纖維布在砌體結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

陳貢聯(lián)，司林軍

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450011)

砌體房屋所用材料具有脆性性質(zhì)，因此，其抵御地震災(zāi)害的能力較差.對于既有砌體結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行抗震加固非常必要. 由于施工周期長、造價高，使傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在應(yīng)用上受到了很大的限制.

粘貼纖維布加固法是在墻體表面粘貼纖維布以提高墻體整體性和抗裂能力以及抗剪承載力. 用于粘貼的纖維布主要有碳纖維布、玻璃纖維布、芳綸纖維布和玄武巖纖維布. 纖維材料具有較高的強(qiáng)度質(zhì)量比，可以節(jié)省勞動力;耐化學(xué)和環(huán)境的腐蝕;耐疲勞性能;可加固不同形狀的結(jié)構(gòu);優(yōu)異的材料強(qiáng)度和剛度等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注［1］.但纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)在國際上仍處于試驗(yàn)研究階段，遠(yuǎn)未達(dá)到工程應(yīng)用的地步.由于我國在今后很長的一段時間內(nèi)，砌體結(jié)構(gòu)仍會占主導(dǎo)地位，因而纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 纖維布與砌體之間的黏結(jié)性能

纖維布如需發(fā)揮其性能，必須以纖維布和砌體之間可靠有效的黏結(jié)為前提和基礎(chǔ)，只有保證足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，纖維布的拉力才能傳遞給墻體，實(shí)現(xiàn)加固的目的.研究表明，加固墻體表面粘貼的纖維布在尚未達(dá)到有效拉應(yīng)變時，黏結(jié)面便出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，影響了加固效果.因此，研究纖維布與砌體界面的黏結(jié)特性非常必要.

關(guān)于纖維布和砌體之間的黏結(jié)性能，文獻(xiàn)［2］研究了碳纖維布與石砌體之間的黏結(jié)性能，文獻(xiàn)［3］研究了碳纖維布和普通磚砌體之間的黏結(jié)性能，文獻(xiàn)［4］研究了歷史建筑中的砌體與纖維布之間的黏結(jié)性能，均認(rèn)為碳纖維布與砌體之間的黏結(jié)性能與碳纖維布與混凝土之間的黏結(jié)性能類似，其界面黏結(jié)應(yīng)力的分布、有效傳遞長度和黏結(jié)－滑移關(guān)系可根據(jù)碳纖維布與混凝土之間的黏結(jié)模型經(jīng)修正而得到.

1.2 加固墻體在平面內(nèi)外的受力性能

近年來，國內(nèi)外學(xué)者做了一些碳纖維加固磚墻的試驗(yàn)［3，5－6］，認(rèn)為影響加固后墻體抗剪承載力的因素有:加固量、加固形式、碳纖維布的彈性模量、受損墻體的加固時間等.一般情況下，墻體的開裂荷載和極限承載力均有明顯提高(其程度隨纖維材料、砌體結(jié)構(gòu)材料、加固方式的不同而不同)，變形性能明顯改善，抗震耗能能力增強(qiáng).纖維材料加固砌體結(jié)構(gòu)的效果比較明顯.

總體上，碳纖維采取的加固形式如圖1所示，且碳纖維大多數(shù)為片材.

圖1 碳纖維布加固砌體墻片的形式

墻體的平面外彎曲破壞主要是由于地震中的水平慣性力垂直作用于墻體表面，形成平面外彎矩，從而使兩側(cè)表面分別產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力.顯然，對于無筋砌體，僅靠砂漿難以承受如此大的拉力，通常產(chǎn)生沿水平灰縫開裂的平面外彎曲破壞. 這種破壞形式具有突發(fā)性，危害性強(qiáng).現(xiàn)階段對平面外的破壞亦有一些研究并逐漸成為熱點(diǎn)，而用纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)可明顯改善墻體平面外的抗彎性能，對此國外一些學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬［7－9］. 一般情況下認(rèn)為纖維布加固后能大大提高墻體平面外抗彎性能，同時，有人認(rèn)為如果墻體首先發(fā)生受剪破壞，則墻體平面外的抗彎性能不能夠完全發(fā)揮.文獻(xiàn)的研究熱點(diǎn)是加固后墻體平面外的抗彎模型，可通過變分原理、平衡方程、相容方程等推導(dǎo)得出并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

1.3 纖維布的錨固措施

纖維布加固砌體成敗的一個重要因素在于纖維布端部的錨固，如果發(fā)生錨固失效，纖維布的作用得不到發(fā)揮，加固效果將不明顯. 同時，在以往的震害調(diào)查中多次發(fā)現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲破壞，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)底部砌體受拉開裂. 由于砌體材料本身的脆性性質(zhì)，抗拉強(qiáng)度和彎曲抗拉強(qiáng)度較低，底部需采取措施予以加強(qiáng).

纖維布的錨固問題幾乎是所有纖維布加固砌體研究中都面臨的問題. 圖2給出了幾種纖維布的錨固方式.

圖2 纖維布的錨固方式

圖2(a)為文獻(xiàn)［10］的錨固方式，通過纖維布繞過基礎(chǔ)板中鋼筋來保證有效的錨固，取得了良好的效果.文獻(xiàn)［11］的錨固方式與此類似，如圖2(b)所示.文獻(xiàn)［6］為防止墻體底部的彎曲破壞，在底部進(jìn)行了纖維布的錨固，如圖2(c)所示，加固效果顯著，墻體在砌筑時第1 層的灰縫為環(huán)氧砂漿砌筑，如此保證了墻體的裂縫不會首先發(fā)生在此處，但是在實(shí)際工程中，需要加固的結(jié)構(gòu)底部砂漿不會刻意增強(qiáng)，故此方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的適用性存在疑問. 筆者曾對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固［12］，如圖2(d)所示，加固結(jié)構(gòu)為5 層，其中第2—5 層采用玄武巖纖維布進(jìn)行加固.如此加固施工簡單便捷，第1 層為保證上部纖維布的有效錨固，外加鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁.施工時將豎向纖維布伸入構(gòu)造柱中，保證了纖維布的有效錨固長度，同時構(gòu)造柱中的鋼筋植入下部基礎(chǔ)梁中，防止了墻體和基礎(chǔ)梁交界處薄弱位置的開裂，這種加固措施取得了良好的效果. 未加固時結(jié)構(gòu)在地震加速度為0.257 g 時嚴(yán)重開裂，而加固后結(jié)構(gòu)在地震加速度為0.560 g 時嚴(yán)重開裂，結(jié)構(gòu)的抗震能力大大增強(qiáng).

1.4 結(jié)構(gòu)層次上對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固

從現(xiàn)階段的試驗(yàn)研究看，對墻體的加固及加固方法較多，但是對結(jié)構(gòu)整體的加固較少.

文獻(xiàn)［13］用具有拉伸彈性的橡膠帶對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，加固方法主要有3 種:橫向、豎向及橫豎向橡膠條帶的加固.試驗(yàn)結(jié)果表明，3 種方法加固后結(jié)構(gòu)所能承受的地震加速度分別提高了70%，40%和120%左右，說明用橫向和豎向結(jié)合加固的方法效果最好;同時，該文獻(xiàn)也指出用橫向和豎向結(jié)合的加固方法加固后的結(jié)構(gòu)，其裂縫首先發(fā)生在墻體與基礎(chǔ)的交界處，說明墻體與基礎(chǔ)交界處為結(jié)構(gòu)的薄弱位置，加固時應(yīng)當(dāng)特別注意.該文獻(xiàn)為砌體結(jié)構(gòu)加固提供了良好的范例，但是用橡膠帶進(jìn)行加固的工序比較繁瑣.

文獻(xiàn)［14］做了24 個砌體模型結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(yàn)，并對震損后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，然后再試驗(yàn)，其加固方式主要是灌漿之后用混凝土鋼筋網(wǎng)片制作面層加固，體外用拉桿或拉索加固，加固時分別在橫向單獨(dú)加固和橫向豎向同時加固.試驗(yàn)結(jié)果表明，通過加固，結(jié)構(gòu)的抗震性能均有不同程度改善;采用橫向鋼索、鋼梁或鋼筋混凝土帶進(jìn)行加固是最有效的加固方式，原因在于水平約束使各個墻體的殘余應(yīng)力達(dá)到最佳分布.同樣，該方法的加固工序比較繁瑣.

1.5 纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析一般采用有限元法［15－17］，其中有關(guān)ANSYS 的應(yīng)用較多.由于墻體的邊界條件和受力情況復(fù)雜，經(jīng)常需做一些簡化，一般假定:①由砂漿和塊體材料組成的墻體等效成由均質(zhì)材料構(gòu)成的墻體，采用實(shí)體單元，部分研究者也將灰縫和磚塊分開，將灰縫模擬為零厚度的接觸單元，這種建模方式比較精密，但是耗用機(jī)時;②纖維布采用殼單元;③纖維布與墻體的黏結(jié)良好，墻體開裂前，二者之間沒有相對滑移;④不考慮墻體與基礎(chǔ)梁的脫離;⑤豎向荷載和水平荷載按照均布、等量和方向相同的原則等效成節(jié)點(diǎn)荷載，作用在墻體最上部的各節(jié)點(diǎn)上.

現(xiàn)階段的分析一般只是對墻體的分析，而對結(jié)構(gòu)整體的有限元分析還未見諸于相關(guān)文獻(xiàn). 筆者曾用離散單元法對玄武巖纖維布加固的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析［12］，模型仿真結(jié)果如圖3所示，計算結(jié)果如圖4所示. 從兩圖中可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

2 有待解決的問題

1)在纖維布和砌體之間的黏結(jié)性能方面，現(xiàn)階段研究的不足之處是所做試驗(yàn)較少，所研究的砌體材料不夠?qū)挿?，?dāng)磚塊強(qiáng)度及砌塊材料變化時，黏結(jié)性能必然隨之改變，因此有必要建立不同材料強(qiáng)度的黏結(jié)性能指標(biāo).

2)現(xiàn)階段對加固后墻體平面內(nèi)和平面外受力性能的研究較多，但在地震作用下，墻體同時承受平面內(nèi)外的復(fù)合受力作用，因此在雙向地震力作用下加固后墻體的復(fù)合受力性能有待研究.

3)現(xiàn)有文獻(xiàn)中纖維布的錨固措施雖各有不同，但存在一個共同點(diǎn)是下部有鋼筋混凝土的基礎(chǔ)梁或基礎(chǔ)板，在實(shí)際工程中一般為砌體的條形基礎(chǔ)，因此探求新的錨固方式有待解決.

4)只從單片墻體上講，纖維布的粘貼方式有水平豎直和斜向交叉兩種粘貼方式.從墻體受力上講，交叉的粘貼方式更為有利，但是其端部的錨固要求較高.當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜時，怎樣進(jìn)行整體加固還有待研究.

5)針對加固后的砌體結(jié)構(gòu)，尋找快速有效的有限元計算模型對加固后結(jié)構(gòu)的受力分析具有重要意義.

［1］Li T. Shear strengthing of unreinforced masonry walls with FRP composites［D］. Missouri:University of Missouri-Rolla，2004.

［2］Aidllo M A，Sciolti S M.Bond analysis of masonry structures strengthened with CFRP sheets［J］.Construction and Building Materials，2006，20:90－100.

［3］劉驥夫.GFRP 加固砌體墻力學(xué)性能研究［D］. 大連:大連理工大學(xué)，2006.

［4］Capozucca R. Experimental FRP/SRP-historic masonry delamination［J］.Composite Structures，2010，92:891－903.

［5］歐陽煜.碳纖維板加固磚墻的抗震性能研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2004.

［6］楊曌.碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究及理論分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.

［7］Hamed E，Rabinovitch O.Lateral out-of-plane strengthening of masonry walls with composite materials［J］. Journal of Composites for Construction，2010，14(4):376－387.

［8］Hamed E，Rabinovitch O. Out-of-plane behavior of unreinforced masonry walls strengthened with FRP strips［J］.Composites Science and Technology，2007，67(3－4):489－500.

［9］Galal K，Sasanian N. Out-of-plane flexural performance of GFRP-reinforced masonry walls［J］. Journal of Composites for Construction，2010，14(2):162－174.

［10］Tumialan J G，Galati N，Nanni A. Fiber-reinforced polymer strengthening of unreinforced masonry walls subject to outof-plane loads［J］. ACI Structural Journal，2003，100(3):321－329.

［11］Buchan P A，Chen J F. Blast resistance of FRP composites and polymer strengthened concrete and masonry structures:A state-of-the-art review［J］.Composites:Part B，2007，38:509－522.

［12］陳貢聯(lián). 混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)的靜、動力性能研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.

［13］Turer A，Korkmaz S Z，Korkmaz H H.Performance improvement studies of masonry houses using elastic post-tensioning straps［J］.Earthquake Engineering and Structure Dynamics，2007，36(5):683－705.

［14］Benedetti D，Carydis P，Pezzoli P. Shaking table test on 24 simple masonry buildings［J］. Earthquake Engineering and Structure Dynamics，1998，27(1):67－90.

［15］葉芳菲.纖維板加固磚墻抗震性能的試驗(yàn)研究及有限元分析［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2005.

［16］許三羅，方秦.彈性聚合物和碳纖維布加固的砌體墻抗爆性能的數(shù)值分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，11(3):306－311.

［17］Grande E，Milani G，Sacco E.Modelling and analysis of FRPstrengthened masonry panels［J］.Engineering Structures，2008，30(7):1842－1860.