BFRP加固砌体墙抗震性能试验研究

赵少伟，胡霖嵩，裴文博

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

BFRP加固砌体墙抗震性能试验研究

赵少伟1,2，胡霖嵩1，裴文博1

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

为了研究不同加固方式、加固不同损伤程度墙体的抗震性能，通过对玄武岩纤维布（BFRP）加固后的4片墙体进行低周反复荷载试验，并分析其破坏形态、承载力、变形性能、耗能能力、加固效果等．研究结果表明：采用BFRP加固砌体墙的方法，可以不同程度的提升墙体的极限承载力及延性，提高墙体的整体性，延缓刚度退化，从而改善墙体抗震性能．

砌体结构加固；玄武岩纤维布（BFRP）；拟静力试验；抗剪承载力；抗震性能

0 引言

目前虽然砖砌体的使用在工程建设中受到限制，但砌体结构在我国仍然是存量最大的建筑结构形式．这些现存的砌体结构由于年久失修、自然灾害、建筑物的改建和扩建等因素，产生开裂损伤，严重影响砌体结构的正常使用．因此，研究砌体结构的补强加固技术已成为工程界亟待解决的问题．

由于纤维增强复合材料（FRP）加固技术具有轻质、强度高、施工速度快以及占据使用空间少等优点，当前研究、开发FRP材料进行砌体结构加固是发展的趋势[1]．在国外许多古建筑采用了FRP进行修复加固，取得了良好的效果[2-7]．国内在FRP材料加固砌体结构的研究起步较晚，目前有武汉理工大学、浙江大学、天津大学及清华大学等少数几家单位在进行研究，但理论和应用还处于起步阶段[8]．玄武岩纤维（BFRP）作为一种新型加固材料，目前仅在钢筋混凝土结构及木结构加固中有过初步研究，尚未在砌体结构加固工程中得到推广和应用[1,9]．

鉴于此，本文着重对玄武岩纤维布不同加固方式、加固不同损伤程度砌体墙进行了试验研究为玄武岩纤维布抗震加固砌体结构技术的推广与应用提供试验依据和理论基础．

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共制作了4个试件，试件尺寸根据工程实际墙体高度、宽度按1∶2进行缩尺，试验时顶梁上竖向压应力=0.6MPa．墙体厚240mm、宽1 600mm、高1 100mm，高宽比为l∶1.45．墙体上、下均设有钢筋混凝土横梁与之相连，试件尺寸如图1所示．墙体采用MU10的粘土砖、M 10的水泥砂浆砌筑．上下横梁采用C30混凝土．

图1 试件尺寸图（单位：mm）Fig.1 Specimen size chart(unit:mm)

1.2 试件加固方案

为了研究BFRP不同粘贴方式和不同损伤程度对墙体加固的效果的影响，共设计了4片墙体，加固时所用纤维布总面积相同，其中：

1）试件W-1为对比墙，不进行任何加固处理．加载至破坏后进行“X”型加固，即为试件W-5．

2）试件W-2、W-3纤维布用量相同，粘贴方式不同，与试件W-1相比，用以对比分析纤维布不同粘贴方式对墙体加固的效果和抗震性能的影响．

3）试件W-4、W-5分别加载到开裂和破坏后进行加固，与试件W-2对比，用以对比分析纤维布加固不同损伤程度墙体的抗震性能．

试件编号及加固方案见表1，试验时所用的BFRP性能指标见表2，试件加固方案示意图见图2．

表1 试件编号及加固方案Tab.1 Specimen numberand strengthening plan

表2 玄武岩纤维布的性能指标Tab.2 The performance index of BFRP

1.3 试验装置及加载制度

本试验有横向与竖向加载装置，如图3．

图2 试件加固方案示意图Fig.2 The schematic diagram of strengthening plan of specimen

按照《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-96）[10]的加载方法，采用“荷载-变形”双控进行低周水平反复加载．竖向荷载试验前按0.6MPa（230 kN）一次加足．开裂前按荷载控制进行逐级加载，每级循环1次；开裂后按位移控制，每级循环2次，每级增加1倍开裂位移，直至试件破坏或荷载下降至极限荷载的85%时终止试验．

图3 试验装置Fig.3 Testing equipment

2 试验结果

试验现象表明，在低周反复荷载作用下，试件W-1 ～W-5破坏形态均为剪摩破坏．各墙体破坏见图4．

图4 各墙体破坏时裂缝示意图Fig.4 The crack schematic diagram of thebrickmasonry wallsdestructed

其中，W-4与W-5在未加固时在加载初期（荷载控制点40 kN、60 kN、80 kN），试件基本处于弹性阶段，P-曲线几乎呈线性，每级荷载作用下的残余变形很小．在正向第5个循环（荷载控制点120 kN），加载到116 kN时，墙体左侧下部第4、5皮砖之间出现第1条水平灰缝，长约282mm．此后对试验墙进行加固（即W-4）．而在通过控制位移进行加载到反向3时，墙体下部第3、4皮砖之间的水平灰缝通过竖向灰缝继续延伸．墙体左下角出现3条贯穿砖的斜向裂缝，最大砖缝宽0.26mm．同时，墙体左侧面最下一皮砖被压碎并挤出，梁体破坏，此后对试验梁进行加固（即W-5）．

加固后的W-4在加载初期（荷载控制点40 kN、60 kN、80 kN），试件基本处于弹性阶段，P-曲线几乎呈线性，每级荷载作用下的残余变形很小．当荷载逐渐增大（荷载控制点100 kN、120 kN、140 kN），滞回曲线出现轻微弯曲，残余变形有少许增加，并没有观察到细微裂缝产生，试件进入弹塑性变形阶段．在反向第7个循环，墙体右侧第2、3皮砖之间出现水平灰缝，向左发展长约228mm．加载过程中，有轻微纤维布拉紧的声音，墙体与底梁之间出现缝隙．此后，开始位移控制加载，正向6时，墙体右侧面最下几皮砖的原有砖缝向上延伸，劈裂现象更加明显．反向6时，墙体左侧面最下几皮砖的裂缝向上延伸到第9皮砖，劈裂现象加剧．墙体右侧面原有水平灰缝急剧增大，灰缝砂浆和砖脱离，导致最下两皮砖被压碎的砖大面积松动．墙体两侧面底部受压现象严重，承载力急剧下降，丧失抗剪能力，试验终止．

加固后的W-5在前2个加载循环（荷载控制点40 kN、60 kN），试件基本处于弹性阶段，P-曲线几乎呈线性，每级荷载作用下的残余变形很小．在反向第4个循环，墙体右侧下部第4、5皮砖之间出现第1条水平灰缝，发展长约172mm后通过竖向灰缝在第3、4皮砖之间水平灰缝继续发展，长约174mm．墙体左侧面出现裂缝，从最下一皮砖延伸到第6皮砖，最大砖缝宽0.37 mm．此后，开始位移控制加载，正向6时，没有新灰缝出现，原有破坏现象更加明显．墙体右下角斜向纤维布被剪断处受压剥离现象严重，最下三皮砖局部被压碎脱落，与其上部墙体发生错动，墙体右侧面出现严重剥离现象，并伴随着劈裂现象的出现．之前出现的水平灰缝几乎贯通墙体下部，墙体承载力急剧下降，丧失抗剪能力，试验终止．

3 试验分析

3.1 耗能能力

各试件的滞回曲线由图5所示，对比分析各试件的滞回曲线，可以得到以下结论：

图5 各试件滞回曲线Fig.5 Thehysteresis curveof each specimen

1）在低周反复荷载的作用下，墙体均经历了弹性、弹塑性和破坏3个阶段．在加荷初期，墙体未开裂，滞回曲线基本呈弹性特征．随着荷载的增加，墙体开裂后，滞回曲线发生一定的弯曲，向位移轴倾斜，滞回环面积也逐渐饱满，表现出一定的弹塑性特征．当达到极限荷载时，墙体刚度急剧下降，残余变形显著增大，墙体很快达到破坏荷载．

2）未加固试件W-1开裂后很快就达到了极限荷载，滞回曲线相对比较狭窄，说明其抗震耗能能力较低．试件W-2、W-3、W-4、W-5开裂后，承载力及变形能力均有一定程度的提高，其滞回曲线的包络面积显著增大．说明了加固后的墙体的整体抗震性能有了较好的改善，并且延性、极限抗剪承载力以及耗能能力都有明显的提高．

3）直接加固的试件W-2、W-3纤维布粘贴方式不同，加固效果也不同．从滞回曲线上看，试件W-2的滞回环包络面积明显大于 W-3，且前者极限荷载、极限位移和残余位移均明显大于后者．说明试验中“X”型加固方式对墙体的抗剪承载力、延性和耗能能力的提高程度均好于“#”型加固方式．

4）对于不同损伤程度后加固的墙体，墙体开裂后加固的试件W-4的滞回环包络面积明显大于破坏后加固的试件W-5，极限承载力和残余位移均大于后者，但是两者极限位移相差不多．说明试验中相比破坏后加固的墙体，开裂后加固的墙体具有更大的耗能能力．而对于直接加固的试件W-2，虽然其包络面积没有试件W-4丰满，但极限荷载和极限位移均明显大于W-4和W-5．说明试验中对于同样粘贴方式的试件，纤维布对抗剪承载力的提高程度最大的是W-2，其次是W-4．考虑到试件W-5存在原有破坏，纤维布不能抑制墙体沿水平灰缝的滑移，其加固后的抗剪承载力提高不明显．

图6为本次试验各试件的骨架曲线[11]，从图6可以看出：在加载初期，各试件的荷载与位移基本上呈线性变化，此时试件处于弹性阶段．随着荷载的增加，墙体出现裂缝，骨架曲线出现弯曲，曲线斜率逐渐变小，试件进入弹塑性阶段．试件W-2和W-3在开裂前的骨架曲线基本一致，开裂后正向相同位移等级时，试件W-2的荷载大于试件W-3，试件W-3达到极限荷载时，试件W-2的荷载还在增加，且试件W-2的极限位移明显大于试件W-3．说明试验中纤维布用量相同时，采用“X”型加固方式要比“#”型的加固效果好．

图6 各试件的骨架曲线对比Fig.6 The contrastof skeleton curveof each specimen

3.2 刚度退化曲线

刚度退化一般是指在位移幅值不变的条件下，结构或构件的刚度随反复加载的次数的增加而降低的特性．可通过同一荷载下，或开裂之后为同一位移下的第1个循环滞回环的顶点割线刚度来表示其墙体刚度，割线刚度Ki应按照下列式子进行计算：

式中：Pi、 Pi为第i次循环加载时的正水平和反水平荷载的峰值；i、i为第i次循环加载时的正水平和反水平荷载的峰值所对应的水平位移．

图7 各试件的刚度退化曲线对比Fig.7 The comparison of stiffnessdegradation curveof each specimen

按式 (1)的方法计算得到各试件在部分加载等级下的刚度值见表3，各试件刚度退化曲线对比如图7所示．由图7，试件W-1在位移达到5mm左右时墙体破坏，而在此基础上加固后的试件W-5仍能够继续承载，这是由于纤维布的约束作用，使得墙体在加载后期仍具有一定的刚度和变形能力．在加载后期，试件 W-2、W-3刚度下降相比试件W-1速度较慢，而在试件W-1破坏后，试件W-2、W-3仍能继续承载和变形，说明试验加载后期纤维布充分发挥其受拉作用时，可以改善墙体整体性，延缓其刚度的退化速度．

表3 各试件相同加载等级下的刚度对比 kN/mmTab.3 The comparison of stiffnessofeach specimen under the same loading level

3.3 延性分析

通常情况下，采用位移延性系数来反映试件的延性，一般定义为极限位移和开裂位移的比值[12]，即：

从表4可以看出：

1）与未加固试件W-1相比，除试件W-5外，其它试件对延性系数均有不同程度的提高，分别为100.0%、133.3%、52.1%．说明试验中粘贴纤维布加固的方法可以提高试件的变形能力，从而表现出高的耗能能力和安全储备能力，在一定程度上改善了试件的抗震性能．

2）对于未裂直接加固的试件W-2、开裂后加固的试件W-4和破坏后加固的试件W-5，与未加固的试件W-1相比，延性系数分别提高100.0%、52.1%和 14.6%．可见，墙体损伤程度越大，采用纤维布加固后对其延性的提高越小．

3）对于试件W-5，通过X型加固可以将墙体的变形能力提高，延性基本恢复到85%，且延性系数大于4，满足延性构件要求．而试件W-4虽然加固前墙体开裂，但其灰缝间的砂浆基本保持原有的强度，其延性系数有所提高．说明试验中，墙体砂浆的强度对其延性的提高也有影响．

表4 各试件延性系数对比Tab.4 The comparison of ductility factorof each specimen

4 结论

1）采用玄武岩纤维布加固砌体墙的方法，可以不同程度的提高墙体的极限承载力及延性，增强墙体的整体性，延缓刚度退化，从而改善墙体抗震性能．

2）相比未加固的试件，加固试件的滞回曲线较为饱满，变形能力得到不同程度的提高，耗能能力得到明显改善．

3）玄武岩纤维布在试验过程中发挥了其抗拉强度高、延伸率高的特点，延缓了墙体的刚度退化速度，提高了变形能力，从而在一定程度上改善了墙体的抗震性能．

4）玄武岩纤维布在试验中的作用相当于桁架模型中的受拉杆，通过受拉杆机制改善墙体内的受力状态，提高约束墙体来阻止裂缝的开展，从而提高了墙体的抗剪承载力．

参考文献：

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[12]阮积敏．普通玻璃纤维布加固多孔砖砌体的试验研究 [D]．杭州：浙江大学，2003．

[责任编辑 杨 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

河北省交通运输厅科技计划（Y-2011052）；天津市自然科学基金（12JCYBJC14100）

赵少伟（1972-），男（汉族），教授，博士，171534631@qq.com．