FRP加固砌体结构平面内剪切性能研究综述

冯广明

1 概述

砌体结构在地震作用时会承受较大的平面内剪切荷载，容易造成 X形裂缝产生，对结构形成极大危害。因此对建造年代较远，设计时缺乏抗震考虑的砌体结构建筑进行加固改造势在必行。传统的加固方法，如增大截面、粘钢或喷射混凝土等，这些加固方法一般会增加额外的重量，同时施工不便，耗费时间，造价较昂贵。20世纪 80年代，FRP材料开始应用于建筑结构加固改造。其具有质量轻，承载力高，施工简便等特点。使用FRP对砌体结构进行加固是目前研究的热点。本文将对国内外 FRP加固砌体结构平面内性能研究进行介绍，并指出今后的研究方向。

2 抗剪试验研究

2.1 单调荷载作用

许多研究表明单调荷载作用下通过粘贴FRP，砌体结构的面内抗剪承载力可以提高。

2002年，Valluzzi等人[1]使用对角线加载试验研究了砌体结构在剪力作用下的性能。他们认为，FRP粘贴的方式会影响抗剪强度和刚度的增加程度。Valluzzi等人的试验表明，对于粘土砖，提高其抗剪承载力同时避免脆性破坏，应当采用FRP整体覆盖的粘贴方式。2004年，Stratford等人[2]对FRP加固砌体墙在单调剪力作用下的性能进行了试验。试验表明抗剪强度可以提高 50%。2005年，El-Dakhakhni等人[3]对压应力和剪切荷载作用下空心砖砌体结构性能进行了研究。使用FRP加固后，提高极限抗压承载力的同时，墙体的延性也得到了改善。抗剪试验结果表明，使用FRP加固后，墙体的破坏形态有了明显变化，同时抗剪承载力提高。其原因是砂浆与砌块之间的剪应力发生了重新分布。试验证明了FRP片材对消除墙体平面内剪切应力集中产生了积极作用。Prakash和Alagusundaramoorthy[4]在2008年对GFRP加固砌体结构进行了试验研究。试验中砌体墙承受轴压荷载作用，结果表明粘贴GFRP增加了砌体结构的承载力和刚度，减小了极限应变。

2.2 循环荷载作用

2005年，ElGawady等人[5]模拟地震活动对砌体墙施加平面内剪切荷载。未使用FRP加固时，墙体发生严重破坏，随后使用FRP对其进行加固。加固方案为两种:单侧全墙面积覆盖或沿X形粘贴。试验继续进行，对加固后的墙体继续加载直至破坏。试验结果表明，侧向承载力提高30%～190%不等。当FRP沿X形粘贴时，出现纤维被拉断的现象。

ElGawady等人[6]在2007年对承受静力循环荷载的砌体结构平面内抗剪性能进行了研究。试验同样先对未加固砌体墙施加平面内荷载至部分破坏，待使用FRP加固后继续加载直至破坏。FRP粘贴方案为沿墙体整面粘贴双层铺设，保持两层FRP纤维方向正交，同时采用端部锚固措施保证粘结可靠。试验结果表明，随着FRP用量的变化，侧向承载力提高40%～490%。同时加固后砌体墙的刚度恢复至未损伤水平。

2007年，杨曌等人[7]对 16片砖墙和 7根砖柱进行了 CFRP加固试验，分别研究了不同类型墙片在水平低周往复荷载作用下的抗震性能，以及砖柱在轴心和偏心荷载作用下的抗压性能。试验结果表明，对于砖墙粘贴CFRP可以增加其抗震性能，对于砖柱，满包CFRP可以提高其抗压承载力。

3 抗剪承载力计算

目前，国内外学者对于FRP加固砌体结构抗剪承载力的计算方法认识较为一致。如图 1所示，剪力水平作用于FRP加固后的砌体墙平面内。

根据中外学者的研究，加固后砌体墙的抗剪承载力可以分为两部分，如式(1)所示。

其中，Vmax为加固后总体抗剪承载力;Vm为砌体结构未加固时抗剪承载力;Tf为纤维提供的拉力;θ为纤维布与墙体水平方向夹角(见图 1);α为折减系数。以上参数均为国际单位制。学者针对 α的取值有不同看法，随之进行了很多研究。目前研究对α的取值的建议见表 1。

表1 折减系数α取值

对于不同的破坏模式，Tf的取值同样值得研究。当达到抗剪承载力时，如果FRP发生拉断破坏，则Tf按照式(2)计算。

其中，b为粘贴FRP的总宽度;t为FRP板或布的厚度;fFRP为FRP的抗拉强度。以上参数均为国际单位制。

当达到抗剪承载力时，FRP发生剥离破坏，此时Tf不能按照式(2)进行计算，对此学者们进行了研究。根据Santa-María等人[10]的建议，Tf按式(3)计算。

其中，b为粘贴FRP的总宽度，mm;0.24为根据粘结试验测得的FRP剥离破坏时的单位粘结强度，kN/mm。

2009年黄奕辉和王全凤[11]基于粘结滑移理论，给出了 Tf的计算方法，即:

其中，b为粘贴FRP的总宽度;L为FRP粘结长度;τf为FRP剥离破坏时最大粘结强度，按照式(5)计算，系数按照式(6)计算。

其中，Ea为胶层弹性模量;Ef，tf，bf分别为FRP的弹性模量、厚度和宽度;bm为砖沿纤维布宽度方向长度;sf为τf对应的滑移量。

由式(4)～式(6)可以看出，基于粘结滑移理论得到的纤维布承载力计算公式考虑了更多的参数，理论上更加精确。

4 结语

根据以上论述，使用FRP加固砌体结构平面内剪切性能试验研究已趋于成熟。静力与循环荷载作用下抗震性能均有所研究。抗剪承载力计算公式已被广泛应用，其中关键系数的确定仍是未来研究方向。同时，对 FRP加固砌体结构的有限元分析尚待进一步研究。

[1] ValluzziM R，Tinazzi D，Modena C.Shear behavior ofmasonry panels strengthened by FRP lam inates[J].Constr Build Mater，2002(16):409-416.

[2] Stratford T，Pascale G，Manfroni O，etal.Shear strengtheningmasonry panels with sheet glass-fiber reinforced polymer[J].J Compos Constr，ASCE，2004，8(5):434-443.

[3] El-DakhakhniW，Ham id A，Hakam Z，et al.Hazard m itigation and strengthening of unreinforced masonry walls using composites[J].Compos Struct，2005(73):458-477.

[4] Prakash S，Alagusundaramoorthy P.Load resistance ofmasonry wallettes and shear triplets retrofitted with GFRP composites [J].Cem Concrete Compos，2008(30):745-761.

[5] ElGawady MA，Lestuzzi P，BadouxM.In-p lane seism ic response of URM walls upgraded with FRP[J].JCompos Constr，ASCE，2005，9(6):524-535.

[6] ElGawady MA，Lestuzzi P，Badoux M.Static cyclic response of masonry walls repaired fiber-reinforced polymers[J].JCompos Constr，ASCE，2007，11(1):50-61.

[7] 杨 曌，刘卫国，彭少民.纤维片材加固砌体结构研究分析[J].武汉理工大学学报，2007，10(29):102-105.

[8] Lǜders C.，H idalgo P.In fluencia del refuerzo horizontal en el comportam iento sísmico demuros de albañilería armada.IV jornadas chilenas de sismología e ingeniería antisísmica，ACHISINA，Viña del Mar，Chile，1986.

[9] Diez J.Estudio experimental de muros de albañilería sometidos a carga alternada.Civil engineering thesis，Univ.de Chile，Santiago，Chile，1987.

[10] Santa-María H，Alcaíno P.Resistencia al corte de muros de albañilería reforzados externamente con fibras.XXXIIIJornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural.Chile，Santiago，2008.

[11] 黄奕辉，王全凤.FRP加固砖砌体的抗剪承载力研究[J]. 建筑科学与工程学报，2009，26(1):12-18.