BFRP加固严重震损砌体砖墙抗震性能
雷真，周德源，王继兵
(同济大学 土木工程学院，上海，200092)
摘要：通过对6片砌体砖墙进行模拟地震作用下的预损伤试验、构件修复加固和加固后的低周反复试验，探讨不同玄武岩纤维用量、不同竖向荷载作用下纤维玄武岩纤维(BFRP)加固严重震损砖墙的抗震性能。通过对试验现象及相关数据包括极限承载力、极限位移、延性系数、滞回&延性曲线、刚度退化等方面进行分析。研究结果表明：裂缝修复对震损砖墙承载力恢复的贡献是不容忽视的，砖墙的极限承载力和抗震性能经过玄武岩纤维加固后达到并超过未加固时的水平。玄武岩纤维加固震损砌体结构是合理、有效的，值得在灾后恢复重建阶段中推广。
关键词：玄武岩纤维；砌体砖墙；修复加固；承载力；抗震性能
中图分类号：TU317.1；TU362 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)12-5084-08
Seismic performance of severely seismically damaged masonry walls strengthened by BFRP
LEI Zhen, ZHOU Deyuan, WANG Jibing
(Department of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: The experimental study concentrated on the seismic performance of masonry walls strengthened with basalt fiber reinforced polymer (BFRP) under different reinforcement amounts and vertical compressions, which included pre-damage under low cycle reversed loading, crack repairing, strengthening with BFRP and re-test under low cycle reversed loading. By contrasting and analyzing the experimental phenomenon, ultimate bearing capacity, ultimate drift, hysteresis and skeleton curves, stiffness degradation, it can be noted that crack repairing was crucial to the recovering of seismic performance of severely damaged masonry walls. The repaired masonry walls can reach or even exceed the level of un-strengthened specimens’ ultimate bearing capacity and seismic performance. The result shows that BFRP strengthening technique is effective which is worthy to be extensively promoted and applied in the phase of post-earthquake rehabilitation.
Key words: basalt fiber reinforced polymer(BFRP); masonry wall; repairing and strengthening; bearing capacity; seismic performance
历次震害调查表明，砌体结构较其他结构形式更易遭受破坏[1-2]。在灾后恢复重建阶段，对于大量的可再修砌体结构采取经济可靠的修复加固措施来恢复原有结构使用功能并满足抗震要求，可以大大减少新建房屋工程量，减少巨大的基建投入及建筑材料的消耗，符合我国可持续发展的要求。因此，震损砌体结构的抗震修复和加固逐渐成为加固领域关注的问题。复合纤维加固技术由于具有轻质、高强、施工速度快以及占据使用空间少等优点，近年来在既有未损砌体结构加固中得到推广使用[3-4]，但在震损砌体结构中的试验研究和工程应用却较少报道。Ehsani[5]将该加固技术应用于1994年北岭地震中(6.7级)一栋严重震损砌体结构的加固修复中，验证了加固方法的经济性和有效性。Corradi等[6]对1997—1998年 Umbria-Marche地震中损伤砖石结构进行了粘贴碳纤维(CFRP)和玻璃纤维(GFRP)加固的现场试验，结果表明：粘贴FRP能有效提高受损砌体的抗剪承载力，提高幅度高达55%。随后，谢剑等[7-11]国内外学者陆续进行了复合纤维加固预损伤砌体砖墙的试验研究，加固方式有水平、斜向、满布粘贴，研究结果表明受损砖墙采用复合纤维加固后，砖墙的极限承载力和抗震性能较原未加固砖墙有明显改善。玄武岩纤维(BFRP)是一种新型无机连续纤维，在性价比、伸长率、耐腐蚀和耐久性等许多技术指标方面较CFRP 和GFRP具有一定优越性[12-13]。目前玄武岩纤维在加固领域的应用研究还处于初步阶段，加固对象主要集中为混凝土构件[14-16]。因此，本文作者以模拟严重震损的砌体砖墙为研究对象，采用玄武岩纤维混合加固方式，研究玄武岩纤维加固严重震损砖墙的抗震性能，为玄武岩纤维布加固砌体结构技术的应用和推广提供一定的试验依据。
1 试验概况
1.1 试验设计
本试验过程如下：(1) 试件采用实心黏土砖(长×宽×高为240 mm×115 mm×53 mm)砌筑砖墙，砌筑方式为一顺一丁；(2) 加固方案分为未损伤直接加固、预损伤加固，加固方式均为混合加固；(3) 参照未加固对比试件的试验结果，对试件进行低周反复加载下的预损伤试验，达到严重损伤等级；(4) 采用配合比为1:1的水玻璃和水泥浆液对砖墙裂缝(≥3.0 mm)进行灌浆修复，新砖块替换局部严重压碎砖块；(5) 对对比试件和加固试件进行低周反复试验，直至试件破坏或荷载下降到极限荷载85%以下。
试验共设计6个完全相同试件，编号为W1~W6。砖墙砌筑在钢筋混凝土底梁上，砖墙截面尺寸(长×宽×高)均为2 100 mm×1 500 mm×240 mm，待砖墙养护后在墙体顶部安置加载梁，见图1。为了确保试验过程中梁、墙两者之间不产生相对滑移，在底梁、加载梁上预留凹槽，凹槽尺寸(长×宽×高)为2 100 mm×1 500 mm×20 mm，梁、墙之间采用高强水泥砂浆连接。砂浆的立方体(长×宽×高为70.7 mm×70.7 mm×70.7mm)平均抗压强度为4.8 MPa，砖块平均抗压强度为12.8 MPa。水玻璃和水泥浆液养护28 d后抗压强度为9.25 MPa。玄武岩纤维布抗拉强度为2 303 MPa，弹性模量为105 GPa，伸长率为2.18%。纤维粘贴用胶选用TGJ型纤维粘贴专用胶。
图1 试件尺寸
Fig. 1 Specimen size
1.2 试验加固及加载制度
粘贴纤维时，使交叉玄武岩纤维粘贴在砖墙内侧，水平玄武岩纤维沿墙高等间距粘贴在外侧，如图2所示。试件水平纤维加固量均相同，考虑不同交叉纤维用量和竖向荷载对加固效果的影响，见表1。竖向荷载由水平千斤顶直接施加，不包括加载梁自重部分。具体加固作法如下：(1) 裂缝修复后，对墙体不平整地方进行打磨，砖墙四边倒角半径为20 mm；(2) 砖墙表面定位放线，在拟粘贴纤维布的区域表面均匀饱满地刷一层底胶；(3) 待底层胶凝固后，均匀刷一层饱满的黏结剂，将裁剪好的纤维布粘贴上；(4) 在纤维表面再刷一层黏结剂，并压实、排气、养护。
试验加载装置如图2所示，试验中试件竖向荷载由加载梁顶部2个千斤顶一次性施加，并在试验中保持恒定。当竖向荷载为0.6(0.8) MPa时，竖向力总和为604(806) kN。水平荷载的施加采用力和位移双重控制方法。在裂缝开裂前采用力控制，当接近开裂时，级差由30 kN减小到10 kN，每级荷载往复循环1周；开裂后加载方式改为位移加载，每级等幅循环3周，位移级差为2 mm。
图2 加固方式及加载装置
Fig. 2 Reinforcement approach and loading system
表1 试件加固明细表
Table 1 Strengthening details of specimens
利用电液伺服往复作动器记录荷载、加载梁位移值，同时在砖墙一侧沿高度0，H/2和H处布置位移传感器。根据荷载、墙顶H处位移值可得砖墙荷载－变形滞回曲线及砖墙转角；在纤维表面布置电阻式应变片以记录纤维不同位置在加载过程中应变变化情况，利用DH3817静态应变采集系统进行数据采集，同时在试验过程中实时记录观测裂缝开展情况。
2 试验现象
2.1 未加固试件W1
W1为未受损、未加固对比砖墙，直接加载至破坏。当加载梁水平荷载达到180 kN时，砖墙中部阶梯形开裂，裂缝宽度为0.14 mm。随后加载方式改为位移加载，当加载梁水平位移达到±6 mm时，局部砂浆脱落，砖墙底部受压区砖块竖向开裂，中部位置出现第2条阶梯形裂缝，与第1条裂缝交叉，裂缝宽度为0.12 mm；当位移为±8 mm时，底部受压区砖块开始被压碎，2条交叉剪切裂缝沿砖墙对角线方向持续发展，裂缝宽度增大，此时水平荷载取得最大值；当位移为±10 mm时，砖墙对角裂缝均贯通，最大裂缝宽度达到15 mm。当砖墙承载力下降到极限荷载85%以下，试验停止。此时试件严重剪切开裂，局部砖块压碎。
2.2 直接加固试件SW2
当水平荷载达到200 kN左右时，砖墙端部未粘贴纤维区域出现竖向细微裂缝，裂缝宽度为0.12 mm；当加载梁位移达到±8.0 mm时，墙底4~5皮砖高度处未粘贴纤维区域出现轻微水平裂缝(0.1 mm)；随着位移增大，底部水平纤维布发出连续脆裂声，局部纤维剥离，并伴有砂浆脱落；当位移达到±14.0 mm时，底部水平纤维布撕裂，斜向纤维附近出现细微斜裂缝(0.08~0.12 mm)，墙体出现明显摇摆现象；当位移达到±18.0 mm时，水平荷载达到最大；当位移达到±26.0 mm时，下部斜向纤维布大量与砖墙剥离，墙底水平裂缝沿中间发展(0.2 mm)，端部受压区砖块压碎；当位移达到±30.0 mm时，底部水平纤维布端部拉断，端部受压区砖块严重压碎脱落，水平裂缝因斜向纤维作用而未贯通，试件未发现明显贯穿剪切裂缝，残余变形较大。
2.3 损伤后加固试件RW3~RW6
参照试件W1的试验结果，试件W3~W6的预损伤位移(加载梁水平位移)取为10 mm，预损伤破坏现象如图3所示。所有试件均达到最大承载力，且强度出现下降，严重破坏裂缝宽度大于3.0 mm，局部砌体断裂或裂缝已贯穿到墙厚，达到严重破坏等级[18-19]。
修复加固后，试件RW3~RW6再次进行加载试验。4个试件的宏观试验现象基本类似，以RW3试验为例进行描述。当加载梁水平荷载加载到180 kN左右时，砖墙右上方出现新裂缝(0.10 mm)；当加载梁位移为6 mm时，砖墙底部胶体薄弱部位拉裂，发出“噼啪”声，右侧底部原压碎修复处出现竖向裂缝；当位移为±8 mm时，砖墙底部第5层灰缝处原损伤修复位置再次出现水平裂缝(0.18 mm)，未粘贴纤维区域的砖墙出现细大量轻微竖向裂缝；当加载到9 mm时，墙体右侧底部原压碎修复处有砖块轻微压碎脱落；当加载到±16 mm时，墙体底部锚固纤维纵向撕裂，纤维和砖墙剥离现象明显，脆裂声密集且剧烈；当加载到±20 mm时，右侧底角部砖块压碎鼓出，底部锚固纤维与墙体完全剥离；当加载到24 mm时，底部第5皮砖大部分压碎，试验结束。
图3 加固方式预损伤试件主要破坏现象
Fig. 3 Main failure modes of pre-damaged specimens
3 结果与分析
3.1 强度与变形特性
试件在各阶段下的墙顶荷载、位移特征值和破坏转角如表2所示。其中，试件第1条裂缝发展时对应的墙顶荷载和位移分别用Vcr和
表示；试件极限荷载(Vmax)、极限位移(δmax)为推、拉加载方向峰值的平均值；试件极限位移取0.85倍极限荷载所对应的位移。
由表2可以看出：(1) 对比W1和SW2，玄武岩纤维直接加固砖墙后，砖墙承载力提高了44%，纤维直接加固对极限位移的提高更为显著，提高幅度高达211%。(2) 预损伤试件经修复加固后，承载力和变形能力能够恢复并超过对比试件W1，但由于仍有细微裂缝无法修复而略低于直接加固试件，预损伤对试件极限位移的影响高于极限承载力。(3) 试件RW3与RW5的纤维加固用量相等，但RW3的竖向荷载高于RW5，从表2可以看出：竖向荷载的提高并未提高损伤后加固试件的极限承载力。(4) 试件RW4~RW6因损伤和修复程度仍存在一定差异，纤维加固用量与试件承载力和极限位移的提高并未出现预期的比例关系。(5) 损伤后加固试件的极限荷载与开裂荷载均值的比介于1.69~2.02，可见试件经玄武岩纤维加固后提高了安全储备。
3.2 滞回和骨架曲线
试件的滞回曲线、骨架曲线如图4和图5所示。试件W1在加载初期(0~1.5 mm)，砖墙变形较小，刚度基本保持不变，近似线弹性状态。开裂之后，墙顶荷载上升速率变小，滞回环开始出现捏拢现象，并随着加载位移的增大愈加明显。由于墙体滑移、开裂，滞回环变为反S形，并逐渐向水平轴倾斜。在同级位移加载中，循环次数增加同时砖墙刚度出现下降。墙顶荷载在位移为4 mm时达到峰值后，强度急剧下降，在W1的骨架曲线中未出现明显的屈服平台，表现出未加固砖墙的脆性特性。
相比W1，加固试件加载级数明显增加，滞回曲线更加饱满，具有更好的耗能能力。加固试件滞回环的正反2个方向上，分别存在一个较明显的捏拢点。在正反向加载过程中，砖墙破坏程度不同，滞回曲线呈现出不对称。以试件RW3为例，在位移为2.5 mm前，砖墙能保持较好的线弹性；在位移为5 mm时，滞回曲线开始出现捏拢现象，随加载位移增加，现象更明显；当位移为9 mm时，滞回环变为反S形，并逐渐向水平轴倾斜。
从骨架曲线可以看出：在位移为0~2 mm时，骨架曲线基本呈直线，其中SW2与W1无明显差异，而RW3~RW6骨架曲线斜率因损伤和修复程度不同而仍存在一定差异。开裂后，砖墙与纤维共同受力，加固试件极限承载力较W1明显提高。达到极限荷载之后，玄武岩纤维为主要受力构件，加固试件出现明显屈服，强度下降缓慢，RW3~RW6极限位移较SW2要小。
表2 荷载位移特征值
Table 2 Load-displacement characteristic values
图4 荷载-位移滞回曲线
Fig. 4 Load-displacement hysteretic curves
图5 荷载-位移骨架曲线
Fig. 5 Load-displacement skeleton curves
3.3 刚度退化
图6所示为刚度退化曲线。试件随着位移幅值的不断增加而出现刚度退化的现象见图6。由图6可知：(1) W1在位移为0.1 mm时的初始刚度为495.0 kN/mm，SW2为500 kN/mm，这说明玄武岩纤维直接加固对试件的初始刚度几乎无影响。(2) 与W1相比，RW3~RW6的平均初始刚度(431.9 kN/mm)仅下降了13%，可见对损伤试件加固墙进行裂缝修补可以大大提高试件的初始刚度。(3) 除了RW3~RW6外，试件在位移为0~5 mm时刚度退化速度几乎相同。(4) 当位移大于5 mm时，W1破坏严重，承载力迅速下降，刚度退化明显，而加固试件因纤维变形约束作用，刚度退化缓慢。
图6 刚度退化曲线
Fig. 6 Stiffness degradation curves
3.4 耗能能力
试件的耗能能力可采用滞回曲线所包围的面积衡量。基于墙顶荷载-位移滞回曲线，可确定试件耗散的能量。本文采用累计耗能评价砖墙的耗能能力，即在各计算点将本加载级及之前各加载级中正、负向的半周耗能均值进行累加。各试件的累计耗能随墙顶位移的变化如图7所示。由图7可看出：(1) 在弹性阶段，试件耗能能力小。进入弹塑性阶段后，加固砖墙因纤维加固作用，极限变形和承载能力较W1有较大提高，且破坏更为充分，累计耗能能力有显著提高。(2) 加载前期，同级位移下各试件的正负向累计耗能基本对称，但在加载后期由于在正负向荷载作用下，试件损伤程度不同，其对应墙体累计耗能也呈不对称状态。(3) 与SW2相比，损伤后加固墙体虽然经过修复，但仍存在无法修复的细微裂缝，刚度已经有所下降，削弱了其耗能能力。(4) 在各个同级位移加载阶段(≤12 mm)，RW3的耗能能力略大于RW5。当加载位移大于12 mm时，RW5提前退出工作，最终RW3的累计耗能能力与RW5基本相等。同时，损伤后加固试件的耗能能力未与纤维用量成比例关系，这表明损伤后加固试件的耗能能力除了竖向荷载和纤维用量影响外，还与震损、修复程度有关。
图7 累计耗能
Fig. 7 Stiffness degradation curves
3.5 玄武岩纤维加固震损砖墙机理分析
相比砌体结构，纤维复合材料的弹性模量一般高出20~60倍。因此在以往纤维加固砌体结构试验中[7-11]，当试件强度达到峰值时，纤维几乎未出现断裂破坏，纤维强度未得到充分利用。玄武岩纤维的弹性模量约为碳纤维的1/3，且具有更好的延性性能。在砌体结构加固中，玄武岩纤维能与砌体结构更好地协同变形，加固效果不低于其他纤维材料。
由试件的受力及破坏过程可知：(1) 玄武岩纤维混合加固方式综合了水平、斜向加固方式的优点，提高了砖墙的整体性和抗剪能力。斜向纤维有效地限制了砖墙剪切开裂，约束了砖墙剪切变形，纤维斜向受力的竖向分量增大了砖块之间的抗剪摩擦系数，间接地提高了加固砖墙的抗剪能力。水平纤维使砖墙表面分布大量弥散裂缝，并起到了类似箍筋的作用，同时延缓了斜向纤维的过早剥离破坏，为斜向纤维提供了一个较好的锚固作用。(2) 加载初期，纤维应变小，主要受力构件为砖墙；进入开裂后，纤维加固作用明显，损伤后加固砖墙抗剪强度达到峰值时的斜向纤维应变平均值(2 764 με)约为水平纤维的2倍，砖墙中下部水平纤维应变值明显高于上部水平纤维，最大纤维应变值达到5 571 με，仍远小于纤维的极限应变；在强度下降阶段，纤维为主要受力构件，应变在纤维锚固完好状态下持续增大，其中SW2和RW4中的个别纤维在试件失效时出现了断裂破坏。(3) 加固试件的纤维以剥离破坏为主，受压区砖块严重压碎为试件破坏的一个主要特征，使得砌体的抗压强度成为纤维加固砌体抗剪承载力的主要控制因素，而非纤维极限抗拉强度。
4 结论
(1) 玄武岩纤维加固提高了损伤砌体砖墙的极限承载力和极限位移，最大提高幅度分别为43%和159%。损伤后加固试件的极限承载力和极限位移均小于直接加固试件，其中预损伤对试件的极限位移影响更明显。
(2) 由于预损伤和修复程度仍存在差异，损伤后加固试件的极限承载力和极限位移与竖向荷载、纤维加固用量之间未出现明显比例关系。
(3) 损伤后加固试件的滞回曲线和骨架曲线较对比试件W1更加理想。玄武岩纤维直接加固对试件的初始刚度无明显提高；预损伤试件加固前进行裂缝修复可以大大提高试件的初始刚度。与对比试件W1相比，损伤后加固试件刚度恢复程度介于76%~96%之间。由于纤维加固约束的作用，加固试件在位移大于5 mm后的刚度退化程度较对比试件明显缓慢。
(4) 损伤后加固试件的耗能能力较对比试件W1提高了3.3~4.7倍，但明显小于纤维直接加固试件的耗能能力。
(5) 玄武岩纤维混合加固技术大大提高了砖墙，尤其是严重震损砌体砖墙的抗震性能，值得在灾后恢复重建阶段中大力推广。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2013-03-08；修回日期：2013-05-11
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2009BAJ28B02-02)
通信作者：雷真(1986-)，男，江西吉安人，博士研究生，从事结构抗震加固研究；电话：021-65986153；E-mail：leizhen0916@163.com
