砌体结构主要承重部分为砌块,具有一定的抗压能力,但其抗拉、抗剪和抗弯曲的能力相对较差。在外部复杂荷载的作用下,砌体结构易产生宏观裂纹,最终失稳破坏。因此,为保证砌体结构具有足够的承载力,需对其进行加固处理。

　　 目前,国内学者对提高砌体结构承载能力的加固方法进行了分析,张祥顺等 ^[1]对粘贴碳纤维布加固后墙体的抗震性能进行了分析,提出了提高墙体抗震性能的锚固措施。黄奕辉等 ^[2]对玻璃纤维(GFRP)加固带壁柱砖墙的抗剪性能进行了试验研究,提出了不同加固形式对墙体破坏形态有较大影响。此外,传统加固法中增设扶壁柱加固法对砌体结构的承载力提高程度具有较大程度限制。

　　 随着对各种纤维认知的提高,众多学者提出了纤维增强复合材料(FRP)加固砌体结构的新方法,且该方法逐渐代替传统加固法被应用于砌体加固中。其中,孙永梅、刘永军 ^[3]通过综合分析得出了,采用FRP加固后的砌体结构在抗震、抗剪及平面外抗弯等方面性能较加固前均有较大幅度的提升,列举了FRP在实际工程中的应用。Schweglert ^[4]对斜向粘贴碳纤维(CFRP)的墙体进行了抗剪力试验,发现碳纤维布的存在可以使墙体所受外力较为均匀地传递,可以对抵抗剪力起到较大的作用。Straford等 ^[5]采用GFRP对墙体进行加固,并对其进行抗剪试验,结果表明,玻璃纤维对墙体抗剪性能的提升较大。Ehsani等 ^[6]更为具体地研究了FRP提升砌体结构承载力的根本原因,结果表明,FRP自身具有良好的抗拉性能,并且可以改善墙体的延性,可以从一定程度上提升墙体的抗剪性能。Triantafillo T C ^[7]和黄奕辉等 ^[8]进行了相似的试验,同样得到了FRP可以有效地提高墙体的抗剪性能的结论。林磊 ^[9]对GFRP加固墙体时所采用的粘贴方式进行分析对比,发现“X”形粘贴的方式对墙体承载力的提升效果更好。随后,卢会芳 ^[10]、潘冰 ^[11]通过试验得到了与林磊 ^[9]相同的试验结论。

　　 针对已有纤维材料在价格及自身性能方面存在的不足,本文采用玄武岩纤维(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)对墙体进行加固处理,其中,BFRP是由天然火山岩通过高温所得,属于无污染材料,且其具有耐腐蚀、抗高温等优点。通过对BFRP布加固的砌体墙进行低周反复荷载试验,分别研究不同加固方式对墙体的抗剪承载力的影响,并在已有试验结果的基础上,对BFRP布加固墙体的抗剪承载力计算理论进行讨论,推导出一种可用于实际工程的抗剪承载力计算公式。

　　 为了研究BFRP布对砌体墙的加固效果,对其承载力变化情况进行详细记录,以备后续试验分析所用。本试验制作了5个砌体墙试件(试件编号为W-1～W-5),墙体顶部和底部均设有横梁,砌体墙具体尺寸如图1所示,其顶部和底部梁配筋情况如图2所示。

　　 根据《砌体工程施工质量验收规范》(GB 50203—2015),本文采用C30混凝土进行梁体构件的制作,具体实施方案为:试验现场浇筑,露天洒水养护,为充分保证梁体与砌体墙的连接,设计甩筋,人工砌筑MU10粘土砖,制作过程如图3所示。

　　 试件加固方案见表1,其中试件W-1为对比试件(未加固的墙体),试件W-2为采用“X”形粘贴方式进行加固的墙体,试件W-3为采用“#”形粘贴方式进行加固的墙体,试件W-4,W-5分别为开裂后和破坏后采用“X”形粘贴方式进行加固的墙体,加固示意图如图4所示。选用的BFRP布和结构胶性能指标分别见表2、表3。

　　 试验装置和试验现场照片如图5、图6所示。试验开始后,对墙体一次性施加230kN的垂直荷载。本试验主要以拟静力加载的方式进行加载,为保证试验仪器的正常运行,试验开始前先预加载20kN,另外为避免出现偶然性,此步骤进行三次。正式加载时,开裂前按荷载控制,以每级增加20kN荷载的方式逐级加载,每一级加载循环1次;开裂后按位移控制加载,按照每级增加1Δ_c(Δ_c为墙体的开裂位移)加载,每一级加载循环2次,当试件失稳破坏或者荷载下降至峰值荷载的85%时终止试验。

　　 主要试验结果如表4所示,提高率为实践W-i(i=2,3,4,5)相对于试件W-1的荷载或者位移的提高率。由表4可以看出,与未加固试件W-1相比,加固后试件的极限荷载和极限位移均出现了较大的提升,试件W-2和试件W-3的抗剪承载力分别提高了63.0%,22.5%,极限位移分别提高了133.9%,73.2%,说明开裂前、开裂后、破坏后加固均能提高墙体抗剪承载力和延性,采用“X”形粘贴较“#”形粘贴对墙体的加固效果更好。与未加固试件W-1相比,试件W-4、试件W-5抗剪承载力分别提高了49.2%,6.8%,极限位移分别提高了125.0%,100.0%。说明加固前破损程度越大,加固后抗剪承载力提高越小,但对加固后墙体延性提高幅度影响不大。

　　 为了简化计算,排除BFRP布加固砌体墙时所受到的次要因素,对其进行一定的假定:1)计算时不考虑BFRP布宽度方向的受力情况;2)墙体自身力学性能不受BFRP布影响;3)忽略BFRP布与墙体之间的滑移。

　　 根据上述计算假定,BFRP布加固后砌体墙抗剪承载力V_u为:

　　 $V{}_{\text{u}}=V{}_{\text{u}0}+V{}_{\text{B}}(1)$

　　 式中:V_u0为未加固墙体的抗剪承载力;V_B为加固后BFRP布所承担的抗剪承载力

　　 根据平衡条件,采用“X”形粘贴方式加固时,将玄武岩纤维布所承担的横向抗剪承载力V_B1、沿玄武岩纤维布粘贴方向的拉力T_B分别对O点取矩(图7),可得:

　　 $V{}_{\text{B}1}h-{\rm T}{}_{\text{B}}h\text{c}\text{o}\text{s}\theta =0(2)$

　　 其中:

　　 ${\rm T}{}_{\text{B}}=n\alpha {}_{1}Et{\displaystyle {\int }_0^b\epsilon }(x)\text{d}x(3)$

　　 式中ε(x)为应变分布函数,计算过程较为复杂,在实际工程中难以应用。为了简化计算,用平均应变值$\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}$代替ε(x),可得:

　　 $V{}_{\text{B}1}=n\alpha {}_{1}E\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}bt\text{c}\text{o}\text{s}\theta (4)$

　　 式中:n为粘贴BFRP布的面数,取2;α₁为影响系数,取1;E为BFRP弹性模量;$\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}$为沿BFRP布长度方向的平均应变值;b为BFRP布宽度;t为BFRP布厚度;θ为粘贴方向与水平方向的夹角。

　　 采用“#”形粘贴方式加固时,玄武岩纤维布所承担的横向抗剪承载力V_B2计算公式为:

　　 $V{}_{\text{B}2}=\alpha {}_2\rho {}_{\text{F}}E\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}Lt=\alpha {}_2\frac{A{}_{\text{B}}}{h}E\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}L(5)$

　　 式中:α₂为影响系数,取1;A_B为BFRP布横向截面面积总和;ρ_F为BFRP布横向截面加固率,$\rho {}_{\text{F}}=\frac{A{}_{\text{B}}}{ht}$;E为BFRP布的弹性模量;$\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}$为沿BFRP布长度方向的平均应变值;L,h,t分别为墙体的长度、高度、厚度。

　　 由于在本次试验中墙体的轴压比为0.12(σ₀/f_m=0.12,其中σ₀为砌体承受的竖向压应力,f_m为墙体抗压强度),剪摩破坏的抗剪承载力V_u0可表示为:

　　 $V{}_{\text{u}0}=(\alpha f{}_{\text{v}0}+\mu \sigma {}_0)A{}_{\text{m}}(6)$

　　 式中:α为截面抗剪强度发挥系数;f_v0为砌体上部竖向压应力为0时的砌体通缝抗剪强度;μ为剪摩系数,取0.5;σ₀为砌体承受的竖向压应力;A_m为砌体墙水平截面面积。

　　 砂浆的粘结抗剪强度无法充分发挥,故α<1,取α=0.37。采用砌体墙的试验回归公式计算剪摩抗剪承载力,f_v0取f_v,m,即:

　　 $V{}_{\text{u}0}=(0.37f{}_{\text{v},\text{m}}+0.5\sigma {}_0)A{}_{\text{m}}(7)$

　　 将式(4),(5)代入式(1),可得BFRP布“X”形粘贴方式、“#”形粘贴方式加固砌体墙后的抗剪承载力V_u1和V_u2分别为:

　　 $\begin{array}{l}V{}_{\text{u}1}=V{}_{\text{u}0}+n\alpha {}_{1}E\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}bt\text{c}\text{o}\text{s}\theta (8)\\ V{}_{\text{u}2}=V{}_{\text{u}0}+\alpha {}_2\frac{A{}_{\text{B}}}{h}E\stackrel{—}{{\displaystyle \epsilon }}L(9)\end{array}$

　　 将试验数据带入式(8),(9)进行计算,结果如表5所示,其中V_u,c为理论计算值,V_u,exp为试验值。由表5可以看出,采用本文推导的公式计算得出的玄武岩纤维布加固砌体墙抗剪承载力与试验结果吻合良好,说明推导的公式是合理可行的,能够满足工程实际需要。结合试验情况,破损后墙体抗剪承载力取计算值的80%。

　　 (1) 对比分析了采用粘贴玄武岩纤维布法加固不同受损程度墙体的受力特点,加固后墙体抗剪承载力和延性都有不同程度的提高,但是随着墙体受损程度增大,加固效果降低。因此,实际工程中应及早采取加固措施。

　　 (2) 对比分析了采用“X”形粘贴方式和采用“#”形粘贴方式加固的效果,采用“X”形粘贴方式较“#”形粘贴方式加固效果更为显著,更能提高墙体的承载力和延性。条件具备时,应采用“X”形粘贴方式加固砌体墙。

　　 (3) 根据玄武岩纤维布加固砌体墙特点,结合试验所得结果,提出了采用“X”形粘贴方式和采用“#”形粘贴方式加固砌体墙的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好,可为工程实践提供一定的理论指导。