CFRP加固砼—砖组合墙抗震性能试验与分析

杨　曌，武　鹍，李玉洁，明方闯

(武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉430065)



CFRP加固砼—砖组合墙抗震性能试验与分析

杨曌，武鹍，李玉洁，明方闯

(武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉430065)

为研究碳纤维布(CFRP)加固后砼—砖组合墙的抗震性能，对2组开有洞口的墙体试件进行了拟静力试验研究，分析其破坏形态、裂缝分布、荷载、滞回曲线、延性系数、应力—应变曲线等抗震性能指标。研究CFRP加固对砼—砖组合墙体的影响，并与加固后的纯砖墙试件进行对比。结果显示：CFRP加固后的砼—砖组合墙试件的开裂荷载提高了16.67%，极限荷载提高了31.43%以上，延性提高了77.8%以上；CFRP加固后的纯砖墙试件开裂荷载、极限荷载均无明显提高，延性提高了10.3%。表明CFRP加固可以显著提高砼—砖组合墙的抗震性能，且加固效果要明显优于对纯砖墙的加固。为CFRP加固砼—砖组合墙的推广和应用提供参考。

碳纤维布；砼—砖组合墙；抗震性能；加固

0　引　言

碳纤维布(CFRP)加固建筑结构技术具有施工便捷、高强高效、不增加构件的自重与体积、耐久性好等优点，国内外学者针对该技术已经进行了大量的研究工作,并获得了丰富的研究成果[1-5]。国外的美、日等发达国家， 从20世纪80年代起便开始研究CFRP用于工程结构的加固和修补。1993年，日本建筑院(AIJ)颁布了世界上第一个关于纤维增强复合片材(FRP)的设计指南。国内对CFRP加固建筑结构技术的研究起步于1996年，在混凝土、砌体、钢结构领域均获得了大量的研究成果，并逐步推出了一系列设计规范和指南。

目前，对于CFRP加固砌体结构，大量的研究成果已经证明了该技术对于提高结构的抗震性能或承载能力效果明显[6-10]，并已有多部设计规范给出了相关设计条文，但是这些条文所应用的范围或支持的加固形式较为有限，并不能完全满足实际工程的需求[11-12]。因此，对于CFRP加固砌体结构仍有大量的研究工作亟需开展。

混凝土和砌体的组合结构是未来砌体结构应用和发展的主要方向[13-15]。通过汶川地震等几次大地震的研究表明，混凝土和砌体组合结构相对于纯砌体结构，破坏程度较轻，大都能通过修复和加固恢复其使用功能，因此对于该类结构进行加固研究具有重要的实际应用价值。但是目前针对该类组合结构进行的CFRP加固研究还相对较少，有必要展开深入的研究工作。

鉴于此，本文对开有洞口的纯砖墙和砼—砖组合墙体分别进行CFRP抗震加固试验研究，通过拟静力加载试验，分析试件破坏形态、破坏荷载、变形、骨架曲线、滞回曲线、耗能、纤维应变等指标，研究CFRP加固砼—砖组合墙体的抗震性能和加固效果，并与纯砖墙的加固效果进行对比，为CFRP加固砼—砖组合墙体技术的推广应用提供理论依据。

1　试验设计

1.1试件设计与制作

试验共制作了2组开洞墙体试件，分A、B两种模型，模型A是纯砖墙试件，模型B是砼—砖组合墙试件，每种模型分别制作1片未加固墙体试件和1片CFRP加固墙体试件。考虑到实际工程中组合墙和纯砖墙在材料、构件尺寸方面均有区别，因此对模型A和模型B分别进行设计，具体参数如下：

模型A：墙体高宽比为0.743，墙厚为240 mm。试件采用MU7.5粘土砖和M2.5混合砂浆砌筑，顶梁和底梁的混凝土设计强度等级均为C20；构件中纵筋均为HRB335，箍筋均为HPB235。具体尺寸及配筋见图1。

(a) 试件正立面

(b) 1-1剖面

图1模型A试件尺寸和配筋

Fig.1Model A specimen size and reinforcement

模型B：墙体高宽比为1.07, 墙厚为240 mm。试件采用MU20蒸压粉煤灰砖和M7.5水泥砂浆砌筑，顶梁、底梁及构造柱的混凝土设计强度等级均为C20；构件中纵筋均为HRB335，箍筋均为HPB235。具体尺寸及配筋见图2。

图2　模型B试件尺寸和配筋

墙体试件制作时，先对砖进行湿水，再进行砌筑，以保证砖块和砂浆之间的良好粘结。砌筑完毕后，墙体试件在实验室内定期浇水养护。同时对砌筑试件所用砂浆进行取样，并与墙体在相同条件下养护。养护28 d后，对砂浆试样进行材料强度试验，检验砂浆强度是否到达设计要求。

1.2CFRP加固墙体方案及加固材料性能

墙体试件的编号及CFRP加固方案见表1，加固用CFRP性能指标见表2，所用结构胶性能指标见表3。

表1　试件编号及加固方案Tab.1　Specimen number and strengthening scheme

表2　CFRP性能指标Tab.2　Properties of CFRP

表3　加固用结构胶性能指标Tab.3　Properties of the epoxy resin adhesive　MPa

1.3试验装置、加载制度与测点布置

采用拟静力试验装置为试件提供恒定竖向力和反复加载的水平力。竖向力由油压千斤顶通过地槽、竖向反力横梁及支架，一次性施加到墙体试件顶部，在油压千斤顶底部设置压力传感器，在试验中记录竖向加载值；水平力由往复作动器通过三角反力架，由低至高施加到墙体试件的顶梁中部。试验时的加载大小由设置在作动器端部的拉压力传感器进行测量，加载过程中的墙体变形值由设置在顶梁中部的位移计进行测量，并通过电阻应变仪和函数记录仪，将变形和荷载分别作为横、纵坐标轴变量，绘制出加载过程中的试件滞回曲线。试验装置见图3。

水平力加载采用荷载—变形双控制的方法，由作动器对墙体进行反复的推拉加载，模拟地震作用，荷载大小逐级增大，直到墙体试件破坏或无法继续加载。加载前对极限荷载进行估算，并确定每级荷载的加载值。加载时，荷载大小从零开始逐级增大，墙体开裂前采用荷载分级控制加载大小；墙体开裂后，采用墙体的开裂位移为级差控制加载大小。具体如下：模型A，每级按20 kN递增，每级循环1次，开裂后每级按1倍的开裂位移递增，每级循环2次；模型B，每级按25 kN递增，每级循环1次，开裂后每级按1倍的开裂位移递增，每级循环2次。

1.反力架;2.支座反力横梁;3. 反力横梁支架;4.可移动支座;5.往复作动器;6.荷载传感器;7.试件;8.地梁;9.地锚螺栓;10.支座反力千斤顶;11.分配梁;12.油压千斤顶;13.荷载传感器;14.反力横梁;15. 往复作动器支架

(a) 试验装置示意图

(b) 试验装置现场照片

图3试验装置示意图与现场照片

Fig.3Schematic diagram of test equipment and scene photos

为记录CFRP在加载过程中的应变情况，在CFRP的端部和中部分别沿纤维受力方向布置应变片，模型A、模型B的CFRP应变测点布置见图4所示。试验记录的主要内容有：墙体试件加载过程中的裂缝开展和分布情况，试件的滞回曲线曲线，CFRP上各测点的应变等。

(a) 模型A

(b) 模型B

图4墙体测点布置图

Fig.4Measuring pointplan of the walls

2　试验结果与分析

2.1试件破坏过程及裂缝分布

2.1.1模型A试件破坏过程及裂缝分布

①试件W1

荷载控制阶段：加载至60 kN以前，滞回曲线基本为直线，每级加载完毕后进行卸载，滞回曲线上反映出来的墙体残余变形很小，此时的墙体仍处在线弹性受力阶段；加载超过60 kN以后，滞回曲线开始发生弯曲，墙体变形的增长幅度超过了荷载的增长，每级加载完毕后进行卸载，滞回曲线上反映出来的墙体残余变形越来越大，此时的墙体进入了弹塑性受力阶段；加载至+75 kN(“+”表示推，“-”表示拉，下同)时，墙体开裂，洞口左上角出现一条阶梯型斜裂缝，记录此时对应的试件水平位移，即开裂位移Δ。

位移控制阶段：以每一级加载的墙体水平位移达到开裂位移Δ的倍数控制加载；+1Δ(表示加载至墙体水平位移超过开裂位移达到1倍Δ时，下同)时，推向荷载达到最大值，洞口右边墙体的中上部形成斜裂缝，洞口底部砖从中部开始往左下方形成一条贯通的阶梯形斜裂；-1Δ时，墙体从左下部至右上部形成贯通洞口的斜向裂缝，同时洞口内侧沿墙厚方向出现裂缝；达到极限状态时，墙体的最大缝宽达4 mm。极限状态时的墙体裂缝分布见图5(a)。

②试件W2

荷载控制阶段：加载至60 kN以前，滞回曲线基本为直线，卸载后滞回曲线上反映出来的墙体残余变形很小，此时的墙体处在线弹性受力阶段；加载超过60 kN以后，滞回曲线发生弯曲，变形的增长超过了荷载的增长，卸载后滞回曲线上的残余变形越来越大，此时的墙体处于弹塑性受力阶段；加载至+70 kN时，墙体开裂，洞口左边墙体中部出现一条斜裂缝，记录此时对应的试件水平位移，即开裂位移Δ。

位移控制阶段：以每一级加载的墙体水平位移达到开裂位移Δ的倍数控制加载；+1Δ时，墙体从左下部至右上部形成贯通洞口的斜向裂缝；-1Δ时，墙体从左下部至右上部形成贯通洞口的斜向裂缝，同时洞口左边局部CFRP与墙面脱离、起鼓；+1.5Δ时，洞口内侧沿墙厚方向出现多条裂缝，洞口右侧局部砖块被压碎，并引起CFRP与墙面脱离、起鼓；达到极限状态时，墙体的最大缝宽达5 mm。极限状态时的墙体裂缝分布见图5(b)、(c)。

(a) W1墙体

2.1.2模型B试件破坏过程及裂缝分布

①试件W3

荷载控制阶段：加载至125 kN以前，滞回曲线基本为直线，卸载后滞回曲线上反映出来的墙体残余变形很小，此时的墙体处在线弹性受力阶段；加载超过125 kN以后，滞回曲线发生弯曲，变形的增长超过了荷载的增长，卸载后滞回曲线上的残余变形越来越大，此时的墙体处于弹塑性受力阶段；加载至+150 kN时，墙体开裂，洞口左上角出现一条斜裂缝，记录此时对应的试件水平位移，即开裂位移Δ。

位移控制阶段：以每一级加载的墙体水平位移达到开裂位移Δ的倍数控制加载；+1Δ时，洞口下部砖开裂，裂缝宽度达到3 mm并沿墙面斜向延伸；+2Δ时，墙体右侧构造柱沿水平方向开裂；+4Δ时，洞口底部出现较长的竖向裂缝，同时墙体最大荷载降低达10 kN。极限状态时的墙体裂缝分布见图6(a)。

(a) W3墙体

(b) W4墙体

(c) W4洞口处CFRP开裂

图6试件W3、W4裂缝图

Fig.6Cracks in specimens of W3, W4

②试件W4

荷载控制阶段：加载至150 kN以前，滞回曲线基本为直线，卸载后滞回曲线上反映出来的墙体残余变形很小，此时的墙体处在线弹性受力阶段；加载超过150 kN以后，滞回曲线发生弯曲，变形的增长超过了荷载的增长，卸载后滞回曲线上的残余变形越来越大，此时的墙体处于弹塑性受力阶段；加载至+225 kN时，墙体开裂，洞口左上角出现一条斜裂缝，记录此时对应的试件水平位移，即开裂位移Δ。

位移控制阶段：以每一级加载的墙体水平位移达到开裂位移Δ的倍数控制加载；-6Δ时，洞口右下方CFRP局部起鼓；-7Δ时，洞口上部CFRP被撕裂，形成水平裂纹，并在后续加载中，该处裂缝不断加大，最大裂缝宽度达到3 mm；+9Δ时，CFRP上个别应变片拉断；+11Δ时，洞口上部CFRP剥离，试件位移超过了函数记录仪测量范围，而此时的墙体荷载仍在增长。极限状态时的墙体裂缝分布见图6(b)、(c)。

2.2开裂荷载和极限荷载

各试件通过拟静力试验获得的开裂荷载、极限荷载汇总见表4。

表4　开裂荷载、极限荷载汇总表1Tab.4　Summary of cracking and ultimate loads

注：1.开裂荷载取试件受拉区出现第一条裂缝时对应的荷载值；极限荷载取试件承受的最大荷载值。

对于模型A:由表4可知，试件W2虽然经过CFRP进行了加固，但其经加载试验所得的开裂荷载和极限荷载值，均未能高于未经CFRP加固的试件W1。分析原因主要有两点，第一点是因为CFRP加固洞口后，对提高纯砖墙试件的承载力没有明显效果；第二点是因为试验中所用材料的强度离散性较大以及砖墙砌筑时存在的施工差异，导致W2墙体本身强度要低于W1墙体。

对于模型B:由表4可知，CFRP加固后的墙体试件W4相对于未加固试件W3，开裂荷载提高了16.67%，极限荷载在往复加载过程中也均有较大幅度提高，提高幅度正、反向受力时分别为31.43%和32.35%以上。说明CFRP加固洞口后，对提高组合墙体的承载能力效果明显。

2.3滞回曲线和骨架曲线

各试件的实测滞回曲线见图7和图8，模型B试件的骨架曲线见图9，因模型A的加固试件承载力低于未加固试件，所以模型A的骨架曲线未进行比较。

(a) W1

图7模型A试件实测滞回曲线

Fig.7The measured hysteresis curves of the model A

由图7可以看出，CFRP加固试件W2的极限荷载虽然低于未加固试件W1，但W2的变形能力相对于W1得到了明显提高，同时滞回环也相对饱满，证明CFRP加固后，对改善纯砖墙试件的抗震性能具有一定效果。

(a) W3

图8模型B试件实测滞回曲线

Fig.8The measured hysteresis curves of the model B

图9　模型B试件骨架曲线

由图8、图9可以看出，CFRP加固试件W4的极限荷载和变形能力相对于W3均得到了明显提高，证明CFRP加固后，对改善组合砖墙试件的抗震性能具有较好的效果。

2.4延性分析

墙体试件的延性可以通过计算延性系数来定量分析，延性系数μ为极限位移Δu与开裂位移Δc之比，见下式：

开裂位移为加载至开裂荷载时，对应的墙体试件顶部的最大水平位移。极限位移为墙体荷载降低至最大荷载的85%时，对应的墙体试件顶部的最大水平位移。

对于模型A，由此计算得：试件W1的延性系数为3.90，试件W2为4.3，CFRP加固后，墙体延性系数提高了10.3%。

对于模型B，由此计算得：试件W3的延性系数为6.30，试件W4则在11.2以上，CFRP加固后，墙体延性系数提高了77.8%以上。

2.5CFRP应变分析

取W2、W4试件上一些有代表性的应变测点来分析CFRP在加载过程中的受力情况，测点荷载—应变曲线见图10。图10中,荷载正值代表水平推力，负值代表水平拉力；应变正值代表拉应变，负值代表压应变。

(a) 测点1(b) 测点2(c) 测点3

由CFRP上应变片的荷载—应变曲线可以看出：荷载较小时，墙体试件变形较小，CFRP的应变值也很小，且荷载和应变基本呈线性关系。当荷载达到开裂荷载时，由于墙体进入弹塑性阶段，变形明显增大增快，使得CFRP上的应变值也相应快速增长，尤其是初裂缝处的CFRP应变增长显著，应变片的荷载—应变曲线出现明显的转折，应变增速明显快于荷载增速。荷载—应变曲线表明，CFRP在墙体承载力极限状态时，能够产生较大的应力、应变，部分测点应变可达4 000 με，表明CFRP能够发挥出自身的材料强度，有效参与墙体的抗震受力。但在墙体开裂之前，CFRP由于变形较小，大部分应变值均为500 με以下，应力水平较低，未能对墙体抗裂提供足够帮助。

3　结　论

①CFRP加固带有洞口的砼—砖组合墙后，对提高组合墙体抗震承载能力、变形能力、延性等抗震性能指标效果明显，加固后墙体开裂荷载、极限荷载相对于加固前分别提高了16.67%和31.43%以上，延性系数提高了77.8%以上；纯砖墙试件经CFRP加固后，开裂荷载、极限荷载都没有提高，延性系数仅提高了10.3%；CFRP对砼—砖组合墙体的加固效果明显优于对纯砖墙体的加固效果。

②CFRP用于强度较低的纯砖墙体时，仅针对洞口加固不能有效提高墙体的承载能力，但对于墙体的变形、延性等指标，有一定的效果；墙体破坏时，CFRP均没有达到最大强度，大都发生粘结破坏。

③CFRP用于强度较高的砼—砖组合墙体时，针对洞口加固能有效提高墙体的承载能力，并显著提高墙体的变形能力；墙体破坏时，CFRP能产生较大的应力、应变，部分测点应变可达4 000 με，表明CFRP较好地参与了墙体抗震受力。

④CFRP在受力的初始阶段，在墙体开裂以前的应变较小，大部分应变值均为500 με以下，存在明显的应力滞后现象，如何更早让CFRP参与墙体抗震受力仍是后续研究工作需解决的重要课题。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Experiment and analysis on seismic performance of concrete-brick composite wall strengthened by CFRP

YANG Zhao, WU Kun, LI Yu-jie, MING Fang-chuang

(Institute of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

To study the seismic performance of concrete-brick composite wall reinforced by carbon fiber polymer (CFRP), 2 groups of wall specimens with an opening were tested for pseudo static test, the index of breakage, cracking, load, hysteresis, ductility coefficient, stress-strain curves and other seismic performance were analyzed. Research on the strengthening effect of CFRP on concrete-brick composite wall was carried out, and the effect was compared with that on the pure brick wall after CFRP reinforcement. The tests show that the cracking load of CFRP reinforced concrete-brick wall specimen increased by 16.67%, the ultimate load increased by 31.43%, and the ductility increased by 77.8%. The cracking load and the ultimate load of CFRP reinforced pure brick wall specimen did not increase, and only the ductility increased by 10.3%. The results show that CFRP reinforcement can significantly improve the seismic performance of concrete-brick composite wall. And the strengthening effect of CFRP on concrete-brick composite wall is obviously superior to that on pure brick wall. The study can provide reference for application promotion of CFRP reinforcement used in concrete-brick composite wall.

carbon fiber reinforced polymer； concrete-brick composite wall； seismic performance； strengthen

2016-01-06；

2016-06-01

湖北省自然科学基金项目(2011CDB232)；武汉市城建委科技计划项目(201552)

杨曌(1977—)，男，湖北武汉人，武汉科技大学副教授，博士；E-mail: yzwh77@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0999

TU377.9

A

1001-7445(2016)04-0999-09

引文格式：杨曌，武鹍，李玉洁，等.CFRP加固砼—砖组合墙抗震性能试验与分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：999-1007.