利用内部钢条和聚合物砂浆对低强度砌体墙进行抗震加固：实验研究与参数化数值分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic strengthening of low-strength masonry walls using internal steel strips and polymer mortar: experimental and parametric numerical investigations

　　

陈在贤|王超|于子聪|孙凯琳|杨旭波

哈尔滨工业大学威海分校土木工程系，中国威海264209

摘要

为应对日益增长的对不同服役年限的低强度砖砌体结构进行加固的需求，本研究提出了一种采用内部钢条和聚合物砂浆的复合加固方法。共建造了十二个全尺寸砌体墙，并在准静态加载条件下对其进行了测试，以比较未加固砌体（URM）墙、正交复合方法（OCM）加固墙和对角复合方法（DCM）加固墙的抗震性能。系统评估了关键的抗震指标，包括滞回行为、承载能力、延性和刚度退化。结果表明，OCM墙的极限承载能力和延性分别比URM墙高出1.9倍和2.0倍，其骨架曲线表现出明显的塑性阶段。与某些OCM墙相比，DCM墙具有更好的抗剪性能。有限元模拟准确再现了观察到的破坏模式和滞回响应。参数分析进一步表明，OCM在耗散能量和延缓裂缝扩展方面有效，而DCM在提高抗剪能力方面贡献更大。基于这些发现，并结合《中国砌体结构抗震加固设计规范》，修改了砌体的抗剪能力公式，以开发适用于这种复合加固系统的计算方法。

引言

未加固砌体（URM）结构由于材料易获取、耐久性好且施工简单，自古以来就被广泛使用[1]。砌体仍是全球最普遍的结构体系之一，占全球所有建筑物的70%以上[2,3]。中国是最早采用砌体结构的国家之一，至今仍有大量砌体建筑——到2020年，大约70%的农村建筑和30%的城市建筑为砌体结构[4]。然而，由于长期的使用历史，中国大多数现有砌体建筑主要设计用于承受垂直荷载，没有考虑横向地震作用，因此不再符合当前的抗震设计规范[5,6]。更严重的是，经过数十年的使用，这些建筑中的砖和砂浆的力学性能在长期环境影响下显著恶化，导致结构承载能力大幅下降，形成了所谓的“低强度砌体结构”[7]。在唐山、汶川和玉树大地震中，这些低强度砌体结构表现出明显的脆弱性——遭受严重破坏和大规模倒塌，造成了大量人员伤亡和巨大的经济损失，成为加剧地震灾害影响的关键因素之一[8]。然而，从联合国可持续发展目标（SDG 11.4）和低碳城市发展的角度来看，对现有砌体结构进行改造和维护，而不是拆除重建，对于保护碳存量和实现可持续城市更新至关重要[9]。因此，为这一庞大的在役低强度砌体库存开发有效的加固策略已成为土木工程领域的一个紧迫而重要的挑战。

然而，大多数现有研究主要集中在加固技术本身的创新或提高“标准”砌体（即符合现代设计规范的砌体）的性能上[10]。一个关键但常被忽视的问题是，这些加固方法在实际应用于在役低强度砌体时的有效性。为应对这一挑战，一些研究人员开始专门研究针对劣化或低强度砌体的加固策略。尽管如此，这些努力主要集中在评估先进纤维增强材料[11,12]或传统水泥基修复系统[13]的性能上。当使用FRP材料加固低强度基材时，高成本和脆性的界面脱粘失效仍然是主要缺点[14]；相反，传统的焊接钢网和水泥砂浆技术则存在自重过大以及与劣化基材的界面粘结和变形兼容性差的问题[8]。因此，尽管低强度砌体的加固越来越受到关注，但开发出经济性、耐久性和兼容性平衡的加固方法仍是当前研究中的一个重要空白。

在各种加固技术中，钢和水泥基或砂浆基质的组合是加固未加固砌体（URM）结构最常见的方法之一[15]。在中国，根据国家砌体加固规范[16]规定的“钢网-水泥砂浆”方法因其成本效益而被广泛采用。然而，如前所述，该方法应用于低强度砌体时的有效性值得怀疑。近年来，嵌入式GFRP[17,18]、应变硬化水泥基复合材料（SHCC）[19,20]、工程水泥基复合材料（ECC）[21,22,23]、纺织增强砂浆（TRM）[24]和纤维增强水泥基或砂浆基复合材料（FRCM）[25]受到了越来越多的关注。与传统的砂浆相比，这些先进的水泥基复合材料可以显著提高砌体墙的变形能力和能量耗散能力[26]。

作为一种改进的传统钢网-水泥砂浆技术的变体，使用内部钢条和聚合物砂浆的加固方法并不是全新的概念，并已被证明可以显著提高抗震性能[3,27,28]。其技术特点使其在理论上非常适合用于加固低强度砌体。

• (1)
  聚合物砂浆（PM）凭借其优异的粘结强度和灵活性，能够实现与多孔和劣化基材更可靠的界面粘附和变形兼容性[[29], [30], [31]]。
• (2)
  内部钢条通过提供约束效应，可以有效增强砌体墙的完整性和延性，对其抗剪强度和能量耗散能力产生显著影响[32,33]。

本研究的主要目的是系统研究所提出的复合加固方法在应用于不同材料劣化程度的低强度砌体时的加固效果。该方法采用角钢、内部钢条和聚合物砂浆的复合系统，通过充分利用钢条的加固功能和表面砂浆层的约束效应，在经济可行性和结构有效性之间取得平衡。因此，该方法结合了两种材料的优点，促进了加固组件与砌体基材之间的协同作用。

为了实现这一目标，建造了不同砂浆强度等级（M1、M2.5、M5和M7.5）的砌体墙，以检验钢-聚合物复合加固对未加固砌体（URM）墙的效果。设计了八个嵌入内部钢条的聚合物砂浆加固墙：四个带有水平和垂直钢条的墙，另外四个带有45°对角钢条的墙，以解决初步测试中观察到的对角裂缝破坏模式。总共十二个全尺寸墙的宽高比为0.71，在四杆加载系统下进行了准静态循环横向加载测试。实验研究重点关注破坏模式、极限横向强度和位移、滞回行为以及刚度退化。最后，开发了加固墙承载能力的分析公式。本研究旨在为地震易发地区的砌体墙提供一种经济有效的加固方案，从而提高其抗震性和结构韧性。

节选内容

试件

设计了一个实验计划，以研究砂浆强度等级对砌体墙加固效果的影响。共测试了十二个试件，包括四个未加固砌体（URM）墙、四个正交复合方法（OCM）加固墙和四个对角复合方法（DCM）加固墙。试件的整体几何形状和尺寸如图1所示。钢条参数主要基于初步

破坏模式

无论砂浆等级如何，每种试件类型（即URM、OCM或DCM）的破坏过程（包括裂缝起始、裂缝扩展和最终裂缝模式）基本相似。因此，选择M1级别的墙（URM-1、OCM-1和DCM-1）作为典型试件，详细说明它们的破坏过程。

模型开发

URM模型由砌体墙面板、顶部加载梁和底部梁组成。砌体墙与梁之间的连接采用Tie约束进行建模，因为在测试中没有观察到控制性的锚固滑移或拔出破坏。因此，将其简化为非控制性边界条件，以避免将非关键局部细节视为主要破坏机制。底部梁的底面被赋予完全固定的约束。垂直荷载为

结论

提出了两种复合加固方法OCM和DCM，用于低强度砖砌体剪力墙。共测试了十二个砌体剪力墙——包括四个URM墙、四个OCM墙和四个DCM墙——在平面内准静态循环加载条件下进行测试。主要结论如下。

• 1.
  两种提出的复合加固方法均显著提高了低强度砖砌体剪力墙的抗震性能，表明这两种方法都是可行的。

CRediT作者贡献声明

陈在贤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，项目管理，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。王超：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，正式分析，数据管理。于子聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理。孙凯琳：可视化，软件，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52078165）的支持。