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(yàn)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(guò)對(duì)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(yàn)，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(yàn)；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(guó)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(kāi)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(wèn)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(diǎn)，當(dāng)前研究、開(kāi)發(fā)FRP材料進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)加固是發(fā)展的趨勢(shì)[1]．在國(guó)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(guó)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(guò)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(duì)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(yàn)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(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共制作了4個(gè)試件，試件尺寸根據(jù)工程實(shí)際墻體高度、寬度按1∶2進(jìn)行縮尺，試驗(yàn)時(shí)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(duì)墻體加固的效果的影響，共設(shè)計(jì)了4片墻體，加固時(shí)所用纖維布總面積相同，其中：

1）試件W-1為對(duì)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(duì)比分析纖維布不同粘貼方式對(duì)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(kāi)裂和破壞后進(jìn)行加固，與試件W-2對(duì)比，用以對(duì)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(hào)及加固方案見(jiàn)表1，試驗(yàn)時(shí)所用的BFRP性能指標(biāo)見(jiàn)表2，試件加固方案示意圖見(jiàn)圖2．

表1 試件編號(hào)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(yàn)裝置及加載制度

本試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)前按0.6MPa（230 kN）一次加足．開(kāi)裂前按荷載控制進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)1次；開(kāi)裂后按位移控制，每級(jí)循環(huán)2次，每級(jí)增加1倍開(kāi)裂位移，直至試件破壞或荷載下降至極限荷載的85%時(shí)終止試驗(yàn)．

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Testing equipment

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(jiàn)圖4．

圖4 各墻體破壞時(shí)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(shí)在加載初期（荷載控制點(diǎn)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(jí)荷載作用下的殘余變形很小．在正向第5個(gè)循環(huán)（荷載控制點(diǎn)120 kN），加載到116 kN時(shí)，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(zhǎng)約282mm．此后對(duì)試驗(yàn)墻進(jìn)行加固（即W-4）．而在通過(guò)控制位移進(jìn)行加載到反向3時(shí)，墻體下部第3、4皮磚之間的水平灰縫通過(guò)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(shí)，墻體左側(cè)面最下一皮磚被壓碎并擠出，梁體破壞，此后對(duì)試驗(yàn)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(diǎn)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(jí)荷載作用下的殘余變形很?。?dāng)荷載逐漸增大（荷載控制點(diǎn)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(méi)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(gè)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(zhǎng)約228mm．加載過(guò)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(kāi)始位移控制加載，正向6時(shí)，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(shí)，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?。畨w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(dòng)．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(yàn)終止．

加固后的W-5在前2個(gè)加載循環(huán)（荷載控制點(diǎn)40 kN、60 kN），試件基本處于彈性階段，P-曲線幾乎呈線性，每級(jí)荷載作用下的殘余變形很?。诜聪虻?個(gè)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(zhǎng)約172mm后通過(guò)豎向灰縫在第3、4皮磚之間水平灰縫繼續(xù)發(fā)展，長(zhǎng)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(kāi)始位移控制加載，正向6時(shí)，沒(méi)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(cuò)動(dòng)，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(yàn)終止．

3 試驗(yàn)分析

3.1 耗能能力

各試件的滯回曲線由圖5所示，對(duì)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(gè)階段．在加荷初期，墻體未開(kāi)裂，滯回曲線基本呈彈性特征．隨著荷載的增加，墻體開(kāi)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(mǎn)，表現(xiàn)出一定的彈塑性特征．當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，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(kāi)裂后很快就達(dá)到了極限荷載，滯回曲線相對(duì)比較狹窄，說(shuō)明其抗震耗能能力較低．試件W-2、W-3、W-4、W-5開(kāi)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(shuō)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(shuō)明試驗(yàn)中“X”型加固方式對(duì)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(duì)于不同損傷程度后加固的墻體，墻體開(kāi)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(shuō)明試驗(yàn)中相比破壞后加固的墻體，開(kāi)裂后加固的墻體具有更大的耗能能力．而對(duì)于直接加固的試件W-2，雖然其包絡(luò)面積沒(méi)有試件W-4豐滿(mǎn)，但極限荷載和極限位移均明顯大于W-4和W-5．說(shuō)明試驗(yàn)中對(duì)于同樣粘貼方式的試件，纖維布對(duì)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(yàn)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(shí)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(kāi)裂前的骨架曲線基本一致，開(kāi)裂后正向相同位移等級(jí)時(shí)，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(shí)，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(shuō)明試驗(yàn)中纖維布用量相同時(shí)，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(duì)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(guò)同一荷載下，或開(kāi)裂之后為同一位移下的第1個(gè)循環(huán)滯回環(huán)的頂點(diǎn)割線剛度來(lái)表示其墻體剛度，割線剛度Ki應(yīng)按照下列式子進(jìn)行計(jì)算：

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

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

按式 (1)的方法計(jì)算得到各試件在部分加載等級(jí)下的剛度值見(jiàn)表3，各試件剛度退化曲線對(duì)比如圖7所示．由圖7，試件W-1在位移達(dá)到5mm左右時(shí)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(shuō)明試驗(yàn)加載后期纖維布充分發(fā)揮其受拉作用時(shí)，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(jí)下的剛度對(duì)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(lái)反映試件的延性，一般定義為極限位移和開(kāi)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(duì)延性系數(shù)均有不同程度的提高，分別為100.0%、133.3%、52.1%．說(shuō)明試驗(yàn)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(chǔ)備能力，在一定程度上改善了試件的抗震性能．

2）對(duì)于未裂直接加固的試件W-2、開(kāi)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(jiàn)，墻體損傷程度越大，采用纖維布加固后對(duì)其延性的提高越?。?/p>

3）對(duì)于試件W-5，通過(guò)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(mǎn)足延性構(gòu)件要求．而試件W-4雖然加固前墻體開(kāi)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(shuō)明試驗(yàn)中，墻體砂漿的強(qiáng)度對(duì)其延性的提高也有影響．

表4 各試件延性系數(shù)對(duì)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(mǎn)，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(yàn)過(guò)程中發(fā)揮了其抗拉強(qiáng)度高、延伸率高的特點(diǎn)，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(yàn)中的作用相當(dāng)于桁架模型中的受拉桿，通過(guò)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(lái)阻止裂縫的開(kāi)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(yùn)輸廳科技計(jì)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．