纖維格柵對提高砌體墻抗震性能的影響與應用研究論文

　　配筋砌體具有砌體結構本身的易于就地取材、耐火耐久性良好、保溫隔熱性能良好等優(yōu)勢，而且加大了延性抗震性能，在國內外有了快速發(fā)展.然而目前配筋砌體結構存在施工量大、鋼筋現場加工不易、鋼筋易被腐蝕等缺點，尤其對于目前大力推廣的薄灰縫砌體來說(對于節(jié)能效果好的灰縫厚度小于3mm的墻體無法配置直徑為5～6mm 的鋼筋)，傳統(tǒng)配置鋼筋(或網片)的方式已成為配筋砌體推廣的障礙.另外，砌體在受壓狀態(tài)下，將產生壓縮變形，而塊材本身的變形極小，主要是灰縫砂漿的變形，灰縫砂漿越厚，壓縮變形值越大，形成橫向拉應力也越大，故砌體越容易破壞.對此必須采取一定對策，探索一種既能實現薄灰縫墻體又能提高墻體延性，而且施工方便、耐久性好、價格合理的材料與技術已勢在必行，從而使推廣節(jié)能、抗震、防裂的砌體結構成為可能.

　　1 配纖維布砌體墻體抗震性能

　　1.1 玻璃纖維布力學性能測試

　　本試驗采用GB/3354-1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》中介紹的方法.對試驗所用EGFW430玻璃纖維進行試驗得到其力學性能指標.

　　1.2 試件設計與制作

　　試驗共進行了4片墻，即無筋普通砂漿砌筑墻片1片、普通砂漿水平配鋼筋墻片1片(水平配鋼筋為每片灰縫放置4根Ф4.5mm鋼筋，總計16根，體積配筋率[3]為0.08%)、普通砂漿水平鋪30kN/m抗拉力的耐堿玻璃纖維墻片1片，以及專用砂漿水平鋪纖維墻片1片.砌塊統(tǒng)一采用北京現代建筑材料有限公司的蒸壓加氣混凝土砌塊，外型尺寸為600mm×240mm×250mm，強度等級A5.0MPa，砂漿設計強度均為M5.0.墻片設計尺寸為1 210mm×240mm×1 290mm.墻頂為強度等級為C30的混凝土壓梁(主筋采用4Ф12mm，箍筋Ф6mm@200)，壓梁高250mm模擬為圈梁，且在加垂直荷載時作為分配梁，墻片砌筑在強度等級為C30的混凝土地梁上(主筋6Ф18mm，箍筋Ф6mm@200).

　　1.3 試驗方案

　　為更好地模擬房屋層間墻體在地震作用下的工作特性和破壞模式，試件的上下兩端設置了鋼筋混凝土梁，通過四連桿機構保證墻體頂部在水平力作用下只有水平移動而無轉動的邊界條件.為模擬房屋層間墻體作用的豎向荷載，采用同步液壓加載裝置，并配有自動保壓和壓力調節(jié)裝置(JSF-Ⅱ/31.5-4高精密靜態(tài)伺服液壓控制臺).

　　在施加水平往復荷載之前，首先施加豎向荷載，先預加幾次，待觀察墻片受力正常無平面外偏心后，將豎向荷載1次加至要求值.在整個試驗過程中，豎向荷載值保持不變.

　　根據國內外資料和大量磚砌體的試驗數據及蒸壓加氣混凝土力學參數，對墻片采用分級施加水平荷載，每級荷載值在試件初裂以前以荷載控制.第1級荷載值取預計荷載值的20%，后一級荷載數值較前一級增加20kN，每級循環(huán)1次，如此逐步提高荷載值.當墻體出現裂縫后采用位移控制，以初裂縫荷載下位移為控制量，并以該位移值的倍數為級差進行位移控制加載，位移控制時循環(huán)2次.直到可載力下降至極限荷載的80%試驗停止.

　　1.4 試驗結果

　　本次試驗砂漿強度采用試塊強度和回彈儀測定的實際強度值，開裂荷載Pc指墻體上出現肉眼所見的第1條裂縫時的荷載值，破壞荷載Pw為下降到極限荷載80%附近的荷載值.

　　1.4.1 墻體破壞特征

　　蒸壓加氣混凝土砌塊墻體在水平往復荷載作用下呈剪切型破壞.由于砌塊抗壓強度較低，砌體砂漿強度一般高于砌塊強度，因此墻體破壞大部分為砌塊破壞而不是像粘土磚墻體那樣沿砂漿灰縫破壞.幾種砌體的破壞特征：

　　1)無配筋砌筑墻體(W-P-1)

　　當水平荷載達到開裂荷載時，墻體突然出現沿45°斜裂縫，裂縫大部分穿過砌塊而很少沿灰縫破壞.墻體開裂前無明顯破壞跡象，裂縫出現后擴展迅速，破壞后裂縫高度也較大，裂縫形式基本為1組交叉主裂縫.

　　2)水平配鋼筋墻體(W-PG-2)

　　當水平荷載達到極限荷載的90%左右時，在墻體中部出現細微斜裂縫，隨著荷載的不斷增加裂縫不斷向角部擴展，裂縫較均勻地分布在整個墻面，且縫比較細小，很難分辨出哪一條是主裂縫.這種現象表明了配鋼筋后的墻體應力分布更加均勻合理.

　　3)水平配纖維布墻體(W-PX-4和W-ZX-5)

　　當水平荷載達到初裂值時，其破壞特征與無筋砌筑墻體相似，墻體出現交叉斜裂縫.隨著荷載的增加主裂縫開始發(fā)展緩慢，并在主裂縫附近出現新的斜裂縫.此時的墻體破壞接近水平配鋼筋墻體的破壞特征.雖然纖維相對鋼筋較弱，但也改善了砌體的延性，墻體的抗剪強度及變形能力均有所增長.

　　1.5 試驗結果分析

　　幾種類型墻體的承載能力.與無筋墻體比較，普通砂漿水平配纖維墻體的極限剪切力提高了8%;普通砂漿水平配鋼筋砌塊墻體極限剪切力提高了45% 左右;專用砂漿配纖維提高了38%.從表3中墻體開裂荷載與極限荷載比值中可以看出蒸壓加氣混凝土墻體一旦開裂，承載能力一般不會再提高多少，說明墻體開裂后的強度儲備較少，材料的脆性異常明顯.當蒸壓加氣混凝土墻體配制了水平鋼筋或纖維后開裂尚有30%以上的荷載儲備.水平配筋和纖維不但提高了砌塊的承載能力，而且也改善了砌塊的脆性性質.

　　通過上述A 類蒸壓加氣混凝土墻體水平往復荷載下的破壞試驗，可以得出：

　　1)從幾種類型加氣混凝土墻體試驗的承載力來看，普通砂漿水平配鋼筋砌塊墻體為最好，專用砂漿和普通砂漿水平配纖維次之，無筋普通砂漿砌筑墻體最差.

　　2)在灰縫中配制纖維和鋼筋可以延緩砌體的開裂，可以大幅度提高砌體的變形能力，提高其延性.

　　3)幾種類型試件破壞屬于剪切破壞，無筋普通砂漿墻體的破壞形式為1組主交叉裂縫;配纖維墻體在主裂縫兩側出現許多細小斜裂縫;水平配鋼筋墻體出現多條斜裂縫，分不清哪個是主斜裂縫，同時裂縫沿墻面分布均勻，寬度也較細，表明水平配鋼筋墻體內力分布更均勻合理.

　　2 配纖維格柵砌體

　　2.1 方式的提出

　　由試驗數據分析得出：水平配纖維布試驗墻體W-PX-4和W-ZX-5，其延性系數分別比普通砂漿無筋墻體提高1.05和1.15倍.由此可以看出，水平配纖維布可以提高結構的延性，但提高的程度有限.纖維布本身相對于鋼筋較弱，希望能夠找到一種型似纖維布，強度介于鋼筋和纖維之間使之在應用過程中發(fā)揮最大能力、經濟適用的工程材料.經檢索及廣泛調研與分析，認為在墻體灰縫中配置一定數量的纖維格柵可成為普通鋼筋的理想替代品.

　　2.1.1 纖維格柵的優(yōu)點

　　纖維格柵常用于道路工程中，是一種經特殊設計與制作的網格織物，相當于對瀝青混合料進行加筋處理.具有以下優(yōu)點：

　　1)經過特殊處理劑對纖維格柵進行涂覆后，纖維格柵能夠抵抗各類物理磨損和化學侵蝕，還能抵御生物侵蝕和氣候變化帶來的不利影響，以保證其性能穩(wěn)定.

　　2)由于材料本身具有高抗拉強度和低延伸率，可以增加砌體的彎曲抗拉、抗震性能及延緩裂縫的效果.

　　3)其自重輕、易于剪裁，施工簡單方便，可操作性強、施工質量可控.

　　4)玻纖網格的集料嵌鎖作用，緩解了砂漿的橫向應變，進而改善了水平灰縫中的拉、彎、剪等復雜應力狀態(tài).

　　5)利用纖維格柵材料截面輕薄可以有效減小灰縫厚度，進而提高砌體結構強度的同時提高墻體的熱工性能.伴隨著國家城鎮(zhèn)化建設及新農村建設的推進，墻材革新、建筑節(jié)能的力度不斷加大.研究應用纖維格柵代替配筋砌體中傳統(tǒng)鋼筋具有很好的現實意義及廣闊的應用前景.

　　2.1.2 國內外纖維格柵研究現狀及分析

　　目前，纖維格柵材料主要應用于道路工程中，用來抵抗由于路面基層裂縫引起的瀝青混凝土路面反射裂縫的發(fā)生，以及對老路面發(fā)生網裂和嚴重龜裂的修復.

　　美國、澳大利亞及日本等發(fā)達國家，纖維格柵的應用已有10多年時間，對其作用機理也作了大量系統(tǒng)研究，其中包括：S.F.Brown的“格柵實驗研究”、R.Hass的“格柵瀝青路面足尺寸試驗研究”、Mofil石油公司的“格柵瀝青加鋪層”等，并制定了相應的設計規(guī)范，在高等級公路、市政道路及機場跑道等要求較高的領域應用相當廣泛.

　　我國近幾年的研究有：李紅研究了纖維格柵抗凝冰瀝青路面的融凝冰功率-升溫時間關系及融凝冰能力.王清標研究表明纖維格柵材料能夠保證其性能的穩(wěn)定性，并具有對土體的嵌鎖咬合能力.張佰真銘確定了纖維格柵的抗拉強度，得出了格柵具有延緩裂縫及對路面的承載能力有明顯改善效果的結論.韓樹峰研究表明，加筋復合路面具有優(yōu)良的低溫抗裂性與高溫穩(wěn)定性.李之輝進行MTS疲勞加載試驗，研究表明土工織物對復合式路面抗反射開裂疲勞壽命的延長均有明顯的貢獻.

　　以上研究表明纖維格柵具有高抗拉強度、低延伸率、熱穩(wěn)定性、無長期蠕變、物理化學穩(wěn)定性好及集料嵌鎖等優(yōu)點.證明了纖維格柵在配筋砌體中可以作為普通鋼筋的理想替代品.

　　2.2 設計建議

　　建議配纖維格柵砌體有2種：1)由塊體、砂漿和纖維格柵組成;2)由塊體、砂漿、纖維格柵、豎向鋼筋、混凝土組成.對于第1種形式，按照規(guī)范計算，在固定高度處水平砂漿層內鋪設纖維格柵材料，不設置水平鋼筋與豎向鋼筋，其中纖維格柵材料的具體指標參數根據設計實際確定.塊體間灰縫厚度設為3～5mm，采用專用砂漿.對于第2種形式，按照規(guī)范計算，在固定高度處水平砂漿層內鋪設纖維格柵材料，不設置水平鋼筋，豎向鋼筋正常布置，其中纖維格柵材料的具體指標參數根據設計實際確定.塊體間灰縫厚度設為3～5mm，采用專用砂漿，同時按照規(guī)定設置豎向鋼筋，灌注砂漿及混凝土.在現場砌筑中，根據實際需要采用相應的塊體砌筑，首先砌筑塊體，并根據設計情況在砂漿層鋪設纖維格柵材料.

　　2.3 亟待解決的問題

　　鑒于纖維格柵替代配筋砌體中的水平鋼筋是一種創(chuàng)新嘗試(以下簡稱纖維格柵配筋砌體)，需要進行許多理論及實際工作.主要概括為以下幾個問題亟待解決：

　　1)纖維格柵材料與砂漿的協同工作性能.纖維格柵與砌塊專用砂漿共同作用的必要條件就是二者之間有可靠的錨固和粘結.因此，分析纖維格柵與砌塊砂漿的工作狀態(tài)及錨固粘結應力也是今后研究中需要解決的.

　　2)纖維格柵配筋砌體的受力性能.對比配筋砌體，探究纖維格柵配筋砌體的抗壓、彎曲抗拉強度及其破壞形式.另外，需研究纖維格柵配筋砌體中纖維格柵規(guī)格的選取及砂漿厚度對強度的影響.明確受力機理，確定纖維格柵配筋砌體承載力計算公式是今后研究中需要深入的部分.

　　3)剪壓強度理論模型的建立.砌體規(guī)范中的墻體抗剪承載力計算公式主要依據配鋼筋墻體的試驗結果擬合而得，未必適用于纖維格柵配筋砌體.試驗數據的離散性很大，有必要對纖維格柵配筋砌體剪力墻剪壓強度理論模型進行深入研究，有助于深入理解各因素的影響，促進試驗研究.

　　4)纖維格柵配筋砌體在地震作用下的抗震性能及抗震設計方法.明確地震作用下的破壞形式、特征及機理，分析豎向荷載、格柵鋪設位置對抗震性能的影響，提出墻片恢復力模型.另外，因為砌體材料自身的復雜性，基于性能的抗震設計思想對砌體結構提出了很大的挑戰(zhàn)，能力譜方法在砌塊砌體結構中的應用需要進一步研究，特別是和試驗結果的對比分析.

　　3 結論

　　1)通過配纖維布砌體墻體試驗得出，普通砂漿水平配鋼筋砌塊墻體為最好，專用砂漿和普通砂漿水平配纖維次之，無筋普通砂漿砌筑墻體最差.

　　2)在灰縫中配制纖維和鋼筋可以延緩砌體的開裂，可以大幅度提高砌體的變形能力，提高其延性.

　　3)水平配纖維布可以提高結構的延性，但提高的程度有限.纖維布本身相對于鋼筋較弱，希望能夠找到一種型似纖維布，強度介于鋼筋和纖維之間使之在應用過程中發(fā)揮最大能力、經濟適用的工程材料.基于此，經檢索及廣泛調研與分析，認為在墻體灰縫中配置一定數量的纖維格柵應當成為普通鋼筋的理想替代品.

　　4)本文提出了一種新型的砌體結構形式——配纖維格柵砌體，提高了砌體結構的強度、抗震性能、熱工性能，延緩了裂縫的產生和發(fā)展，為砌體結構抗震設計提供新的思路，對促進建筑節(jié)能的發(fā)展具有重要的理論價值和現實意義.

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