免責宣告：本文章來自建築結構《預應力抗震加固技術在農村危房加固改造中的應用》作者：劉航， 嶽永盛， 韓明傑， 田玉基，版權歸原作者所有！
［摘要］ 北京市懷柔區某農村住宅為單層磚木混和承重房屋，為農民自建房，基本無抗震設防措施。在北京市農村危房改造工程中，對該房屋進行了結構安全性鑑定，結果表明其不滿足現行鑑定標準的要求，需採取相應的加固措施。為此，提出了建築山牆和後牆採用預應力技術加固，房屋四角增設鋼筋網砂漿帶構造柱，山牆和後牆頂增設鋼筋網砂漿帶圈樑，前牆頂增設鋼拉桿，木屋架之間增設型鋼剪刀撐的加固方案。採用有限元分析方法對加固前後的房屋進行了模擬地震作用的彈塑性動力時程分析。結果表明，採用上述方法加固後，房屋在小震下的地震反應與未加固房屋較為相近，在中震和大震下，可以有效降低位移反應，減少地震損傷。該加固方法在提高房屋安全性和抗震能力的同時，房間使用面積不減少，建築外觀也基本沒有改變，全面滿足了加固改造需求。
［關鍵詞］ 農村住宅； 磚木結構； 後張預應力； 抗震加固； 動力時程分析
1 工程概況
北京市懷柔區某農村住宅，建於20 世紀80 年代中期，建築面積約60m2，為單層磚木混合承重結構房屋，建築簷口高度2。 7m，雙坡屋面，屋脊高度3。 9m。房屋外觀照片如圖1 所示，結構平面佈置如圖2 所示。該房屋為北京農村地區典型農宅，為農民自建房，基本無抗震設防措施。其山牆和後牆為240mm 厚磚牆，內隔牆為120mm 厚磚牆，採用燒結普通粘土磚與白灰砂漿砌築，正立面主要為門窗，設定了三根混凝土柱支承屋頂木柁。屋頂採用木屋蓋結構，包括木屋架、檁條、望板、防水油氈和蓋瓦。
該房屋符合《北京市農村4 類重點物件和低收入群眾危房改造工作方案（ 2018—2020 年） 》的相關條件，故前期委託相關鑑定機構對房屋進行了結構安全性鑑定。經鑑定，該房屋危險性定性評定等級為C 級，構成區域性危房。
綜合房屋結構佈置和現場實際勘測情況，該房屋結構體系佈置不合理，木屋架大梁一端支承在後牆上，另一端支承在正立面混凝土柱上，前後牆剛度差異很大，在地震作用下易發生扭轉破壞； 另外，縱橫牆之間無任何拉結措施，各榀木屋架之間也無支撐連線，房屋整體性很差。無論從危房評定角度，還是從綜合安全性鑑定角度，均不滿足現行相關標準規範的要求，需進行加固處理。
2 加固方案
改造所涉及農戶為貧困戶，改造資金由政府全額撥付。如果實際改造費用超出政府資金數額，農戶無法負擔多出的費用。因此，加固方案首先應考慮經濟性。另外，該房屋處於居住使用狀態，加固應儘量減少溼作業汙染、噪聲汙染，工期也應儘可能縮短，以最大程度減少由於施工對農戶生活帶來的影響。
在綜合考慮改造方案的經濟性、工期以及對農戶生活的影響等因素的前提下，確定採用“砌體房屋預應力抗震加固技術”對該房屋進行加固改造。主要加固措施包括： 1） 兩側山牆和後縱牆採用預應力加固法加固； 2） 房屋四角、縱橫牆交接處以及前窗間柱採用豎向鋼筋網砂漿帶加固； 3） 山牆和後縱牆頂採用水平鋼筋網砂漿帶加固，前屋簷下設定鋼拉桿加固； 4） 木屋架設定了兩道鋼剪刀撐加固，開裂的木柁採用鋼箍加固等。
首先，對兩端山牆和後牆採用預應力加固技術進行加固，預應力加固的平面佈置如圖3 所示。
該技術透過沿被加固牆體兩側均勻對稱佈置豎向預應力筋，並對牆體施加豎向預應力，從而提高牆體的抗震能力［1-4］。由於預應力筋可以內嵌於牆體中，採用該技術加固的牆體的厚度不需增加，房間的使用面積不會減少。該技術目前已被北京市地方標準採納［5］。
加固預應力筋採用直徑為15。 2mm 的高強低鬆弛預應力鋼絞線，成對佈置，每對預應力筋間隔為1 300 ～1 500mm不等。為了保持預壓應力的有效傳遞，預應力筋的上下錨固點均採用了專門設計的傳力墊塊，預應力加固做法如圖4 所示。
由於房屋牆體沒有抗震構造措施，整體性較差，在房屋四角沿豎向增加鋼筋網砂漿帶，起到構造柱的作用，在房屋內隔牆與後牆交接處也沿豎向增加鋼筋網砂漿帶，起到對內隔牆的約束拉結作用。
原有正立面窗間柱雖為混凝土柱，但混凝土強度較低，配筋較少，採用單側鋼筋網高強砂漿帶對其進行加固補強。此外，在山牆和後牆頂部沿水平向設定鋼筋網砂漿帶，在前牆頂增設鋼拉桿，形成封閉圈樑體系，可以實現對房屋的整體約束。
該房屋在進行此次改造前，已完成節能保溫改造，牆體外側貼有保溫板。為儘量減少加固對外保溫的破壞，此次加固的鋼筋網砂漿帶均佈置在牆體內側。即在房間牆體內側綁紮安裝鋼筋網，然後採用M10 砂漿抹面並養護，單面砂漿面層的厚度為40mm，水平與豎向鋼筋直徑為6mm，並每隔一定間距設定拉結筋，植入牆體保證鋼筋網與牆體的連線。其典型做法如圖5、圖6 所示。
該房屋屋蓋沿②，③，④軸一共三道木屋架，為提高木屋架的平面外穩定性，在①～②軸和④～⑤軸兩個端開間各設定了一道型鋼剪刀撐，剪刀撐採用Q235B 雙肢不等邊角鋼透過節點板焊接而成，角鋼截面為L80×50×6×6，用以加強屋蓋結構的面外剛度和穩定性（ 圖7） 。
現場加固施工期間，發現木屋架主樑木柁均出現開裂，為防止裂縫進一步開展，採用扁鋼箍對木柁進行了加固處理。房屋的整體加固三維效果如圖8所示。
3 彈塑性動力時程分析
為驗證上述加固方案對房屋抗震效能的提高效果，建立了未加固房屋和加固房屋的有限元分析模型，對兩個房屋模型進行了模擬地震作用的彈塑性動力時程分析。
3。 1 有限元分析模型
有限元分析模型中根據上述磚木結構房屋的結構特點進行了合理簡化，基本假定如下： 1） 磚砌體牆體採用整體式模型，其材料連續、均勻； 2） 木材視
作正交各向異性彈性體； 3） 磚牆和木樑之間不考慮相對滑移； 4） 屋面木板和泥瓦面層只作為荷載傳遞給木樑，不考慮其對屋蓋剛度的貢獻。
未加固房屋的有限元模型中建立的主要構件包括磚牆、柱、木樑等。其中磚牆採用殼單元模擬，混凝土柱和木樑採用梁單元模擬。加固房屋模型與未加固模型的外形尺寸、材料完全相同，主要區別就是加固房屋模型增加了加固構件，包括預應力筋、鋼剪刀撐、鋼拉桿以及鋼筋網砂漿帶等。其中，預應力筋用桁架單元模擬，桁架單元的兩個端點分別與磚牆頂部和底部相連線，剪刀撐和鋼拉桿同樣採用桁架單元模擬，水平和豎向砂漿帶採用殼單元模擬。加固房屋的有限元模型如圖9 所示。
砌體本構關係採用湖南大學施楚賢［6］提出的公式（ 式（ 1） ） ，上升段為拋物線、下降段為直線：
3。 2 動力模態分析
首先對未加固和加固的房屋模型進行了動力模態分析，其前三階自振頻率和週期如表1 所示，振型圖如圖10 所示。
從表1 可以看出，加固可以使房屋的自振頻率小幅度提高，這種提高主要來源於屋架間增加的型
鋼剪刀撐的貢獻。預應力加固磚牆由於基本不改變牆體的抗側剛度也不增加牆體的重量，對房屋自振頻率影響較小。
從圖10 中可以看出，未加固房屋和加固房屋的各階振型基本一致，加固對振型形態影響較小，第一階振型主要為橫牆的平面外變形，其中山牆屋脊處最大，後簷口最小，前屋簷介於兩者之間。這主要是由於房屋後牆剛度大，正立面洞口多，剛度削弱較大，同時木屋蓋剛度很小，各牆體無法協同工作所導致的。第二階振型表現為房屋的反對稱扭轉振型，該振型出現在橫向側移之前，對結構抗震不利，容易引起縱牆門窗洞口角部以及縱橫牆連線處的應力集中。第三階振型表現為縱牆的平面外側移，表明結構整體的縱向剛度低於橫向剛度。
3。 3 地震位移響應
本文農房所在場地為Ⅱ類場地，計算輸入地震動選用汶川地震臥龍臺站波，該波屬於Ⅱ類場地地震記錄，震中距70km［7－8］。對該波進行歸一化處理，時間間隔為0。 005s。鑑於原波時間較長，選取典型波段，時長10s，如圖11 所示。
時程分析主要模擬了沿房屋縱向輸入地震波時房屋的地震響應，地震加速度峰值按抗震設防烈度8 度小震、中震、大震分別取值。
圖12～14 分別為未加固房屋和加固房屋在8
度多遇地震（ 70gal） 、設防地震（ 200gal） 和罕遇地震（ 400gal） 作用下，屋脊處和前屋簷處的縱向位移時程曲線。
由圖12 及其源資料可以看出，在8 度多遇地震作用下，結構縱向位移反應較小，加固房屋和未加固房屋的最大層間位移角分別為1 /2 820 和1 /1 300，表明房屋仍處於彈性階段，基本無損傷。加固房屋的最大位移較未加固房屋減少了54%。其中，加固房屋的最大位移出現在山牆屋脊處，未加固房屋的最大位移出現在前屋簷處。
由圖13 及其源資料可以看出，在8 度設防地震作用下，加固房屋和未加固房屋的最大層間位移角分別為1 /932 和1 /420。加固房屋的層間最大位移較未加固房屋減少了55%，與8 度多遇地震下的情況相似，加固房屋的最大位移出現在山牆屋脊處，未加固房屋的最大位移出現在前屋簷處。
由圖14 及其源資料可以看出，在8 度罕遇地震作用下，加固房屋和未加固房屋的最大層間位移角分別達到了1 /400 和1 /134，加固房屋的最大位移較未加固房屋減少了67%。其中，未加固房屋基本處於倒塌破壞階段，而加固房屋處於輕微損傷狀態。另外，在罕遇地震下，加固房屋的最大位移仍然出現在山牆屋脊處，未加固房屋的最大位移出現在前屋簷處。
為了進一步分析牆體的面外變形規律，提取了罕遇地震作用下山牆中部和前端平面外位移沿房屋高度的分佈曲線，如圖15 所示，同時提取了簷口標高處山牆面外位移沿房屋寬度的分佈曲線，如圖16所示。
從圖15（ a） 可以看出，在縱向地震作用下，加固和未加固房屋山牆中部的面外位移均沿高度逐漸增大，其中加固房屋在從簷口到屋脊高度範圍內位移基本穩定，不再隨高度而增加，這主要是由於該範圍內增設了型鋼剪刀撐，可以有效減小山牆的面外位移。從圖15（ b） 可以看出，加固和未加固房屋山牆
前端的面外位移也沿高度逐漸增大，加固房屋較未加固房屋的面外位移顯著降低，表明預應力加固可以有效提高牆體的抗裂能力，從而提高其後期面外剛度，減小面外位移。
從圖16 可以看出，加固後房屋山牆的面外位移最大值出現在中部，而未加固房屋山牆的面外位移出現在前端，且表現為明顯的“外甩”趨勢。
從上述對房屋加固前後進行的數值模擬分析結果可以看出，本文建議的加固方案可以顯著改善正立面剛度弱的單層磚木混合承重結構房屋的抗震效能，提高其在大震下的抗倒塌能力。
4 預應力加固磚砌體牆施工工藝
本文農房加固方案中，預應力加固磚砌體牆是近年來提出的一種新型抗震加固方法，其主要施工工藝如下：
（ 1） 在被加固牆體上定位放線，沿標註好的位置開鑿出凹槽。牆體表面開槽前應先複核牆內水電管線位置，避免開槽損壞水電管線。採用雲石切割機進行開槽施工，確保槽溝為直線，開槽的深度與寬度應保證預應力筋可以完全封閉於牆體內。
（ 2） 現場對預應力筋進行加工製作、下料，對錨具進行試裝配。無粘結預應力筋安裝前，應檢查其規格尺寸和數量，確認可靠無誤後，方可在工程中使用。
（ 3） 在預應力筋張拉端位置，牆體開洞，綁紮鋼筋； 在預應力筋固定端位置開挖基坑，牆體開洞並綁紮鋼筋。開洞採用金剛石砂輪鋸靜力切割，減少開洞對牆體的損傷。
（ 4） 安裝預應力筋、張拉端和固定端錨固體系。預應力筋應順直安置在牆體表面的凹槽內，在穿筋過程中應防止保護套受到機械損傷。預應力筋鋪設就位後，方可安裝固定端和張拉端錨固節點元件。螺旋筋和承壓板應與鋼筋籠綁紮牢固。
（ 5） 支設張拉端和錨固端墊塊模板，澆築墊塊混凝土。
（ 6） 混凝土強度達到要求後，張拉預應力筋，錨固端封閉； 採用標定好的千斤頂或扭力扳手等裝置對預應力筋進行張拉，沿牆體兩側對稱佈置的預應力筋必須兩根同時張拉，且張拉過程儘可能保持同步。
（ 7） 施工質量檢驗，防護面層施工。張拉後應採用砂輪鋸或其他機械方法切割超長部分的無粘結預應力筋，其切斷後露出錨具夾片外的長度不得小於30mm。張拉後的錨具應進行防護處理。圖17 為預應力加固施工現場照片。
5 結論
（ 1） 針對北京地區典型農村住宅中磚木混合結構的特點，提出了將磚牆預應力抗震加固技術與傳統的鋼筋網砂漿面層法、鋼拉桿、剪刀撐等加固技術有機結合起來的綜合加固方案，採用該加固方案加固房屋，在提高整體房屋抗震安全性的同時，成功實現了不減少房間使用面積、不改變建築外觀、提升建築功能等改造需求。
（ 2） 加固前後房屋的動力時程分析結果表明，該房屋經加固後，可以顯著減小其在地震作用下的層間位移，減少損傷。未加固房屋在8 度罕遇地震作用下處於倒塌破壞階段，而加固房屋只是輕微損傷。表明建議的加固方案可以顯著改善正立面剛度弱的單層磚木混合承重結構房屋的抗震效能，提高其在大震下的抗倒塌能力。
（ 3） 對所採用的預應力加固磚砌體牆的抗震加固新技術的施工工藝進行了分析，結果表明，該項技術具有如下特點： 加固不減少使用面積，對結構影響小； 較傳統加固技術更為節省材料，降低工程造價，且施工綠色環保，對環境影響較小； 由於基本無溼作業，施工週期也可明顯縮短。
當前，國內正在大力開展脫貧攻堅行動，讓農村困難群眾住上安全舒適的房子是最為迫切的需求，也是當前脫貧攻堅中的重點工作之一。本文為北京地區典型的磚木混和承重農宅的抗震加固提供了一種新的解決方案，可供同類工程參考。
參考文獻
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