1工程概况

某博物馆设计于1952年7月，地上4层砖混结构，局部有1层地下室，基础采用墙下夯实灰土条形基础，楼面和屋面采用预制混凝土梁支撑2~3m跨预制混凝土薄板，楼面使用荷载初始设计为1.5kN/㎡不满足现行GB50009—2012《建筑结构荷载规范》有关博物馆使用荷载3.5kN/㎡的要求。

根据检测报告，建筑物礼堂主梁存在疏松、孔洞、强度等级低等质量缺陷，多处墙体及门窗洞口角部存在严重裂缝，部分墙体砖表面酥松，礼堂首层顶部表面顶板裂缝开展明显。

承重墙体中砂浆强度很低，墙体中砖砌体推定强度为MU7.5，而现实中混凝土的板墙、柱、圈梁检验强度低于原设计强度等级。建筑物筑物整体性差，无法满足8度区抗震设防要求。

房屋可靠性评定等级为Ⅳ级，即其可靠性极不符合GB50292—1999《民用建筑可靠性鉴定标准》对Ⅰ级的要求，已严重影响安全。图1为建筑物加固后立面效果。

图1某博物馆东立面效果

2P–TRC加固方法介绍

采用绑扎钢筋网喷射混凝土板墙是砌体结构既有建筑常用抗震加固作法，能显著提高结构抗震能力，但绑扎钢筋喷射混凝土作法对施工周期长，施工噪声大，现场垃圾多，工序复杂，喷射的混凝土面层增加了结构自重，易引起基础加固问题，也影响建筑使用面积。

近年来，纤维织物增强混凝土材料在结构加固工程中得到了应用，有纤维编织网增强混凝土（TRC）、织物增强砂浆（TRM）以及纤维增强水泥基质（FRCM）等，主要由纤维织物和细骨料混凝土组合形成一种复合材料，其中碳纤维织物的弹性模量与钢筋相近，但抗拉强度约为钢筋的10倍。

组成的复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、变形性能好等特点，国内外学者已将其应用于多个加固工程中，并取得了较好的效果。进一步将TRC复合板材中碳纤维进行预张拉处理形成P–TRC预应力增强复合混凝土板，可以大幅度提高纤维织物利用率，配合射钉固定技术，可以对砌体结构墙体实现快速加固，图2为TRC板材应力应变图。

图2TRC板应力应变曲线

从图2可以看出，采用预张拉技术后板材内纤维利用率得到了提升，开裂应力得到提升，极限应力及极限应变有较大程度提高。图3为P–TRC板加固砌体墙射钉固定示意。

（ a）                             （b）

图3P–TRC板加固砌体墙射钉固定示意

（a）射钉固定立面照片；（b）射钉固定剖面

采用高性能设定固定技术，将P–TRC板材固定于砖砌体、混凝土圈梁或混凝土构造柱之上，施工速 度快，实现机械咬合，避免粘结层剥离，连接方式牢固可靠，可以充分发挥预应力纤维增强混凝土板的力学性能，并且板材可以按工程需要，在工厂按定尺加工，适应建筑工业化。

3分析模型建立

以原结构设计图纸为主要依据，采用ETABS20.0建立结构计算模型，对梁采用ETABS20.0自带框架单元，楼板采用膜单元模拟，主要用于传递荷载，对墙体采用分层壳单元模拟。建立的结构有限元分析模型如图4所示。

图4结构有限元分析模型

按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》，考虑楼面装饰情况和建筑作法，2~4层楼面施加匀布永久荷载4kN/m2，使用荷载按3.50kN/m2，由于建筑开间尺寸较小无二次结构隔墙，不考虑内部隔墙荷载，现状楼板厚度60mm，按自重1.54kN/m2计入永久荷载工况，水平构件楼板及结构梁按计算结构补强 设计。

屋面板上考虑屋面保温、找坡、防水等建筑作法永久荷载按4kN/m2，不上人屋面使用荷载 0.5kN/m2，屋面层周边外围墙体施加3kN/m线荷载模拟女儿墙及上部屋面檐口荷载，屋面板自重同样计入永久荷载工况。建筑结构安全等级二级，结构重要性系数1.0，建筑结构抗震设防类别为标准设防类，加固后按剪力墙结构，剪力墙抗震等级二级。抗震设防相关参数见表1。

表1抗震设防相关参数

墙体加固后组成由原结构砖墙和两侧的加固P–TRC板材组成，材料性能和构成较为复杂，计算模型进行了简化处理，根据检测报告提供的现状墙体砖砌体及砂浆强度将原240?mm厚砖墙按弹性模量替代为同厚度混凝土，强度C7.5，弹性模量修改为1?000?N/mm2，泊松比改为0.15，两侧加固P–TRC混凝土基材参数不变，碳纤维1@50×50网格按等强度原则替为HRB400级4@250×250双向钢筋网。

4抗震性能评价

利用有限元模型，分别进行多遇地震和罕遇地震两水准验算，多遇地震考察在地震作用下主体结构变形，竖向构件承载能力。罕遇地震计算评估主要构件在罕遇地震作用下破坏程度和整体结构抗倒塌能力。

4.1多遇地震设计验证

多遇地震计算按照GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（以下简称抗规）推荐振型分解反应谱法，计算采用的地震力影响系数曲线如图5所示。

图5多遇地震反应谱曲线

从图5可以看出，建筑物前三周期均位于反应谱作用最大的0.1~Tg平台段，地震输入能量较大，需要结构具有较强的抗震能力。主体结构周期与自振特性见表2。

表2结构主要周期及振型方向

建筑结构第一振型与第二振型均为平动振型，两个方向平动周期分别为0.129?5?s和0.125?03?s，第一扭转周期0.114?9?s，Tt/T1=0.878，满足《抗规》第一扭转周期与第一平动周期比不大于0.9的要求。墙最大轴压比0.14，说明墙有足够竖向承载能力和安全储备。x向最大层间位移角发生在2层为1/13?086，y向最大层间位移角同样发生在2层1/9?725，均小于抗规混凝土框架结构在多遇地震作用下层间位移角限值1/800。采用P–TRC材料加固后，建筑物可达到小震不坏的设防目标。

4.2?罕遇地震设计验证

计算采用SAUSG2020有限元程序，计算采用显式积分的动力弹塑性分析方法，直接将地震波输入结构进行弹塑性时程分析，以反映在不同相位差情况下构件的内力分布。墙体配筋按前述等代钢筋输入，剪力墙和楼板采用弹塑性分层壳单元，考虑多层钢筋作用，反映结构构件尺寸、材料强度和配筋情况，可准确模拟剪力墙在大震作用下进入非线性的状态。模态分析SAUSG2020模型前三振型周期分别为0.131（y）、0.121（x）、0.0119（T），与ETABS20.0程序计算模型振型顺序一致，数值相差不大。

拟建场地建筑抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第二组，场地土类型为III类。按照《抗规》要求，基于场地类别和设计地震分组采用3组加速度时程曲线。采用SAUSG自带的TH3TG055，BigBear以及RH3TG055三条地震波，其中TH3TG055，BigBear为天然波，RH3TG055为人工波。经分析将加速度峰值调为400gal，地震波的频谱特性、有效峰值和持续时间均满足规范要求。

3组地震波反应谱与规范谱对比曲线如图6所示。根据《抗规》第5.1.2条的规定，时程分析所选用的地震波平均的地震影响系数曲线与振型分解反应谱所采用的地震影响系数曲线在统计意义上应相符，本工程采用得时程曲波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震力影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20?%。各条地震波与规范谱在结构的前主要周期点的地震影响系数对比见表3。

图6反应谱对比曲线

表3地震波与反应谱主要周期点地震影响系数
对比

4.3弹塑性分析结果

根据计算结果，比较地震波作用弹塑性工况，其中BigBear地震波y向基底剪力达43709.9kN，RH3TG055地震波x向基底剪力为37891.8kN；y向主体结构最大顶点位移7.1mm，最大层间位移角 1/1574，x向主体结构最大顶点位移为6.8mm，最大层间位移角为1/1701，y向地震动响应稍大于x向。采用3条波的包络作用评价结构损伤及性能水平，根据计算结果剪力墙损伤主要发生在底部1~2层墙体及连梁部位，绝大部分墙体无损伤或轻微损伤，连梁损伤可起到耗能和保护主要墙体。考察剪力墙钢筋塑性应变，钢筋塑性应变水平较低，均在允许范围内。考察墙体在罕遇地震作用下性能，1~3层部分墙体发生轻微至轻度损伤，局部连梁发生中度至严重损伤，3~4墙体损伤程度明显好于1~2层墙体。 上述计算结果表明，在罕遇地震作用下，虽然建筑结构出现了一定程度损伤，主要发生在连梁部位，且损伤程度在可控范围内，建筑结构不会出现倒塌。

5结论

结合某博物馆砌体结构历史建筑抗震加固工程，探讨P–TRC材料在砌体结构墙体加固中的应用，通过多遇地震与罕遇地震有限元程序分析，得出如下结论。（1）P–TRC增强混凝土板材可以用于砌体墙体加固，与绑扎钢筋网喷射混凝土加固方法相比，具有工期短、建筑垃圾少、工业化程度高等优点。（2）采用P–TRC增强混凝土板加固后，砌体结构建筑抗震能力有显著提升，可以达到小震不坏、大震不倒的抗震性能目标。（3）采用P–TRC加固砌体结构墙，基于高性能射钉技术，工艺简单效果直接，加固层与原结构面层机械咬合是实现加固效果的关键，需要进一步研究。