FRP加固砌體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剪切性能研究綜述

馮廣明

1 概述

砌體結(jié)構(gòu)在地震作用時會承受較大的平面內(nèi)剪切荷載，容易造成 X形裂縫產(chǎn)生，對結(jié)構(gòu)形成極大危害。因此對建造年代較遠，設(shè)計時缺乏抗震考慮的砌體結(jié)構(gòu)建筑進行加固改造勢在必行。傳統(tǒng)的加固方法，如增大截面、粘鋼或噴射混凝土等，這些加固方法一般會增加額外的重量，同時施工不便，耗費時間，造價較昂貴。20世紀 80年代，F(xiàn)RP材料開始應用于建筑結(jié)構(gòu)加固改造。其具有質(zhì)量輕，承載力高，施工簡便等特點。使用FRP對砌體結(jié)構(gòu)進行加固是目前研究的熱點。本文將對國內(nèi)外 FRP加固砌體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)性能研究進行介紹，并指出今后的研究方向。

2 抗剪試驗研究

2.1 單調(diào)荷載作用

許多研究表明單調(diào)荷載作用下通過粘貼FRP，砌體結(jié)構(gòu)的面內(nèi)抗剪承載力可以提高。

2002年，Valluzzi等人[1]使用對角線加載試驗研究了砌體結(jié)構(gòu)在剪力作用下的性能。他們認為，F(xiàn)RP粘貼的方式會影響抗剪強度和剛度的增加程度。Valluzzi等人的試驗表明，對于粘土磚，提高其抗剪承載力同時避免脆性破壞，應當采用FRP整體覆蓋的粘貼方式。2004年，Stratford等人[2]對FRP加固砌體墻在單調(diào)剪力作用下的性能進行了試驗。試驗表明抗剪強度可以提高 50%。2005年，El-Dakhakhni等人[3]對壓應力和剪切荷載作用下空心磚砌體結(jié)構(gòu)性能進行了研究。使用FRP加固后，提高極限抗壓承載力的同時，墻體的延性也得到了改善?？辜粼囼灲Y(jié)果表明，使用FRP加固后，墻體的破壞形態(tài)有了明顯變化，同時抗剪承載力提高。其原因是砂漿與砌塊之間的剪應力發(fā)生了重新分布。試驗證明了FRP片材對消除墻體平面內(nèi)剪切應力集中產(chǎn)生了積極作用。Prakash和Alagusundaramoorthy[4]在2008年對GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)進行了試驗研究。試驗中砌體墻承受軸壓荷載作用，結(jié)果表明粘貼GFRP增加了砌體結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，減小了極限應變。

2.2 循環(huán)荷載作用

2005年，ElGawady等人[5]模擬地震活動對砌體墻施加平面內(nèi)剪切荷載。未使用FRP加固時，墻體發(fā)生嚴重破壞，隨后使用FRP對其進行加固。加固方案為兩種:單側(cè)全墻面積覆蓋或沿X形粘貼。試驗繼續(xù)進行，對加固后的墻體繼續(xù)加載直至破壞。試驗結(jié)果表明，側(cè)向承載力提高30%～190%不等。當FRP沿X形粘貼時，出現(xiàn)纖維被拉斷的現(xiàn)象。

ElGawady等人[6]在2007年對承受靜力循環(huán)荷載的砌體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)抗剪性能進行了研究。試驗同樣先對未加固砌體墻施加平面內(nèi)荷載至部分破壞，待使用FRP加固后繼續(xù)加載直至破壞。FRP粘貼方案為沿墻體整面粘貼雙層鋪設(shè)，保持兩層FRP纖維方向正交，同時采用端部錨固措施保證粘結(jié)可靠。試驗結(jié)果表明，隨著FRP用量的變化，側(cè)向承載力提高40%～490%。同時加固后砌體墻的剛度恢復至未損傷水平。

2007年，楊曌等人[7]對 16片磚墻和 7根磚柱進行了 CFRP加固試驗，分別研究了不同類型墻片在水平低周往復荷載作用下的抗震性能，以及磚柱在軸心和偏心荷載作用下的抗壓性能。試驗結(jié)果表明，對于磚墻粘貼CFRP可以增加其抗震性能，對于磚柱，滿包CFRP可以提高其抗壓承載力。

3 抗剪承載力計算

目前，國內(nèi)外學者對于FRP加固砌體結(jié)構(gòu)抗剪承載力的計算方法認識較為一致。如圖 1所示，剪力水平作用于FRP加固后的砌體墻平面內(nèi)。

根據(jù)中外學者的研究，加固后砌體墻的抗剪承載力可以分為兩部分，如式(1)所示。

其中，Vmax為加固后總體抗剪承載力;Vm為砌體結(jié)構(gòu)未加固時抗剪承載力;Tf為纖維提供的拉力;θ為纖維布與墻體水平方向夾角(見圖 1);α為折減系數(shù)。以上參數(shù)均為國際單位制。學者針對 α的取值有不同看法，隨之進行了很多研究。目前研究對α的取值的建議見表 1。

表1 折減系數(shù)α取值

對于不同的破壞模式，Tf的取值同樣值得研究。當達到抗剪承載力時，如果FRP發(fā)生拉斷破壞，則Tf按照式(2)計算。

其中，b為粘貼FRP的總寬度;t為FRP板或布的厚度;fFRP為FRP的抗拉強度。以上參數(shù)均為國際單位制。

當達到抗剪承載力時，F(xiàn)RP發(fā)生剝離破壞，此時Tf不能按照式(2)進行計算，對此學者們進行了研究。根據(jù)Santa-María等人[10]的建議，Tf按式(3)計算。

其中，b為粘貼FRP的總寬度，mm;0.24為根據(jù)粘結(jié)試驗測得的FRP剝離破壞時的單位粘結(jié)強度，kN/mm。

2009年黃奕輝和王全鳳[11]基于粘結(jié)滑移理論，給出了 Tf的計算方法，即:

其中，b為粘貼FRP的總寬度;L為FRP粘結(jié)長度;τf為FRP剝離破壞時最大粘結(jié)強度，按照式(5)計算，系數(shù)按照式(6)計算。

其中，Ea為膠層彈性模量;Ef，tf，bf分別為FRP的彈性模量、厚度和寬度;bm為磚沿纖維布寬度方向長度;sf為τf對應的滑移量。

由式(4)～式(6)可以看出，基于粘結(jié)滑移理論得到的纖維布承載力計算公式考慮了更多的參數(shù)，理論上更加精確。

4 結(jié)語

根據(jù)以上論述，使用FRP加固砌體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剪切性能試驗研究已趨于成熟。靜力與循環(huán)荷載作用下抗震性能均有所研究。抗剪承載力計算公式已被廣泛應用，其中關(guān)鍵系數(shù)的確定仍是未來研究方向。同時，對 FRP加固砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析尚待進一步研究。

[1] ValluzziM R，Tinazzi D，Modena C.Shear behavior ofmasonry panels strengthened by FRP lam inates[J].Constr Build Mater，2002(16):409-416.

[2] Stratford T，Pascale G，Manfroni O，etal.Shear strengtheningmasonry panels with sheet glass-fiber reinforced polymer[J].J Compos Constr，ASCE，2004，8(5):434-443.

[3] El-DakhakhniW，Ham id A，Hakam Z，et al.Hazard m itigation and strengthening of unreinforced masonry walls using composites[J].Compos Struct，2005(73):458-477.

[4] Prakash S，Alagusundaramoorthy P.Load resistance ofmasonry wallettes and shear triplets retrofitted with GFRP composites [J].Cem Concrete Compos，2008(30):745-761.

[5] ElGawady MA，Lestuzzi P，BadouxM.In-p lane seism ic response of URM walls upgraded with FRP[J].JCompos Constr，ASCE，2005，9(6):524-535.

[6] ElGawady MA，Lestuzzi P，Badoux M.Static cyclic response of masonry walls repaired fiber-reinforced polymers[J].JCompos Constr，ASCE，2007，11(1):50-61.

[7] 楊 曌，劉衛(wèi)國，彭少民.纖維片材加固砌體結(jié)構(gòu)研究分析[J].武漢理工大學學報，2007，10(29):102-105.

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[10] Santa-María H，Alcaíno P.Resistencia al corte de muros de alba?ilería reforzados externamente con fibras.XXXIIIJornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural.Chile，Santiago，2008.

[11] 黃奕輝，王全鳳.FRP加固磚砌體的抗剪承載力研究[J]. 建筑科學與工程學報，2009，26(1):12-18.