《International Journal of Disaster Risk Reduction》：Affordable seismic strengthening of stone masonry walls: experimental validation using an in-situ testing approach
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摘 要：喜马拉雅地区广泛采用泥砂浆砌筑的石材砌体（stone masonry with mud mortar）作为建筑承重墙，尼泊尔超过80%的国土为山地，2015年廓尔喀地震（Gorkha Earthquake）导致约60%此类石砌体校舍严重损毁，揭示其显著
摘 要：喜马拉雅地区广泛采用泥砂浆砌筑的石材砌体（stone masonry with mud mortar）作为建筑承重墙，尼泊尔超过80%的国土为山地，2015年廓尔喀地震（Gorkha Earthquake）导致约60%此类石砌体校舍严重损毁，揭示其显著抗震脆弱性。尽管国家层面指南已推荐采用焊接钢丝网（Welded Wire Mesh, WWM）加固石材砌体，但该方法对此类砌体的抗震加固效能尚缺乏实验验证。本文在"尼泊尔学校抗震安全与韧性（Seismic Safety and Resilience of Schools in Nepal, SAFER）"项目资助下，于加德满都开展足尺石材砌体墙面外面向位移与侧向荷载承载力试验——利用当地可得的镀锌钢丝网作加固材料，对两片未加固及四片WWM加固墙体实施三组单调侧向加载（monotonic lateral load tests），并采用低成本试验装置。实验结果表明：WWM加固使墙体面外（out-of-plane）侧向承载力提高3.5倍，面外位移延性（displacement capacity）较未加固墙体翻倍；加固后墙体破坏模式由大范围局部脆性开裂转变为细密、均匀分布的裂缝。基于上述社区驱动型试验构型，本研究为发展中国家石材砌体墙的抗震试验与低成本加固提供可操作途径，并给出设计建议，推动地震风险减缓策略在发展中国家的落地实施。
论文解读：《Affordable seismic strengthening of stone masonry walls: experimental validation using an in-situ testing approach》发表于《International Journal of Disaster Risk Reduction》。
【研究背景】
尼泊尔山区大量既有建筑为泥砂浆砌筑的承重石材砌体（stone masonry with mud mortar），2015年廓尔喀地震致60%以上石砌体校舍倒塌或严重损坏，主因为墙体发生面外（out-of-plane）平面外屈曲与脆性失效，且传统未加固墙体抗拉强度近似为零。尼泊尔国家重建局虽将焊接钢丝网（Welded Wire Mesh, WWM）加固纳入推荐做法，但此前无针对泥砂浆石材砌体WWM加固的面外抗侧力与位移能力之足尺原位实验验证，也缺乏适合资源受限地区的低成本现场测试手段。为此，研究人员设计并搭建低成本原位侧向加载试验装置，开展未加固与WWM加固足尺石砌体墙单调面外加载试验，辅以简化截面极限状态分析并与尼泊尔国家建筑规范（Nepal National Building Code, NBC 105:2025）进行承载力—需求比（Capacity-to-Demand, C/D）校核。
【主要关键技术方法】
研究人员于尼泊尔国家地震技术学会（National Society for Earthquake Technology – Nepal, NSET）场地建造带锚固钢筋混凝土基座的低造价钢反力框架，以链式滑轮经凹槽轮转换向上牵引为水平拉力，通过100 kN荷载传感器与激光位移计（分辨率1 mm）记录墙体2/3高度处施加单调侧向荷载（monotonic lateral load）下的力—位移（F?δ）响应。制作尺寸为长1.0 m × 厚0.45 m × 高2.0 m之随机乱毛石（random-rubble stone）泥砂浆砌体墙，其中加固组在铲除原抹灰、勾深15–25 mm竖缝后双面敷设镀锌WWM，WWM竖向筋与基座伸出钢筋焊接并锚入底部钢筋混凝土圈梁（tie beam/band），外覆1:3水泥砂浆保护层；对照组无连接。共进行三组对比试验（两组未加固、四组加固），其中第二组改变锚固方式为绑扎不焊接以考察锚固影响，第三组恢复焊接锚固并测试两片加固墙。
【研究结果】
- 1.
INTRODUCTION（引言概述）
综述表明尼泊尔农村大量未设穿石（through-stones）、木拉结（timber lacing）及圈梁—拉杆体系之石材砌体，2015年地震中面外失效为主要致死机制，现有WWM加固实践缺乏实验支撑。
- 2.
PRACTICE OF WELDED WIRE MESH (WWM) RETROFIT IN NEPAL（尼泊尔WWM加固既有做法）
WWM钢丝屈服强度250 MPa，成本约为增设钢筋混凝土强背（strong backs）之60%；标准工序含清面、勾缝、挖基设圈梁、双面挂网、穿墙对拉锚筋（staggered @600 mm）、焊/绑于圈梁主筋、两侧分别抹20 mm（内侧）与30 mm（外侧）1:3富水泥砂浆并养护。
- 3.
DESIGN OF A LOW?COST EXPERIMENTAL SETUP（低造价试验装置设计）
先期试桩揭示需更高容量荷载传感器与更强锚固RC基座。最终配置含RC筏基+锚固RC基座（内置伸出Fe500钢筋）、钢反力柱、链式滑轮配凹槽轮产生水平拉力、100 kN荷重元串联钢索连1000×300×12 mm施力钢板于墙2/3 H处、激光测距仪监位、三角防护架防坍落损仪器；准静态（quasi-static）慢速逐级加载，力与位移同步录像记录。
- 4.
EXPERIMENTAL RESULTS（实验结果）
—第一组（正确焊接锚固）：未加固墙峰值荷载2.80 kN、极限位移281 mm；WWM加固墙峰值11.87 kN、极限650 mm，裂缝细密分布，破坏为网丝屈服断裂而非锚固拔出。
—第二组（仅绑扎未焊接）：未加固墙2.98 kN / 275 mm；加固墙峰值降至9.01 kN（降幅约24%），因WWM自基座锚固滑脱提前失效，说明可靠锚入基础至关重要。
—第三组（恢复焊接锚固，两片加固墙）：峰值分别为12.48 kN（δ=610 mm）与10.29 kN（δ=694 mm），破坏均为WWM受拉断裂；两墙耗能接近（3745与3993 kN·mm），变异性<20%。综合有效加固组，面外承载力平均提升约3.5–3.7倍，位移能力提升约2.2倍。
- 5.
ANALYTICAL VALIDATION（解析验证）
按截面极限状态将加固墙视为弱配筋混凝土截面，假定砌体抗拉为零、受压区等效矩形应力块系数α=0.85，抗弯承载力Mu=As·fy·z + N·e，其中As为受拉区竖向钢丝总截面积、fy=250 MPa、z≈t/2（t为墙厚）、N为轴压（墙体自重），换算至2/3 H处点荷得预测面外极限侧力13.23 kN，与实验均值11.55 kN吻合良好，验证简化模型可用于设计估算。
- 6.
SEISMIC PERFORMANCE ASSESSMENT AND CODE COMPLIANCE（抗震性能评估与规范符合性）
按NBC 105:2025等效静力法，Z=0.36（喜马拉雅丘陵区）、I=1.0（住宅）与I=1.5（学校/避难所），算出设计面外力分别为7.90 kN与11.85 kN。加固墙均值承载力11.55 kN：对住宅C/D=1.46（满足），对学校C/D=0.98（接近满足，两片试件超需求），未加固墙C/D仅约0.24–0.36。表明WWM加固可使一般民居明显超越规范要求，对学校类重要设施经微调网格密度或施工质量可满足要求。
【讨论与结论翻译（Conclusions）】
本文提出并验证了适用于发展中国家的低成本原位面外抗侧力测试装置，可用以评估石材砌体墙的面外强度与位移能力。实验证实泥砂浆石材砌体对面外荷载极度敏感，而焊接钢丝网（WWM）加固显著提升其面外侧向承载力（平均约3.5倍）与位移延性（约2倍），并将破坏模式由局部脆性开裂转为分布细裂缝的较延性损伤；但该效益高度依赖WWM与基础圈梁内钢筋之可靠锚固（推荐焊接锚固）。虽试件数量有限，本低成本可重复试验构型支持后续补充测试以获取统计离散度，用于未加固砌体建筑之易损性（fragility）与概率地震风险评估。全局抗震性能还需同时加强楼屋盖—墙体连接及保证建筑规则性。研究成果为发展中国家低造价石材砌体抗震风险减缓提供实验依据与设计建议。
