BFRP加固磚柱軸壓性能研究

范子陽+包穎+徐翔宇+馬鵬+賴秉洪

摘 要：本次試驗(yàn)制作3根磚柱，采用BFRP全裹加固法對其進(jìn)行加固，分析軸心受壓作用下BFRP加固磚柱的受力性能和破壞形態(tài)，探討B(tài)FRP加固對磚柱的承載力影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：BFRP能顯著提高磚柱的極限承載力，BFRP層數(shù)的增加對承載力的提升效果并不明顯。

關(guān)鍵詞：磚柱；玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物；加固；極限承載力

我國現(xiàn)存的砌體結(jié)構(gòu)建筑面大量廣，這些砌體結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)規(guī)范變更、材料老化、施工錯(cuò)誤、自然災(zāi)害等因素導(dǎo)致了構(gòu)件不滿足現(xiàn)行使用。這些砌體結(jié)構(gòu)中，磚柱作為主要承重構(gòu)件，其安全性尤為重要。因此，采用有效的加固方法保證磚柱具有足夠的承載力和變形能力非常關(guān)鍵。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)是對舊有的砌體柱進(jìn)行加固，因此采用二手紅磚，紅磚的強(qiáng)度通過回彈儀測得，查取《砌體中磚抗壓強(qiáng)度回彈法檢測規(guī)程》，最后獲得磚的抗壓強(qiáng)度代表值為12.30MPa。

BFRP按照《架構(gòu)加固修復(fù)用玄武巖纖維復(fù)合材料》制作測定玄武巖纖維片材力學(xué)性能試樣5個(gè)，通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析數(shù)據(jù)得到BFRP材料的彈性模量為105GPa和抗拉強(qiáng)度為2100Mpa。

本次試驗(yàn)采用3根普通磚柱為一次砌筑成形，同時(shí)制作一組砂漿試塊，養(yǎng)護(hù)28天。按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，磚柱試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為240mm×370mm×720mm。

本次試驗(yàn)選擇BFRP層數(shù)作為研究參數(shù)，設(shè)計(jì)了3個(gè)試驗(yàn)試件，BFRP層數(shù)分別為0層、1層、2層。通過分析不同層數(shù)下加固柱的荷載-應(yīng)變曲線和破壞現(xiàn)象，分析BFRP對普通磚柱的加固效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

未加固磚柱B0表面除用以保護(hù)柱頭柱腳的纖維布纏繞外，無其他纖維布加固，該試驗(yàn)柱的極限承載力為332kN。

加固磚柱B1整個(gè)柱身用一層厚度為0.115mm的BFRP纖維布全裹加固，且柱頭柱腳分別用15mm寬的BFRP纖維布加固，防止端部效應(yīng)的影響，該試驗(yàn)柱的極限承載力為660kN。

加固磚柱B2整個(gè)柱身用2層厚度為0.115mm的BFRP纖維布全裹加固，且柱頭柱腳分別用15mm寬的BFRP纖維布加固，防止端部效應(yīng)的影響，該試驗(yàn)柱的極限承載力為630kN。

粘貼不同層數(shù)BFRP試件的承載力試驗(yàn)結(jié)果顯示，BFRP加固磚柱，能夠提高磚柱的承載力。粘貼一層、兩層和三層BFRP的加固柱承載力分別提高98%、90%。考慮磚柱本身的離散型較大這一因素，可以認(rèn)為，BFRP層數(shù)的增加對承載力的提升效果并不明顯。

3 工作機(jī)理分析

通過分析試驗(yàn)結(jié)果可知，使用BFRP加固砌體能有效地提高砌體的軸壓抗壓強(qiáng)度，并且能夠緩解砌體裂縫的出現(xiàn)并控制其發(fā)展，避免砌體出現(xiàn)酥碎現(xiàn)象。

可根據(jù)磚砌體本身的受壓應(yīng)力狀態(tài)分析BFRP對砌體的抗壓加固機(jī)理。以普通磚砌體為研究對象，由于砌體內(nèi)砂漿層的飽滿程度、灰縫的厚薄程度、密實(shí)性不均勻以及磚表面不完全平整，導(dǎo)致每塊磚在砌體內(nèi)不能較好地支承在均勻且飽滿的墊層上。這樣也就導(dǎo)致當(dāng)砌體受到軸壓時(shí)，單塊磚在砌體中受到不均勻壓力，處在彎、剪、扭和局部受壓的復(fù)合受力狀態(tài)下，且磚的抗彎、抗剪能力都遠(yuǎn)低于磚的抗壓強(qiáng)度。再者，磚和砂漿在材料性能方面差異較大，兩者彈性模量和橫向變形不相等，一般情況下磚的橫向變形比砂漿橫向變形小，砌體在受壓條件下兩者會(huì)相互約束，磚塊體內(nèi)則產(chǎn)生雙向的橫向拉應(yīng)力，砂漿內(nèi)產(chǎn)生雙向的橫向壓應(yīng)力，這會(huì)促使磚在較低壓力下提早開裂。

FRP加固砌體可以使整個(gè)砌體和FRP布共同承擔(dān)復(fù)合應(yīng)力，表現(xiàn)出更好的整體受力性能。FRP在浸膠粘貼在砌體表面時(shí)，可以提高砌體的抗彎能力、剛度和抗剪能力。

自然人工條件下，砌體砌筑過程中豎向灰縫的填實(shí)難以保證，導(dǎo)致磚在豎向灰縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，F(xiàn)RP加固砌體而減弱豎向灰縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象。

單層的BFRP約束砌體結(jié)構(gòu)柱尚不能充分利用BFRP的極限抗拉強(qiáng)度，增加BFRP層數(shù)依舊存在軸向應(yīng)變和應(yīng)力集中的作用，試驗(yàn)結(jié)果也說明增加BFRP層數(shù)對承載力的提升效果作用并不明顯，因此，對于砌體結(jié)構(gòu)的BFRP全裹加固，增加BFRP層數(shù)是沒有必要的。

4 主要結(jié)論

本文以BFRP層數(shù)為研究參數(shù)，通過開展BFRP加固磚柱在軸壓荷載作用下的實(shí)驗(yàn)研究，分析了試件在加載過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象和工作機(jī)理。本文主要得出了以下結(jié)論：

（1）在初始加載階段，BFRP應(yīng)變較小，約束力較小，隨著荷載的增大，BFRP約束力增強(qiáng)，柱的橫向變形得到約束，進(jìn)而延緩砌體裂縫的發(fā)展，顯著提高柱子的極限承載力。

（2）隨著砌體表面粘貼BFRP層數(shù)的增加，本次試驗(yàn)中試件的極限承載力并沒有得到有效提升，說明BFRP層數(shù)的增加對承載力的提升效果并不明顯。

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