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碳纤维布加固砌体剪力墙
浏览: 发布日期:2020-04-06
          对于砌体墙 ,尤其是老旧建筑和有保护价值建筑的砌体墙 ,碳纤维加固有着重要意义。基于试验研究提出 了碳纤维布加固有洞口和无洞口砖墙 ,碳纤维布加固有洞口砼小型空心砌块砌体墙抗剪承载力计算公式。公式中引 入了碳纤维对砌体墙抗剪强度修正系数ηcf 。该系数的引入使该文计算公式与现行《砌体结构设计规范》中未加固砌 体墙斜截面受剪承载力计算公式有着相近的可靠度。

        由于老旧破损和新规范要求 ,许多砌体墙建筑需进行墙体加固维修 ,碳纤维布(CFRP) 以其轻 ,薄 ,高强 度 ,耐腐蚀 ,易于施工等特性日益得到广泛应用。目前国内外这方面研究还很不完善 ,远不能满足工程实践 需要。该文结合试验成果对 CFRP 加固砌体墙斜截面受剪承载力计算作了有益探讨 ,计算公式与现行《砌体 结构设计规范》公式可靠度相近。 1 试 验 文中对 9 片砌体墙作了水平低周往复加载试验 ,试件编号为 W1 —W9 ,其中 W1 —W4 墙体高 ,宽 ,厚度 相同。W1 ,W3 为对比墙 ,未作 CFRP 加固。W2 在 W1 基础上在墙体两侧沿对角线粘贴了幅宽 200 mm ,厚 0. 111 mm 的 CFRP。W1 ,W2 有构造柱 ,W3 未设构造柱。W4 在 W3 基础上沿对角线在墙体两面粘贴CFRP ,CFRP 截面尺寸同 W2。W1 —W4 采用平均抗压强度为 29. 6 MPa 的蒸压粉煤灰砖和 7. 5 MPa 砂浆 砌筑。CFRP 弹性模量 Ecf = 2. 35 ×105 MPa , 抗拉强度 f cf = 2 100 MPa ,极限拉应变εcfu = 15 000με。

        W5 —W9 墙厚均为 240 mm ,CFRP 幅宽 150 mm ,厚 0. 111 mm ,墙体用 MU7. 5 烧结普通粘土砖和M2. 5 混合砂浆砌筑。砼强度等级为 C20 , f cf = 3 515 MPa , Ecf = 3. 0 ×105 MPa ,εcfu = 16 000με。

       此外 ,采用了 Miao H L[1 ]4 个试件的试验数据 ,试件编号为 W10 , ,W11 , W12 ,W13。这 4 根试件除 CFRP 外砌体部分均相同。W10 未粘贴 CFRP。W11 和 W12 未在墙肢中部竖向粘贴 CFRP。W11 的 CFRP 幅宽 156 mm ,厚 0. 19 mm ; W12 和 W13 的 CFRP 幅宽 78 mm ,厚 0. 19 mm。所有墙厚均 190 mm ,砼小型空 心砌块砌筑。每个砌块有单排布置的 2 个孔洞 ,砌块净截面面积 17 250 mm2 。灌孔砼 f tk = 1. 54 MPa。碳 纤维布 Ecf = 68. 58 GPa ,εcfu = 16 953με, f cf = 1 146 MPa。砌体平均抗压强度 f m = 10. 7 MPa ,砂浆平均抗 压强度 f 2 = 16. 06 MPa。

        W1 , W5 —W9 及 W13 均见图 1



        所有试件均大致沿墙体对角线开裂破坏。

          2 未加固砌体墙抗剪强度

          规范中未加固砌体墙抗剪强度公式为 V 0 = ( f v +αμσ0) A 

           式中 , V 0 为墙体抗剪强度 ,其它符号见规范。

           如墙体中设有构造柱 ,规范公式为 V 0 = ηc f VE ( A - A c) +ζf t A c + 0. 08 f y A s 

          3 碳纤维布抗剪强度

         CFRP 抗剪强度按公式(3) 计算。 V cf = ncfαcf Ecfεcf A cfcosθ (3) 式中 , ncf为 CFRP 层数 ;αcf为 CFRP 抗剪强度调整系数 ,与砌块强度 , CFRP 粘 贴质量 ,CFRP 锚固质量等有关 ,需由大量试验数据确定。假定αcf = 1[3 ] 。

        4 碳纤维布加固墙体抗剪强度计算 加固后 ,一方面墙体整体性加强 ,裂缝发展受限 ,砌体沿裂缝摩擦力增大 ,因而其抗剪强度有所提高 ;另 一方面 ,由于加固墙体中砌体和 CFRP 通常不同时达到极限承载力 ,因此加固墙体总的抗剪承载力小于砌体 和 CFRP 各自承载力之和[4 ] 。因此计算 CFRP 加固砌体墙抗剪强度时有必要对其中砌体部分的承载力予以 图 3 V cfsin 2θ 修正。图 3 对角粘贴 CFRP 墙体抗剪承载力计算公式 如下 V u = (1 +ηcf V cfsin 2θ/ V 0) V 0 + V cf (4) 式中 , V u 是经修正后 CFRP 加固墙体抗剪强度 ;ηcf为 砌体部分抗剪强度修正系数 ;θ为裂缝水平夹角 ,裂缝 通常沿对角线开展 ; V 0 为未加固砌体墙抗剪强度。 V cf sin 2θ为 CFRP 垂直于裂缝的拉力分量 ,该分量能 阻碍裂缝开展从而提高 V 0 。CFRP 对有无洞口墙体 和不同种类块材砌筑墙体加固效果不同 ,因此ηcf应相 应地取不同的值。

       4. 1 无洞口墙体ηcf 

        W1 ,W2 ,W3 ,W4 由水泥砂浆和蒸压粉煤灰砖 砌筑。未加固砌体墙抗剪强度按《砌体结构设计规 范》公式计算。为了获得相近的可靠度 ,CFRP 加 固墙的抗剪强度试验值与计算值之比 V ut/ V u 取 与未加固墙相近的值。V ut为抗剪强度试验值。 W2 的 V ut/ V u 取值为 1. 57 , W4 为 1. 22。

        W2 ,W4 的ηcf分别算得 0. 742 ,0. 668。由于试验数 据不足 ,暂取ηcf = 0. 66。

        表 1 表明经ηcf修正后 CFRP 加固前后砌体墙 V ut/ V u 相近 ,公式可靠度与规范公式相近。



       4. 2 开窗洞墙体ηcf



        W5 ,W6 用 Mu7. 5 烧结普通粘土砖和 M2. 5 混合砂浆砌筑。

        强度计算时假定破坏截面穿过 CFRP ,但由于 W6 的 CFRP 布条太短 ,裂缝绕过 CFRP ,破坏截面未与 CFRP 相交 ,因此 W6 的 V u 值偏高 , V ut/ V u 比 W5 小。由于 CFRP 对裂缝制约使 V 0 增长幅度小于砌体与 CFRP 不同时达到抗剪承载力使 V u 减小的幅度 ,因此ηcf修正后 W6 的 V 0 实际有所下降。ηcf为 - 0. 26。

       4. 3 开门洞墙体ηcf 开门洞墙体加固后抗剪承载力 V u = [1 +ηcf ( Fcfv cosθ+ Fcfs sin α) / V 0 ] V 0 + V cf

       (5) 式中 , Fcfv和 Fcfs分别为门洞右侧竖向 CFRP 布条和与破坏截面相交的斜向粘贴布条在破坏截面处受到的拉 力。W8 ,W9 的ηcf分别算得 0. 036 8 和 0. 023 8 ,取 0. 024 (见表 3) 。由于开门洞墙体 CFRP 对墙体整体性的 提高作用及对裂缝的阻碍作用较小 ,因此ηcf修正后 V 0 的提高幅度比无洞口墙小。



        4. 4 开窗洞砼小型空心砌块墙体ηcf

        开窗洞砼小型空心砌块墙体加固后抗剪承载力 V u = [1 +ηcf (0. 5 f cf A cfhsinθ+ f cf A cfvcosθ) / V 0 ] V 0 + V cf

       (6) 图 5 Fcfh和 Fcfv 式中 , A cfh为水平粘贴 CFRP 横截面面积 ; A cfv为竖 向粘贴 CFRP 横截面面积 ;θ为破坏截面水平夹 角。假定试件破坏时竖向 CFRP 达到极限抗拉强 度 ,水平 CFRP 达极限抗拉强度的一半[5 ] 。垂直于 破坏 截 面 的 CFRP 总 的 拉 力 为 Fcfh sin θ + Fcfvcosθ= 0. 5 f cf A cfh sinθ+ f cf A cfv cosθ。该力限 制裂缝开展 ,提高抗剪强度。Fcfh , Fcfv如图 5 所示。 W11 , W12 , W13 的 ηcf 分别算得 0. 244 , 0. 69 , 0. 51。ηcf值与水平 CFRP 数量负相关。这和水平 CFRP 作用效率较低有关。试件破坏时水平 CFRP 并未拉断而是从墙面剥离 ,从而降低了加固效果。 由于套用规范中构造柱抗剪强度公式可能低估了竖向 CFRP 抗剪强度 ,因此有必要建立专门公式计算 竖向 CFRP 抗剪强度。 由于缺少试验数据 ,取ηcf为 0. 24 (见表 4)


        5 结 论

       a. 虽然 CFRP 加固砌体墙抗剪强度计算公式形式上基本相同 ,但对于 CFRP 粘贴数量和粘贴方式不同 的墙体 V 0 修正系数不同。 b.ηcf修正 CFRP 加固砌体墙抗剪强度计算公式和规范具有相近的可靠度。 c. 试件高宽比不同 ,CFRP 布局和数量不同 ,砌体材料不同 ,ηcf也不相同。

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