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    碳纖維布加固砌體剪力墻
    瀏覽: 發布日期:2020-04-06
              對于砌體墻 ,尤其是老舊建筑和有保護價值建筑的砌體墻 ,碳纖維加固有著重要意義。基于試驗研究提出 了碳纖維布加固有洞口和無洞口磚墻 ,碳纖維布加固有洞口砼小型空心砌塊砌體墻抗剪承載力計算公式。公式中引 入了碳纖維對砌體墻抗剪強度修正系數ηcf 。該系數的引入使該文計算公式與現行《砌體結構設計規范》中未加固砌 體墻斜截面受剪承載力計算公式有著相近的可靠度。

            由于老舊破損和新規范要求 ,許多砌體墻建筑需進行墻體加固維修 ,碳纖維布(CFRP) 以其輕 ,薄 ,高強 度 ,耐腐蝕 ,易于施工等特性日益得到廣泛應用。目前國內外這方面研究還很不完善 ,遠不能滿足工程實踐 需要。該文結合試驗成果對 CFRP 加固砌體墻斜截面受剪承載力計算作了有益探討 ,計算公式與現行《砌體 結構設計規范》公式可靠度相近。 1 試 驗 文中對 9 片砌體墻作了水平低周往復加載試驗 ,試件編號為 W1 —W9 ,其中 W1 —W4 墻體高 ,寬 ,厚度 相同。W1 ,W3 為對比墻 ,未作 CFRP 加固。W2 在 W1 基礎上在墻體兩側沿對角線粘貼了幅寬 200 mm ,厚 0. 111 mm 的 CFRP。W1 ,W2 有構造柱 ,W3 未設構造柱。W4 在 W3 基礎上沿對角線在墻體兩面粘貼CFRP ,CFRP 截面尺寸同 W2。W1 —W4 采用平均抗壓強度為 29. 6 MPa 的蒸壓粉煤灰磚和 7. 5 MPa 砂漿 砌筑。CFRP 彈性模量 Ecf = 2. 35 ×105 MPa , 抗拉強度 f cf = 2 100 MPa ,極限拉應變εcfu = 15 000με。

            W5 —W9 墻厚均為 240 mm ,CFRP 幅寬 150 mm ,厚 0. 111 mm ,墻體用 MU7. 5 燒結普通粘土磚和M2. 5 混合砂漿砌筑。砼強度等級為 C20 , f cf = 3 515 MPa , Ecf = 3. 0 ×105 MPa ,εcfu = 16 000με。

           此外 ,采用了 Miao H L[1 ]4 個試件的試驗數據 ,試件編號為 W10 , ,W11 , W12 ,W13。這 4 根試件除 CFRP 外砌體部分均相同。W10 未粘貼 CFRP。W11 和 W12 未在墻肢中部豎向粘貼 CFRP。W11 的 CFRP 幅寬 156 mm ,厚 0. 19 mm ; W12 和 W13 的 CFRP 幅寬 78 mm ,厚 0. 19 mm。所有墻厚均 190 mm ,砼小型空 心砌塊砌筑。每個砌塊有單排布置的 2 個孔洞 ,砌塊凈截面面積 17 250 mm2 。灌孔砼 f tk = 1. 54 MPa。碳 纖維布 Ecf = 68. 58 GPa ,εcfu = 16 953με, f cf = 1 146 MPa。砌體平均抗壓強度 f m = 10. 7 MPa ,砂漿平均抗 壓強度 f 2 = 16. 06 MPa。

            W1 , W5 —W9 及 W13 均見圖 1



            所有試件均大致沿墻體對角線開裂破壞。

              2 未加固砌體墻抗剪強度

              規范中未加固砌體墻抗剪強度公式為 V 0 = ( f v +αμσ0) A 

               式中 , V 0 為墻體抗剪強度 ,其它符號見規范。

               如墻體中設有構造柱 ,規范公式為 V 0 = ηc f VE ( A - A c) +ζf t A c + 0. 08 f y A s 

              3 碳纖維布抗剪強度

             CFRP 抗剪強度按公式(3) 計算。 V cf = ncfαcf Ecfεcf A cfcosθ (3) 式中 , ncf為 CFRP 層數 ;αcf為 CFRP 抗剪強度調整系數 ,與砌塊強度 , CFRP 粘 貼質量 ,CFRP 錨固質量等有關 ,需由大量試驗數據確定。假定αcf = 1[3 ] 。

            4 碳纖維布加固墻體抗剪強度計算 加固后 ,一方面墻體整體性加強 ,裂縫發展受限 ,砌體沿裂縫摩擦力增大 ,因而其抗剪強度有所提高 ;另 一方面 ,由于加固墻體中砌體和 CFRP 通常不同時達到極限承載力 ,因此加固墻體總的抗剪承載力小于砌體 和 CFRP 各自承載力之和[4 ] 。因此計算 CFRP 加固砌體墻抗剪強度時有必要對其中砌體部分的承載力予以 圖 3 V cfsin 2θ 修正。圖 3 對角粘貼 CFRP 墻體抗剪承載力計算公式 如下 V u = (1 +ηcf V cfsin 2θ/ V 0) V 0 + V cf (4) 式中 , V u 是經修正后 CFRP 加固墻體抗剪強度 ;ηcf為 砌體部分抗剪強度修正系數 ;θ為裂縫水平夾角 ,裂縫 通常沿對角線開展 ; V 0 為未加固砌體墻抗剪強度。 V cf sin 2θ為 CFRP 垂直于裂縫的拉力分量 ,該分量能 阻礙裂縫開展從而提高 V 0 。CFRP 對有無洞口墻體 和不同種類塊材砌筑墻體加固效果不同 ,因此ηcf應相 應地取不同的值。

           4. 1 無洞口墻體ηcf 

            W1 ,W2 ,W3 ,W4 由水泥砂漿和蒸壓粉煤灰磚 砌筑。未加固砌體墻抗剪強度按《砌體結構設計規 范》公式計算。為了獲得相近的可靠度 ,CFRP 加 固墻的抗剪強度試驗值與計算值之比 V ut/ V u 取 與未加固墻相近的值。V ut為抗剪強度試驗值。 W2 的 V ut/ V u 取值為 1. 57 , W4 為 1. 22。

            W2 ,W4 的ηcf分別算得 0. 742 ,0. 668。由于試驗數 據不足 ,暫取ηcf = 0. 66。

            表 1 表明經ηcf修正后 CFRP 加固前后砌體墻 V ut/ V u 相近 ,公式可靠度與規范公式相近。



           4. 2 開窗洞墻體ηcf



            W5 ,W6 用 Mu7. 5 燒結普通粘土磚和 M2. 5 混合砂漿砌筑。

            強度計算時假定破壞截面穿過 CFRP ,但由于 W6 的 CFRP 布條太短 ,裂縫繞過 CFRP ,破壞截面未與 CFRP 相交 ,因此 W6 的 V u 值偏高 , V ut/ V u 比 W5 小。由于 CFRP 對裂縫制約使 V 0 增長幅度小于砌體與 CFRP 不同時達到抗剪承載力使 V u 減小的幅度 ,因此ηcf修正后 W6 的 V 0 實際有所下降。ηcf為 - 0. 26。

           4. 3 開門洞墻體ηcf 開門洞墻體加固后抗剪承載力 V u = [1 +ηcf ( Fcfv cosθ+ Fcfs sin α) / V 0 ] V 0 + V cf

           (5) 式中 , Fcfv和 Fcfs分別為門洞右側豎向 CFRP 布條和與破壞截面相交的斜向粘貼布條在破壞截面處受到的拉 力。W8 ,W9 的ηcf分別算得 0. 036 8 和 0. 023 8 ,取 0. 024 (見表 3) 。由于開門洞墻體 CFRP 對墻體整體性的 提高作用及對裂縫的阻礙作用較小 ,因此ηcf修正后 V 0 的提高幅度比無洞口墻小。



            4. 4 開窗洞砼小型空心砌塊墻體ηcf

            開窗洞砼小型空心砌塊墻體加固后抗剪承載力 V u = [1 +ηcf (0. 5 f cf A cfhsinθ+ f cf A cfvcosθ) / V 0 ] V 0 + V cf

           (6) 圖 5 Fcfh和 Fcfv 式中 , A cfh為水平粘貼 CFRP 橫截面面積 ; A cfv為豎 向粘貼 CFRP 橫截面面積 ;θ為破壞截面水平夾 角。假定試件破壞時豎向 CFRP 達到極限抗拉強 度 ,水平 CFRP 達極限抗拉強度的一半[5 ] 。垂直于 破壞 截 面 的 CFRP 總 的 拉 力 為 Fcfh sin θ + Fcfvcosθ= 0. 5 f cf A cfh sinθ+ f cf A cfv cosθ。該力限 制裂縫開展 ,提高抗剪強度。Fcfh , Fcfv如圖 5 所示。 W11 , W12 , W13 的 ηcf 分別算得 0. 244 , 0. 69 , 0. 51。ηcf值與水平 CFRP 數量負相關。這和水平 CFRP 作用效率較低有關。試件破壞時水平 CFRP 并未拉斷而是從墻面剝離 ,從而降低了加固效果。 由于套用規范中構造柱抗剪強度公式可能低估了豎向 CFRP 抗剪強度 ,因此有必要建立專門公式計算 豎向 CFRP 抗剪強度。 由于缺少試驗數據 ,取ηcf為 0. 24 (見表 4)


            5 結 論

           a. 雖然 CFRP 加固砌體墻抗剪強度計算公式形式上基本相同 ,但對于 CFRP 粘貼數量和粘貼方式不同 的墻體 V 0 修正系數不同。 b.ηcf修正 CFRP 加固砌體墻抗剪強度計算公式和規范具有相近的可靠度。 c. 試件高寬比不同 ,CFRP 布局和數量不同 ,砌體材料不同 ,ηcf也不相同。

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