石家鑫1，李鹏程2，彭有开2，吴徽2
1 中国中元国际工程有限公司，北京 100048；2 北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044
摘 要：本文采用拟静力的试验方法，对一片毛石砌筑墙体和四片采用钢筋网水泥砂浆面层加固法加固后毛石墙体进行对比试验。通过设置不同的研究参数，分别研究了不同横向配筋率、纵向配筋率以及墙体拉结筋数量对于加固效果的影响。实验结果表明：1.加固后的墙体承载能力得到了显著的提高，位移角则能够达到原有墙体的4-5倍。2.提高竖向钢筋配筋率可以明显提高墙体的承载能力。3.拉结筋的数量会影响墙体的承载能力，同时过少的墙体拉结筋数量会影响墙体破坏形态。4.横向钢筋对于提高墙体承载能力的作用不明显，但是可以提高墙体的整体性能。
关键词：毛石墙体 抗震加固 平面外抗震性能 钢筋网水泥砂浆
中图分类号：TU363 文献标志码：A
Research on Out of Plane Capacity of Stone Masonry Wall
Retrofitted by Mesh Reinforcement Cement Mortar
Shi Jiaxin1，Li Pengcheng2，Peng Youkai2，Wu Hui2
(1 China IPPR International Engineering Co。，LTD，Beijing 100048, China；2 Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)
Abstract：Via the quasi-static method, the experiment of five pieces of rubble masonry wall, that four out of them are strengthen with steel meshed and cement mortar, have been done. By setting different parameters (the vertical reinforcement ratio, transverse reinforcement ratio and number of ties), it shows the effects to the retrofit work. And it shows that: 1. Compare with the unretrofit wall, the capacity of the retrofit ones improved a lot, and the drift ratio improved 4-5 times. 2. With the increasing of the vertical reinforcement ratio, the strengthening works well. 3. The number of ties effects the capacity of the wall, and lesser ties will lead to a different failure mode. 4. The transverse reinforcement ratio has a least effect to the capacity, but increase the ratio would improve the overall performance of the wall.
Key words: Stone masonry wall; Seismic retrofit; Out of plane capacity; Mesh reinforcement cement mortar
1绪论
大量的国内外工程建设实例表明，建筑结构的维修加固也是整个建筑工程中不可或缺的部分。对于高层和超高层建筑的抗震加固，工程上多采用增设钢支撑、防屈曲支撑、消能器或多种方式组合的办法[[]-[]]。
随着国家“十二五”计划的工作重心向农村领域偏移，对于抗震加固方面，村镇建筑的抗震加固研究也逐渐成为了热点，而石结构建筑作为村镇建筑中的一个重要组成部分，也应该作为重点进行研究。然而，不同于城市中高层建筑的抗震加固，对于类型多为低层或单层的村镇类建筑，一些工艺复杂、造价较高的加固方式将不再适用。
采用钢筋网水泥砂浆加固法加固建筑墙体，是建筑结构加固中常用的方法之一。由于其施工简单造价较低的特点，这一方法也同样适用于村镇石结构建筑墙体的抗震加固。采用此方法加固墙体，通常是以提高其平面内抗剪能力为主要加固目的，对于该方面的试验研究也主要集中于平面内试验。相比于一般墙体平面内力学性能的研究而言，平面外抗震性能的研究就相对较少，通常的砖砌或砌块填充墙平面外抗震性能的试验方法多为振动台法和拟静力法[[]、[]、[]]，石结构墙体平面外研究的内容则几乎没有。然而与这一现象相反的是，通常在地震中，石结构墙体平面外的破坏现象却比比皆是。由于砌筑石材其物理性状和力学性能与一般的砌筑材料不同，故而导致石砌墙体与一般的砌筑墙体的抗震性能也不尽相同。所以，对于石砌墙体的抗震性能，应该在普通砌筑墙体的基础上进行更有针对性的研究。
2 平面外倒塌
根据调查[[]]表明，墙体平面外倒塌是导致石结构房屋破坏的主要原因之一。发生该类事故通常是由于墙体与墙体、墙体与屋（楼）盖没有能够设置有效的连接或墙体未设置平面外支撑。过弱的连接会导致墙体的整体性大大降低。地震来临时，由于墙体的宽厚比大，平面外刚度远远小于其平面内刚度，所以刚度低的方向就很容易发生倒塌，即墙体的平面外倒塌。
既有村镇石结构房屋，由于部分采用木屋盖（北方）或屋盖与墙体连接较差（南方），通常无法形成刚性楼盖，极大地影响了地震力在结构中的传递，导致墙体无法在刚性楼盖的作用下协同工作，平面内受力通常较小，很少发生墙体平面内的剪切破坏。
然而，在没有平面外力作用时，即便石墙发生平面内剪切破坏也不会造成其平面外倒塌。但地震作用是多向的震动，会对包括山墙、纵墙、横墙以及内隔墙等墙体产生平面外作用。而相比于平面内承载力而言，墙体的平面外承载力在数值上通常要小一个数量级，这就注定了石砌墙体很难在地震作用下抵抗自身产生的惯性力，极易发生平面外倒塌事故。
经过简单的有限元分析也可以明显的看出，由于不考虑刚性屋盖的存在，结构各个墙体之间无法有效的进行协同工作。墙体转角处由于有相邻墙体的拉结作用，变形较小，而墙体中段的变形则明显偏大，尤其是长墙段的中间部分，平面外的变形更是明显。而实际上，一般的农村房屋，其墙体与墙体间的接槎并不可靠，往往导致其纵横墙之间的拉结效果更弱。墙体一旦平面外倒塌，极有可能造成人员伤亡和财产损失。所以石砌墙体的平面外抗震性能研究和加固研究已是势在必行。
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图1 石砌墙体墙体平面外问题
Fig 1 Out-plane problems of stone masonry walls
3试验概况
3.1构件设计
本次试验的实验设计是针对钢筋网水泥砂浆面层加固方式进行设计的。通过设置不同的参数：横向钢筋配筋率、纵向钢筋配筋率和拉结筋数量来探究这些参数对石墙加固后平面外抗震性能的影响。
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墙体构件总长1900mm，高1400mm，墙厚度为200mm。砖砌隔墙长960mm，高度与石砌墙体等高，厚一皮（120mm）。墙体加固采用双面配筋抹灰，面层抹灰采用M10等级的商品砂浆。加固面层厚度为30mm（包括钢筋层和砂浆层），具体参数见下表。
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对于需要进行钢筋网水泥砂浆面层加固的构件，在墙体砂浆干燥后可以进行锚筋的锚固。采用直径d=8mm的钻头对墙体灰缝开通孔，将单侧弯钩的对拉钢筋插入孔洞并在另一侧弯成90度弯钩，完成后采用高标号砂浆或者环氧树脂填充，固定对拉钢筋。对拉钢筋采用梅花状双面布置，用于固定墙体横向和纵向加固钢筋。纵向钢筋底端锚入基础梁中，与对拉钢筋绑扎牢固后再按照相应的配筋要求绑扎横向钢筋。
3.2实验装置及测量
本试验在北京建筑工程学院结构实验室进行。水平力加载采用50t的MTS作动器对墙体进行平面外加载，加载点位于加载梁上。作动器端头通过连接件以及连接板，使用四根丝杠与加载梁上的预留孔贯通连接，从而保证能够实现拟静力低周反复加载。
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试验共采用了三种加载方式，其中三面墙体（ADE）的加载采用单向低周反复加载的方式，即对墙体只在一个方向上（拉离砖墙方向）进行低周反复加载。加载过程先采用力控制进行单周的往复加载，达到预定的荷载后改为位移控制的三周往复加载。第四面墙体（C）采用一次性加载的方式。最后一面墙体（B）的加载方式采用双向低周反复加载，同样采用力-位移混合控制。
实验过程中分别对加固钢筋应变、墙体拉筋应变、混凝土应变以及墙体位移进行测量。采集仪器采用东华公司生产的DH3860数据采集系统。采用6个位移传感器对构件的变形进行测量。测量位置分别位于墙体竖向中线的顶端以及四分点，水平中线右侧四分点位置以及基础梁位置。
4 实验结果
4.1 试验现象
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图4 构件破坏形式
Fig 4 Final failure of specimens
鉴于石砌墙体平面外的承载力较低，试验中力控制阶段较短，力控制阶段步长控制在3kN-5kN之间。
（1）未加固墙体SWE，采用单向低周往复加载。破坏形式为石砌墙体水平贯通裂缝过大以及纵横墙交接处裂缝开展，同时墙体承载力下降严重。
（2）加固后墙体SWA，采用单向低周往复加载。破坏形式为砖砌翼墙与石砌墙体脱开，部分有接槎的粘土砖被拉断，承载力下降严重。其中翼墙与石墙的连接钢筋部分拔出。
（3）加固后墙体SWB，采用双向低周往复加载。破坏形式为正向加载时的底部通缝以及反向加载时的两条主要水平通缝，同时墙体承载力下降严重，但仍然接近未加固墙体的极限承载力。
（4）加固后墙体SWC，采用一次性加载。破坏形式为砖砌翼墙与石砌墙体脱开，部分有接槎的粘土砖被拉断，但石砌墙体未见明显损坏。其中翼墙与石墙的连接钢筋部分拔出。
（5）加固后墙体SWD，采用单向低周往复加载。破坏形式为纵横墙连接处裂缝开展以及石砌墙体横向通缝开展，同时墙体承载力下降严重，但仍然接近未加固墙体的极限承载力。
4.2 力-位移曲线
未加固墙体SWE，墙体体最大承载力为32kN，承载力下降到85%时的墙体位移为1.7mm，位移角0.12%。加固后墙体SWB，墙体最大承载力为反向（拉）51.22kN，正向（推）60.45KN，承载力相比未加固的墙体得到了极大的提高。承载力下降到85%时的墙体位移分别为拉7.28mm，位移角0.52%，推2.5mm，位移角0.18%。加固后墙体SWC，墙体最大承载力为58.22KN，承载力下降到85%时的墙体位移为4.5mm，位移角0.32%。加固后墙体SWD，墙体最大承载力为53KN，承载力下降到85%时的墙体位移为2.4mm，位移角0.17%。
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图5 构件力-位移曲线
Fig 5 Force-displacement curve
4.3 骨架曲线及刚度退化曲线
通过骨架曲线可以看出，未加固的原墙体并没有过很好的延性，从墙体开裂到承载力下降到三分之一这一过程并未经历很长时间。而且不同于其它几片墙体，此未加固墙体在砖砌隔墙上也会产生开裂现象。而经过加固的墙体都具有极好的延性，能够达到的位移值相比未加固的墙体提高了2倍以上，平面外的抗倒塌能力也得到了显著的提高。且加固过后可以保证石砌墙体在地震作用下的整体性。
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图6 构件骨架曲线
Fig 6 Skeleton curve
但在试验中也发现了一些问题：
加固后墙体SWA，墙体最大承载力为29.67KN，承载力下降到85%时的墙体位移为6.3mm，位移角0.45%，承载力并未得到明显的提升。很显然，这一现象并不符合实际情况。通过与其他试件的相对应位置的钢筋以及与材性试验得到的数据相对比，可以发现构件中的受力钢筋并未达到屈服，即加固用的竖向钢筋在墙体或是在基础锚固端出现了滑移或拔出现象。
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Fig 8 Positive bearing capacity degradation curve Fig 9 SWB bearing capacity degradation curve
从正向刚度退化曲线图中可以看出，各个加固后构件的刚度退化都较为均匀，但SWA墙体的刚度退化明显较快，这是由于加固钢筋未能起到足够的作用所导致的。
5 结论
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（1）按照工程中采用的配筋，加固后的墙体，其承载能力能够达到原墙体的1.6倍以上，而极限位移则能够达到原有墙体的3-4倍。
（2）通过提高竖向钢筋的配筋率可以提高石砌墙体的承载能力以及延性耗能能力。
（3）增强纵横墙的拉结能力，可以有效地改变墙体的破坏形态，使墙体的破坏由脆性破坏变为延性破坏。
（4）由于墙体裂缝均为横向发展，横向钢筋的增加对于墙体平面外承载力的提高不大。但配置一定数量的横向钢筋可以保证墙体在地震作用下的整体性，使墙体不易松散，砌块不易脱落。
参考文献：
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基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAJ08B00）
作者简介：石家鑫，男，硕士，主要从事结构设计. E-mail：mengzhiyangshu@163.com