的差异沉降。经过分析，当二层墙体下方完全无竖向支撑时，墙体和托换梁的最大挠度为0.64 mm。因此，施工可产生的最大差异沉降为0.64 mm。

当二层墙体下的支撑柱与墙两端的差异沉降小于0.35 mm时，墙体的变形和受力情况如图12～图14所示。UHPC的最大主应力为2.03 MPa，未超过UHPC材料的弹性抗拉强度(9.2 MPa)。砌体墙的最大主应力为0.086 MPa，刚好达到砌体结构的抗拉强度(0.086 MPa)，砌体结构处于开裂的临界状态。UHPC的最小主应力为3.54 MPa，未超过UHPC材料的抗压强度(120 MPa)；砌体墙最小主应力为0.15 MPa，未超过砌体结构抗压强度(1.34 MPa)，墙体不会出现受压破坏。该状态为砌体结构出现裂缝的临界状态，但UHPC加固层内的应力水平仍然较低，结构整体具有较充分的弹性变形空间，安全性满足要求。

图12 工况②加固墙体位移云图(差异沉降0.35 mm)

图13 工况②加固墙体最大主应力云图(差异沉降0.35 mm)

图14 工况②加固墙体最小主应力云图(差异沉降0.35 mm)

当二层墙体下的支撑柱与墙两端的差异沉降在0.35 mm～0.64 mm之间时，墙体的变形和受力情况如图15～图17所示。UHPC的最大主应力为2.53 MPa，未超过UHPC材料的弹性抗拉强度(9.2 MPa)，砌体墙的最大主应力为0.11 MPa，超过砌体结构的抗拉强度(0.086 MPa)，砌体结构发生开裂。UHPC的最小主应力为3.19MPa，未超过UHPC材料的抗压强度(120 MPa)，砌体墙的最小主应力为0.14 MPa，未超过砌体结构抗压强度(1.34 MPa)，墙体不会出现受压破坏。该状态下砌体墙发生开裂，但UHPC加固层内的应力水平仍然较低，结构整体具有较为充分的弹性变形空间，安全性满足要求。

图15 工况②加固墙体位移云图(差异沉降0.64 mm)

图16 工况②加固墙体最大主应力云图(差异沉降0.64 mm)

图17 工况②加固墙体最小主应力云图(差异沉降0.64 mm)

综合以上分析，当历史建筑保护等级要求规定原砌体墙完全不允许出现裂缝时，应控制二层墙体下的支撑柱与墙两端的差异沉降不超过0.35 mm。在地下空间开发产生的差异沉降下，墙体的最大挠度为0.64 mm，此时砌体结构会产生裂缝，但UHPC仍处于弹性受力状态，结构整体具有良好的承载和变形能力。

5 抗震性能分析

通过建立大楼整体模型，对结构进行抗震分析，施加的荷载包括0.4 kN/m2的风荷载、2.5 kN/m2的活载以及结构自重，如图18所示。

图18 大楼整体模型(含有40 mm厚UHPC加固的历史砖墙)

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)，上海地区的地震设防烈度为7度，II类场地。抗震验算结果如表3～表4所示，大楼的最大平均层间位移角为1/678，小于层间位移角限值1/550。侧向刚度规则。可知，UHPC加固砌体墙后的大楼满足抗震设计要求。

表3 层间位移角验算结果

表4 层间刚度比与层间剪力验算结果

6 结语

本文以实际工程为依托，从现行设计规范、永久使用状态、特殊施工工况和抗震性能等角度，研究和分析了UHPC超薄无损加固历史建筑砌体墙的受力性能，得出以下结论:

(1)通过规范设计计算，40 mm厚度的UHPC加固砌体墙，其受压承载能力优于60 mm厚混凝土加固砌体墙。在原混凝土加固方案能满足设计要求前提下，UHPC超薄无损加固方案亦能满足设计要求。

(2)考虑永久使用阶段的荷载情况，UHPC加固的砌体墙应力均在弹性范围内，墙体不会出现受压或受拉破坏。

(3)通过分析UHPC加固的砌体墙在一层墙体拆除、新建地下室、管幕施工等特殊施工工况下的结构响应，可知当历史建筑保护等级要求原砌体墙完全不允许出现裂缝时，需要严格控制二层墙体下的支撑柱与墙两端的差异沉降。在地下空间开发产生最大差异沉降情况下，砌体结构会产生裂缝，但UHPC加固面层仍处于弹性受力状态，结构整体具有良好的承载和变形能力。

(4)抗震分析中，根据层间位移角、层剪力和剪重比、侧向刚度不规则验算的结果可知，采用UHPC加固砌体墙后的大楼，整体抗震性能满足要求。

综上，采用UHPC加固历史建筑的砌体墙，能够在保证结构安全的前提下，有效减少加固面层的厚度，提高室内空间使用率。同时，UHPC加固的砌体墙，具有良好的承载能力和变形能力，在永久使用状态和地下空间开发导致的差异沉降下，均能够保证整体结构的安全。