BFRP加固砌體墻抗震性能試驗研究

趙少偉，胡霖嵩，裴文博

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

BFRP加固砌體墻抗震性能試驗研究

趙少偉1,2，胡霖嵩1，裴文博1

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

為了研究不同加固方式、加固不同損傷程度墻體的抗震性能，通過對玄武巖纖維布（BFRP）加固后的4片墻體進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，并分析其破壞形態(tài)、承載力、變形性能、耗能能力、加固效果等．研究結(jié)果表明：采用BFRP加固砌體墻的方法，可以不同程度的提升墻體的極限承載力及延性，提高墻體的整體性，延緩剛度退化，從而改善墻體抗震性能．

砌體結(jié)構(gòu)加固；玄武巖纖維布（BFRP）；擬靜力試驗；抗剪承載力；抗震性能

0 引言

目前雖然磚砌體的使用在工程建設(shè)中受到限制，但砌體結(jié)構(gòu)在我國仍然是存量最大的建筑結(jié)構(gòu)形式．這些現(xiàn)存的砌體結(jié)構(gòu)由于年久失修、自然災(zāi)害、建筑物的改建和擴(kuò)建等因素，產(chǎn)生開裂損傷，嚴(yán)重影響砌體結(jié)構(gòu)的正常使用．因此，研究砌體結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)已成為工程界亟待解決的問題．

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固技術(shù)具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、施工速度快以及占據(jù)使用空間少等優(yōu)點，當(dāng)前研究、開發(fā)FRP材料進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)加固是發(fā)展的趨勢[1]．在國外許多古建筑采用了FRP進(jìn)行修復(fù)加固，取得了良好的效果[2-7]．國內(nèi)在FRP材料加固砌體結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，目前有武漢理工大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)及清華大學(xué)等少數(shù)幾家單位在進(jìn)行研究，但理論和應(yīng)用還處于起步階段[8]．玄武巖纖維（BFRP）作為一種新型加固材料，目前僅在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)加固中有過初步研究，尚未在砌體結(jié)構(gòu)加固工程中得到推廣和應(yīng)用[1,9]．

鑒于此，本文著重對玄武巖纖維布不同加固方式、加固不同損傷程度砌體墻進(jìn)行了試驗研究為玄武巖纖維布抗震加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供試驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)．

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗共制作了4個試件，試件尺寸根據(jù)工程實際墻體高度、寬度按1∶2進(jìn)行縮尺，試驗時頂梁上豎向壓應(yīng)力=0.6MPa．墻體厚240mm、寬1 600mm、高1 100mm，高寬比為l∶1.45．墻體上、下均設(shè)有鋼筋混凝土橫梁與之相連，試件尺寸如圖1所示．墻體采用MU10的粘土磚、M 10的水泥砂漿砌筑．上下橫梁采用C30混凝土．

圖1 試件尺寸圖（單位：mm）Fig.1 Specimen size chart(unit:mm)

1.2 試件加固方案

為了研究BFRP不同粘貼方式和不同損傷程度對墻體加固的效果的影響，共設(shè)計了4片墻體，加固時所用纖維布總面積相同，其中：

1）試件W-1為對比墻，不進(jìn)行任何加固處理．加載至破壞后進(jìn)行“X”型加固，即為試件W-5．

2）試件W-2、W-3纖維布用量相同，粘貼方式不同，與試件W-1相比，用以對比分析纖維布不同粘貼方式對墻體加固的效果和抗震性能的影響．

3）試件W-4、W-5分別加載到開裂和破壞后進(jìn)行加固，與試件W-2對比，用以對比分析纖維布加固不同損傷程度墻體的抗震性能．

試件編號及加固方案見表1，試驗時所用的BFRP性能指標(biāo)見表2，試件加固方案示意圖見圖2．

表1 試件編號及加固方案Tab.1 Specimen numberand strengthening plan

表2 玄武巖纖維布的性能指標(biāo)Tab.2 The performance index of BFRP

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗有橫向與豎向加載裝置，如圖3．

圖2 試件加固方案示意圖Fig.2 The schematic diagram of strengthening plan of specimen

按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ101-96）[10]的加載方法，采用“荷載-變形”雙控進(jìn)行低周水平反復(fù)加載．豎向荷載試驗前按0.6MPa（230 kN）一次加足．開裂前按荷載控制進(jìn)行逐級加載，每級循環(huán)1次；開裂后按位移控制，每級循環(huán)2次，每級增加1倍開裂位移，直至試件破壞或荷載下降至極限荷載的85%時終止試驗．

圖3 試驗裝置Fig.3 Testing equipment

2 試驗結(jié)果

試驗現(xiàn)象表明，在低周反復(fù)荷載作用下，試件W-1 ～W-5破壞形態(tài)均為剪摩破壞．各墻體破壞見圖4．

圖4 各墻體破壞時裂縫示意圖Fig.4 The crack schematic diagram of thebrickmasonry wallsdestructed

其中，W-4與W-5在未加固時在加載初期（荷載控制點40 kN、60 kN、80 kN），試件基本處于彈性階段，P-曲線幾乎呈線性，每級荷載作用下的殘余變形很?。谡虻?個循環(huán)（荷載控制點120 kN），加載到116 kN時，墻體左側(cè)下部第4、5皮磚之間出現(xiàn)第1條水平灰縫，長約282mm．此后對試驗墻進(jìn)行加固（即W-4）．而在通過控制位移進(jìn)行加載到反向3時，墻體下部第3、4皮磚之間的水平灰縫通過豎向灰縫繼續(xù)延伸．墻體左下角出現(xiàn)3條貫穿磚的斜向裂縫，最大磚縫寬0.26mm．同時，墻體左側(cè)面最下一皮磚被壓碎并擠出，梁體破壞，此后對試驗梁進(jìn)行加固（即W-5）．

加固后的W-4在加載初期（荷載控制點40 kN、60 kN、80 kN），試件基本處于彈性階段，P-曲線幾乎呈線性，每級荷載作用下的殘余變形很小．當(dāng)荷載逐漸增大（荷載控制點100 kN、120 kN、140 kN），滯回曲線出現(xiàn)輕微彎曲，殘余變形有少許增加，并沒有觀察到細(xì)微裂縫產(chǎn)生，試件進(jìn)入彈塑性變形階段．在反向第7個循環(huán)，墻體右側(cè)第2、3皮磚之間出現(xiàn)水平灰縫，向左發(fā)展長約228mm．加載過程中，有輕微纖維布拉緊的聲音，墻體與底梁之間出現(xiàn)縫隙．此后，開始位移控制加載，正向6時，墻體右側(cè)面最下幾皮磚的原有磚縫向上延伸，劈裂現(xiàn)象更加明顯．反向6時，墻體左側(cè)面最下幾皮磚的裂縫向上延伸到第9皮磚，劈裂現(xiàn)象加劇．墻體右側(cè)面原有水平灰縫急劇增大，灰縫砂漿和磚脫離，導(dǎo)致最下兩皮磚被壓碎的磚大面積松動．墻體兩側(cè)面底部受壓現(xiàn)象嚴(yán)重，承載力急劇下降，喪失抗剪能力，試驗終止．

加固后的W-5在前2個加載循環(huán)（荷載控制點40 kN、60 kN），試件基本處于彈性階段，P-曲線幾乎呈線性，每級荷載作用下的殘余變形很小．在反向第4個循環(huán)，墻體右側(cè)下部第4、5皮磚之間出現(xiàn)第1條水平灰縫，發(fā)展長約172mm后通過豎向灰縫在第3、4皮磚之間水平灰縫繼續(xù)發(fā)展，長約174mm．墻體左側(cè)面出現(xiàn)裂縫，從最下一皮磚延伸到第6皮磚，最大磚縫寬0.37 mm．此后，開始位移控制加載，正向6時，沒有新灰縫出現(xiàn)，原有破壞現(xiàn)象更加明顯．墻體右下角斜向纖維布被剪斷處受壓剝離現(xiàn)象嚴(yán)重，最下三皮磚局部被壓碎脫落，與其上部墻體發(fā)生錯動，墻體右側(cè)面出現(xiàn)嚴(yán)重剝離現(xiàn)象，并伴隨著劈裂現(xiàn)象的出現(xiàn)．之前出現(xiàn)的水平灰縫幾乎貫通墻體下部，墻體承載力急劇下降，喪失抗剪能力，試驗終止．

3 試驗分析

3.1 耗能能力

各試件的滯回曲線由圖5所示，對比分析各試件的滯回曲線，可以得到以下結(jié)論：

圖5 各試件滯回曲線Fig.5 Thehysteresis curveof each specimen

1）在低周反復(fù)荷載的作用下，墻體均經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞3個階段．在加荷初期，墻體未開裂，滯回曲線基本呈彈性特征．隨著荷載的增加，墻體開裂后，滯回曲線發(fā)生一定的彎曲，向位移軸傾斜，滯回環(huán)面積也逐漸飽滿，表現(xiàn)出一定的彈塑性特征．當(dāng)達(dá)到極限荷載時，墻體剛度急劇下降，殘余變形顯著增大，墻體很快達(dá)到破壞荷載．

2）未加固試件W-1開裂后很快就達(dá)到了極限荷載，滯回曲線相對比較狹窄，說明其抗震耗能能力較低．試件W-2、W-3、W-4、W-5開裂后，承載力及變形能力均有一定程度的提高，其滯回曲線的包絡(luò)面積顯著增大．說明了加固后的墻體的整體抗震性能有了較好的改善，并且延性、極限抗剪承載力以及耗能能力都有明顯的提高．

3）直接加固的試件W-2、W-3纖維布粘貼方式不同，加固效果也不同．從滯回曲線上看，試件W-2的滯回環(huán)包絡(luò)面積明顯大于 W-3，且前者極限荷載、極限位移和殘余位移均明顯大于后者．說明試驗中“X”型加固方式對墻體的抗剪承載力、延性和耗能能力的提高程度均好于“#”型加固方式．

4）對于不同損傷程度后加固的墻體，墻體開裂后加固的試件W-4的滯回環(huán)包絡(luò)面積明顯大于破壞后加固的試件W-5，極限承載力和殘余位移均大于后者，但是兩者極限位移相差不多．說明試驗中相比破壞后加固的墻體，開裂后加固的墻體具有更大的耗能能力．而對于直接加固的試件W-2，雖然其包絡(luò)面積沒有試件W-4豐滿，但極限荷載和極限位移均明顯大于W-4和W-5．說明試驗中對于同樣粘貼方式的試件，纖維布對抗剪承載力的提高程度最大的是W-2，其次是W-4．考慮到試件W-5存在原有破壞，纖維布不能抑制墻體沿水平灰縫的滑移，其加固后的抗剪承載力提高不明顯．

圖6為本次試驗各試件的骨架曲線[11]，從圖6可以看出：在加載初期，各試件的荷載與位移基本上呈線性變化，此時試件處于彈性階段．隨著荷載的增加，墻體出現(xiàn)裂縫，骨架曲線出現(xiàn)彎曲，曲線斜率逐漸變小，試件進(jìn)入彈塑性階段．試件W-2和W-3在開裂前的骨架曲線基本一致，開裂后正向相同位移等級時，試件W-2的荷載大于試件W-3，試件W-3達(dá)到極限荷載時，試件W-2的荷載還在增加，且試件W-2的極限位移明顯大于試件W-3．說明試驗中纖維布用量相同時，采用“X”型加固方式要比“#”型的加固效果好．

圖6 各試件的骨架曲線對比Fig.6 The contrastof skeleton curveof each specimen

3.2 剛度退化曲線

剛度退化一般是指在位移幅值不變的條件下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度隨反復(fù)加載的次數(shù)的增加而降低的特性．可通過同一荷載下，或開裂之后為同一位移下的第1個循環(huán)滯回環(huán)的頂點割線剛度來表示其墻體剛度，割線剛度Ki應(yīng)按照下列式子進(jìn)行計算：

式中：Pi、 Pi為第i次循環(huán)加載時的正水平和反水平荷載的峰值；i、i為第i次循環(huán)加載時的正水平和反水平荷載的峰值所對應(yīng)的水平位移．

圖7 各試件的剛度退化曲線對比Fig.7 The comparison of stiffnessdegradation curveof each specimen

按式 (1)的方法計算得到各試件在部分加載等級下的剛度值見表3，各試件剛度退化曲線對比如圖7所示．由圖7，試件W-1在位移達(dá)到5mm左右時墻體破壞，而在此基礎(chǔ)上加固后的試件W-5仍能夠繼續(xù)承載，這是由于纖維布的約束作用，使得墻體在加載后期仍具有一定的剛度和變形能力．在加載后期，試件 W-2、W-3剛度下降相比試件W-1速度較慢，而在試件W-1破壞后，試件W-2、W-3仍能繼續(xù)承載和變形，說明試驗加載后期纖維布充分發(fā)揮其受拉作用時，可以改善墻體整體性，延緩其剛度的退化速度．

表3 各試件相同加載等級下的剛度對比 kN/mmTab.3 The comparison of stiffnessofeach specimen under the same loading level

3.3 延性分析

通常情況下，采用位移延性系數(shù)來反映試件的延性，一般定義為極限位移和開裂位移的比值[12]，即：

從表4可以看出：

1）與未加固試件W-1相比，除試件W-5外，其它試件對延性系數(shù)均有不同程度的提高，分別為100.0%、133.3%、52.1%．說明試驗中粘貼纖維布加固的方法可以提高試件的變形能力，從而表現(xiàn)出高的耗能能力和安全儲備能力，在一定程度上改善了試件的抗震性能．

2）對于未裂直接加固的試件W-2、開裂后加固的試件W-4和破壞后加固的試件W-5，與未加固的試件W-1相比，延性系數(shù)分別提高100.0%、52.1%和 14.6%．可見，墻體損傷程度越大，采用纖維布加固后對其延性的提高越?。?/p>

3）對于試件W-5，通過X型加固可以將墻體的變形能力提高，延性基本恢復(fù)到85%，且延性系數(shù)大于4，滿足延性構(gòu)件要求．而試件W-4雖然加固前墻體開裂，但其灰縫間的砂漿基本保持原有的強(qiáng)度，其延性系數(shù)有所提高．說明試驗中，墻體砂漿的強(qiáng)度對其延性的提高也有影響．

表4 各試件延性系數(shù)對比Tab.4 The comparison of ductility factorof each specimen

4 結(jié)論

1）采用玄武巖纖維布加固砌體墻的方法，可以不同程度的提高墻體的極限承載力及延性，增強(qiáng)墻體的整體性，延緩剛度退化，從而改善墻體抗震性能．

2）相比未加固的試件，加固試件的滯回曲線較為飽滿，變形能力得到不同程度的提高，耗能能力得到明顯改善．

3）玄武巖纖維布在試驗過程中發(fā)揮了其抗拉強(qiáng)度高、延伸率高的特點，延緩了墻體的剛度退化速度，提高了變形能力，從而在一定程度上改善了墻體的抗震性能．

4）玄武巖纖維布在試驗中的作用相當(dāng)于桁架模型中的受拉桿，通過受拉桿機(jī)制改善墻體內(nèi)的受力狀態(tài)，提高約束墻體來阻止裂縫的開展，從而提高了墻體的抗剪承載力．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

Experimentalstudy on aseismatic behaviorof masonrywallsstrengthenedw ith BFRP

ZHAO Shaowei1,2，HU Linsong1，PEIWenbo1

(1.CollegeofCivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China;2.CivilEngineering Technology Research Centerof HebeiProvince,Tianjin 300401,China)

In order to study theasersmatic behaviorof differentwaysof strengthening and different loading levels,based on theaseismatic experimentof fourbrickmasonrywalls reinforcedw ith BFRPunder low-cyclic lateral loading and comprehensively analyzed the failurepattern,bearing capacity,deformation performance,energy dissipation,reinforcement effectand so on.The experimental results show that themethod ofmasonry walls strengthened w ith BFRP can enhance the ultimate bearing capacity in varying degrees and ductility,heighten the integrity,delay the stiffness degradation, thereby improve the asersmatic behavior.

masonry structure reinforcement;basalt fiber reinforced polymer(BFRP);pseudo-static test;shearing capacity;asersmatic behavior

TU364

A

1007-2373(2016)02-0104-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.018

2014-09-06

河北省交通運輸廳科技計劃（Y-2011052）；天津市自然科學(xué)基金（12JCYBJC14100）

趙少偉（1972-），男（漢族），教授，博士，171534631@qq.com．