砖石古塔整体抗震加固方法

摘要

本发明提供了一种砖石古塔整体抗震加固方法，计算施工所用钢筋的截面积：每层塔身每个塔面竖向刻出凹槽；同一方向塔面上的凹槽一一对应，不同层塔身同一方向塔面上相对应的凹槽形成安放槽；密檐上钻数量与安放槽数量相同的通孔；在塔基础上钻多个植筋孔；按《公路桥梁加固施工技术规范》中附录A中的植筋要求，在每个植筋孔中植筋，一个植筋孔内并排植两根加固杆；每层塔身外部塔面和内部塔面各设两道围箍；每层密檐下部外塔面和内塔面分别设两道围箍，固接两道围箍；外塔面的所有围箍与加固杆固接；填充水泥砂浆；加固砖石古塔的裂缝，完成砖石古塔的加固。该加固方法更有利于古塔塔身的整体受力性能，大大提高了砖石古塔的整体稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于古建筑抗震加固技术领域，涉及一种砖石古塔抗震加固方法。 

背景技术

自唐山地震以来，我国在工业与民用建筑抗震研究方面取得了显著的成果。在建设部颁布的现行标准中，与建筑物、构筑物、工程设施等抗震相关的规范、标准、规程已达到18个。然而，我国古建筑的抗震研究进展缓慢，至今未制定出专门的抗震规范与标准。目前，仅在《古建筑木结构维护与加固技术规范》（GB50165-92）中，对古建筑木结构提出了抗震鉴定与加固的规定。而对大量的构筑结构不同于木结构古建筑的砖石古建筑，没有相适应的抗震鉴定和加固方法，且砖石古塔的受力研究尚处于起步阶段。

近年来，文物保护部门不惜重金对病害严重的或较为严重的古塔进行维修加固，全国目前正在维修加固或即将准备修缮加固的古塔就有百余座。但这些对砖石古塔的抗震加固措施还都处于探索、试验阶段。

尹力峰、唐丽华、刘志坚等人在文献（吐鲁番苏公塔的抗震性能研究.现代地震工程进展，2000）采用“变截面的底端固定的悬臂梁结构”对新疆吐鲁番苏公塔的动力特性及地震反应进行了分析，分别从结构强度（截面抗剪、抗弯能力）及变形能力（结构层间弹性位移角）两个方面对苏公塔进行了抗震性能评估。从构造措施考虑，提出宜在塔体外部采用平行配筋压浆等方式进行加固以加强塔砌体的抗震能力的抗震加固意见。

姚谦峰、卢俊龙、张荫在文献（砖石古塔抗震加固对策探讨.工业建筑，2007第37卷第9期：115-118）中指出砖石古塔属高耸结构，体形简单且构件单一，一般为高柔结构，基本自振周期较长，高振型对结构影响十分明显。为了控制塔体剪切破坏及轴向破坏，提出了采用塔体加箍及裂缝粘结的抗震加固方式。塔体加箍的形式可采用钢板箍、钢筋混凝土箍、砖筋箍等，加箍的作用主要是防止裂缝开展并局部提高砌体的抗剪强度，增强整体性，阻止剪切破坏，提高抗震性能。古塔墙体裂缝粘结后可有效防止塔体“劈裂”和“掉头”。

谭小蓉在文献（古塔结构纠偏及抗震保护方法研究.硕士论文，2007）中采用外贴碳纤维布对广州怀圣寺光塔进行了抗震加固研究，利用有限元分析软件SAP2000进行了相应的计算分析，探讨了该光塔的抗震加固效果和主要规律。结果表明，采用碳纤维布进行加固后，主塔顶部的位移明显减小，整个光塔的抗侧力性能有了一定的提高，说明碳纤维布对塔身的约束作用间接提高了该光塔的整体抗震性能，是一种较好的抗震加固方法。

以上的加固方法基本都是对古塔的局部进行加固，而对古塔的整体稳定性并没有显著提高。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高砖石古塔的整体稳定性的砖石古塔整体性进行抗震加固方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种砖石古塔整体抗震加固方法，其特征在于，该加固方法具体按以下步骤进行：

步骤1：根据下列公式计算加固需加固的砖石古塔时所用钢筋的截面积：

式中：A_s表示竖向贯穿钢筋的截面面积；f_y表示钢筋受拉强度设计值；S表示对侧钢筋间距；M_i表示塔体第i层截面的弯矩设计值；N_i表示塔体第i层截面的压力设计值；A_i min表示塔体第i层截面最小截面积，即窗口处截面积；D_i表示塔体第i层截面尺寸，多边形取两对边距离，圆形取直径；I_i表示塔体第i层最小惯性矩，即窗口处惯性矩；

在需加固的砖石古塔的每层塔身的每个塔面上均竖向刻出四条凹槽，该凹槽的宽度和深度与所用钢筋直径的两倍相适配； 

不同层塔身朝向同一方向的塔面上的凹槽一一对应，不同层塔身朝向同一方向塔面上相对应的凹槽形成一条安放槽；在需加固砖石古塔的密檐上钻数量与安放槽数量相同的多个通孔，一个通孔与塔身侧面的一条安放槽相对应，该通孔的直径为凹槽的宽度+10～15mm；在需加固砖石古塔的塔基础上钻多个植筋孔，使得一个植筋孔、一个通孔和一条安放槽一一对应，即一个植筋孔、一个通孔和一条安放槽同轴设置；

步骤2：取步骤1中所用的钢筋，按《公路桥梁加固施工技术规范》中附录A中的植筋要求，在塔基础上的每个植筋孔中植筋，一个植筋孔内并排植两根钢筋；

步骤3：将多根钢筋通过接头螺栓依次连接成一根接杆，将一根接杆的一端通过接头螺栓与一根植筋孔内一根钢筋的另一端相连接，形成一根加固杆，加固杆的长度与需加工砖石古塔的高度相适配；单向旋转加固杆，使插入植筋孔内的加固杆与植筋孔孔壁之间的间隙均匀；室温下固化，固化过程中避免扰动；待植筋锚固胶粘剂凝固后，在凹槽和通孔内填充水泥砂浆，并振捣密实；

步骤4：在每层塔身的外部塔面各设置两道第一围箍；同时，在每层塔身的内部塔面设置两道第二围箍，在塔层的所有塔面上钻加固孔，在一个加固孔内穿入一根锚杆，该锚杆的两端分别与第一围箍和第二围箍固接，使第一围箍和第二围箍形成整体；

步骤5：在的每层密檐下部分别设置两个第三围箍，在该密檐相对的内部塔面设置两个第四围箍，再用锚杆将相对应的第三围箍和第四围箍联结为一个整体；

步骤6：通过连接筋焊接连接每层塔身外部塔面第一围箍和加固杆，通过第二连接的围箍筋焊接连接每层密檐外部的第三围箍和加固杆；

步骤7：为了保证围箍和塔体的充分接触，在围箍与塔体间的空隙内填充水泥砂浆；

步骤8：采用裂缝注浆加固、碳纤维加固及塔基加固辅助措施，对需加固的砖石古塔的裂缝进行加固，完成砖石古塔的加固。

本发明抗震加固方法采用竖向贯穿钢筋及对穿锚杆锁定内外围箍钢带相结合的加固措施，可明显提高砖石古塔的抗震变形能力。内外围箍钢带不仅直接提高了塔体的抗剪强度，由于箍钢带的约束作用还可提高了塔身浆砌材料的极限压应变和抗压强度，有效延缓浆砌材料的压碎破坏过程。另外，围箍钢带对纵筋的约束作用，大大提高纵筋的抗屈曲能力，进而提高塔身的延性变形能力。对穿锚杆锁定内外钢带围箍，并且内外钢带围箍与竖向贯穿钢筋通过连接钢筋焊接形成一种整体受力结构，大大提高了砖石古塔的整体稳定性。与其它抗震加固方法相比较，本方法更有利于古塔塔身的整体受力性能。同时，提供了一种砖石古塔抗震加固的新思路，这必将会推动我国塔式抗震加固方法的进步，产生重大的经济意义和深远的社会意义。

附图说明

图1是采用本发明方法加固砖石古塔时，在砖石古塔上竖向贯穿钢筋和安装内、外围箍加固的示意图。

图2是采用本发明方法加固砖石古塔时，竖向贯穿钢筋和内外围箍飞细部图。

 图3是采用本发明方法加固古塔前、后的有限元计算模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

由于古塔建筑材料抗拉能力非常差，因此，对古塔进行抗震加固时，首先必须保证塔体在地震作用下不出现拉应力，同时也要保证塔体压应力不大于砌体的容许压应力。而且，在地震作用下，如果砖石古塔塔身和密檐出现多组斜裂缝和竖向裂缝，同时，部分塔身和密檐有向临空面倾倒的迹象时，也必须对古塔的整体性进行加固。

针对砖石古塔的结构及材料性能特点，本发明提出了一种提高砖石古塔整体稳定性的加固方法，通过对古塔的破坏情况进行详细的勘察和测量，充分了解塔体破坏的内在原因和结构薄弱点，制定出一套有针对性的、实施性的加固方案。具体如下：

步骤1：根据下述公式计算加固需加固砖石古塔时所用钢筋的截面积A_s：

式中：A_s表示竖向贯穿钢筋的截面面积；f_y表示钢筋受拉强度设计值；S表示对侧钢筋间距；M_i表示塔体第i层截面的弯矩设计值；N_i表示塔体第i层截面的压力设计值；（弯矩设计值M_i和压力设计值N_i根据地震力的大小以及《建筑抗震设计规范2008版（GB50011-2001）》规定，考虑水平地震作用系数Υ_Eh和竖向地震作用系数Υ_Ev后得出）。A_i min表示塔体第i层截面最小截面积，即窗口处截面积；D_i表示塔体第i层截面尺寸，多边形取两对边距离，圆形取直径；I_i表示塔体第i层最小惯性矩，即窗口处惯性矩；

在需加固的砖石古塔的每层塔身的每个塔面上均竖向刻出四条凹槽，该凹槽的宽度和深度与所用钢筋直径的两倍尺寸相适配，一般比两倍的钢筋直径大10～20mm； 

不同层塔身朝向同一方向的塔面上的凹槽一一对应，不同层塔身朝向同一方向塔面上相对应的凹槽形成一条安放槽；在需加固砖石古塔的密檐上钻数量与安放槽数量相同多个通孔，一个通孔与塔身侧面的一条安放槽相对应，该通孔的直径为凹槽的宽度+10～15mm；在需加固砖石古塔的塔基础上钻多个植筋孔，使得一个植筋孔、一个通孔和一条安放槽一一对应，即一个植筋孔、一个通孔和一条安放槽同轴设置；

步骤2：取步骤1中所用的钢筋，按《公路桥梁加固施工技术规范》（JTGT J22-2008）中附录A中的植筋要求，在塔基础上的每个植筋孔中植筋，一个植筋孔内并排植两根钢筋；

步骤3：将多根钢筋通过接头螺栓依次连接成一根接杆，将一根接杆的一端通过接头螺栓与一根植筋孔内一根钢筋的另一端相连接，形成一根加固杆，加固杆的长度与需加工砖石古塔的高度相适配，单向旋转加固杆，使插入植筋孔内的加固杆与植筋孔孔壁之间的间隙均匀；室温下凝胶1～3天固化，固化过程中避免扰动；待植筋锚固胶粘剂凝固后，在凹槽和通孔内填充水泥砂浆，并振捣密实；

步骤4：用与需加固砖石古塔塔面数量相同的钢带制作第一围箍，该钢带的长度由每层塔身外部塔面的宽度确定，相邻两根钢带之间通过角钢焊接连接；用与需加固砖石古塔塔面数量相同的钢条制作第二围箍，该钢条的长度由每层塔身内部塔面的宽度确定，相邻两根钢条之间通过角钢焊接连接；每根钢带和每根钢条上均加工有一个直径为40mm的连接孔，钢带和钢条均采用厚度为8mm、宽度为10cm的钢板制成；在每层塔身的外部塔面各设置两道第一围箍；同时，在每层塔身的内部塔面设置两道第二围箍，在塔层的所有塔面上钻加固孔，在一个加固孔内穿入一根直径为25mm的锚杆，该锚杆的一端穿入第一围箍中一根钢带上的40mm的连接孔内，该锚杆的另一端穿入第二围箍中一根钢条上的40mm的连接孔内，通过锚杆固接第一围箍和第二围箍，使两个围箍形成一个整体，如图1和图2所示；

步骤5：用厚度为6mm、宽度为5cm的钢板制作箍带，该箍带的长度根据步骤4选取的塔层的密檐下部所在外部塔面的宽度和内部塔面的宽度确定，取与该塔层塔面数量相同的箍带分别制作用于密檐外部的第三围箍和用于密檐相对应的内部塔面的第四围箍，第三围箍和第四围箍的制作与第一围箍和第二围箍的制作相同，第三围箍和第四围箍中相邻两根箍带之间通过角钢焊接连接；然后在每层密檐下部分别设置两个第三围箍，在该密檐相对的内部塔面设置两个第四围箍，再按步骤4的方法，将相对应的第三围箍和第四围箍通过锚杆联结为一个整体；

步骤6：通过连接筋焊接连接每层塔身外部塔面第一围箍和加固杆，通过第二连接的围箍筋焊接连接每层密檐外部的第三围箍和加固杆；

步骤7：为了保证围箍和塔体的充分接触，在围箍与塔体间的空隙内填充水泥砂浆；

步骤8：采用裂缝注浆加固、碳纤维加固及塔基加固辅助措施，对需加固的砖石古塔的裂缝进行加固，完成砖石古塔的加固。

本发明加固方法在需加工的砖石古塔外侧设置竖向贯穿钢筋，充分发挥钢筋抗拉能力强的材料特点，使塔体在地震作用下应力重分布时不出现拉应力区。在塔体外部塔面分别设置围箍，在外部钢带对应的塔体内部也设置围箍，然后通过连接钢筋将竖向贯穿的加固杆、内围箍和外围箍形成整体，共同协调受力。同时通过锚杆将塔身设置于塔身外部塔面的围箍和设置于塔身内部塔面的围箍固接成一整体，以提高塔体的整体稳定性。

实施例

奎光塔为17层砖砌六面体古塔，塔高52.67m，塔重34600kN。其内部结构独特，1～10层为双筒，11层以上为单筒。塔体重心高度22.60m，其中1～6层塔体重心高度9.37m，其中7～17层塔体重心高度33.74m。外塔墙厚1.22～1.62m，内塔墙厚0.87m～1.16m。旋梯道宽0.54m～0.75m至10层结束。从11层起，内外塔合为一体，内塔内壁边长1.10m左右。底层北面门洞宽1.25m，高2.8m，底面高出护台0.48m；第2～7层各窗洞宽58cm，高98cm；第8～10层各窗洞宽50cm，高78cm；11层以上各窗洞宽44cm，高78cm。内、外塔塔身均为青砖扁砌实墙，浆砌材料为糯米石灰浆。

在8度多遇地震烈度的作用下，奎光塔自下而上都会出现拉应力。而砖石古塔自身抗拉能力非常差，拉应力对塔体结构影响非常大，砌体结构会受拉破坏。其整体稳定受到影响，需要进行抗震加固。因此，抗震加固要保证塔体不出现竖向拉应力。

奎光塔在8度设计及罕遇地震烈度的作用下，塔体变形能力的薄弱层在10～17层。说明在8度设计地震作用下，塔体在10～17层由屈服阶段进入刚度退化阶段，塔体结构中等破坏；在8度罕遇地震作用下，塔体在10～17层结构刚度退化显著，结构严重破坏，甚至会产生倒塌。这与在汶川地震中奎光塔在自第8层及以上各层的破坏现象最为明显基本吻合。

根据以上抗震评估分析，采用抗震加固措施具体为：

1.竖向贯穿钢筋

在奎光塔第一层～十层每面各设置8根竖向贯穿钢筋，第一层～十七层每面各设置4根竖向贯穿钢筋。首先在塔身竖向贯穿钢筋位置自上而下刻凹槽，凹槽宽10cm、深5cm。密檐部位采用冲击钻钻通孔，孔径110mm。然后每两根Φ28mm钢筋并排穿过钻通孔放置于凹槽中。上下钢筋采用接头螺栓连接，形成加固杆，以保证连接段抗拉能力。加固杆底部按《公路桥梁加固施工技术规范》（JTGT J22-2008）中附录A中的植筋要求，在塔基础上进行植筋，植筋孔直径40mm、深度400mm。一个植筋孔内并排植两根加固杆，单向旋转加固杆，尽量使植入的钢筋与植筋孔孔壁间的间隙均匀。室温下固化1～3天，固化过程中避免扰动。使加固杆与塔基础紧密连接。加固杆安置连接完毕后，凹槽和通孔内填充水泥砂浆，并振捣密实。

2.对穿锚杆锁定内外钢带围箍

在塔体第一层～十七层外部塔面各设置两道第一围箍，在第一围箍对应的塔体内部也设置两道第二围箍。在塔体每个塔面均加工一个直径为40mm的连接孔，每个连接孔内均设置一根直径为25mm的锚杆，通过该锚杆连接第一围箍和第二围箍，并形成一个整体。

考虑到奎光塔塔体外部密檐的砖块大部分已松动脱落，在塔体第一层～十七层每层密檐下部外部各设置两道第三围箍，在第三围箍对应的塔身内部塔面设置两道第四围箍。通过贯穿塔身的锚杆连接第三围箍和第三围箍，并形成一个整体。为了保证围箍和塔体的充分接触，在围箍与塔体间的空隙内填充水泥砂浆。

通过焊接连接钢筋使加固杆和位于塔身的内围箍、外围箍形成整体，共同协调受力。

在实施本发明加固方法对奎光塔进行加固的同时，也采取了少量其他辅助加固措施如：裂缝注浆加固、碳纤维加固及塔基加固等。

采用ansys软件建立奎光塔加固前和加固后的两种分析模型。有限元分析模型见图3。

通过对塔身应力的计算分析，可得到如下结论：

1）在同一地震激励作用下，当塔身采取加固措施后，水平加速度的降幅可达20%左右，水平位移的降幅可达12%左右。说明本发明加固方法能够大大提高古塔的抗震稳定性，显著降低地震危害性。

2）在同一地震激励作用下，本发明加固方法可以使主塔塔身的最大主应力减小至加固前的8%～22%，最小主应力减小至加固前的6%～33%，其中在塔身10层顶处的主应力减小最显著。

3）窗户附近区域应力集中现象较为突出，墙体外缘的最大、最小主应力都明显高于墙体内缘处的应力，靠近窗户附近区域的应力也明显高于远离窗户处的应力，约为远离窗户处应力的2～3倍。当塔身采取加固措施后，尽管窗户附近区域主应力分布形状与加固前相同，但其峰值却有大幅度地减小（降低幅度最高达68%），大大地提高了塔的抗震稳定性。