FRP复合材料在砌体结构加固中的实践应用.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 1 年 4月 四川建筑 科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 0 7 F R P复合材料在砌体结构加固中的实践应用 赵 海东 ， 杨金 贤 1 ． 上海加 固行建筑技术工程有 限公 司， 上海2 0 0 0 3 2 ； 2 ． 上海电机学院 ， 上海2 0 0 2 4 0 摘要 综合现阶段 国内外 F R P复合 材料加固砌体结构的研究现状 ， 并结合 工程实际案 例 ， 就 F R P复合 材料加 固砌体结 构的 选 材 、 加 固设计及加 固施工等方 面的相关注意事项 ， 作 了有重 点的 阐述 ， 内容涉及 F R P选 材要点 、 F R P强度 有效利 用值 、 对火 灾 等极端 因素的考虑 、 墙体单面加 固的有效性等诸 多方 面 ， 相关经验 可供工程实际参考使用 。 关键词 砌体 ； 加 固 ； 历史建筑 ； F R P复合 材料 中图分 类号 T U 3 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 1 0 21 0 7 0 4 Ap p l i c a t i o n o f FRP i n s t r e n g t h e n i n g o f m a s o n r y s t r u c t ur e s ZHA0 Ha i d o n g ． YANG J i n x i a n 1 ． S h a n g h ai J i a g u h a n g C o n s t r u c t i o n a l T e c h n o l o g y En g i n e e r i n g Co ．L t d， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2， Ch i n a ； 2 ． S h a n g h ai D i anj i U n i v e r s i t y ， S h ang h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a A b s t r a c t D i s c u s s e d v a ri o u s i s s u e s r e l a t e d t o t h e s t r e n g t h e n i n g o f ma s o n r y s t r u c t u r e s w i t h fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e rs F R P ． S p e c i a l e f - f o r t s w e r e d e v o t e d o n t h e s e l e c t i o n o f F R P s y s t e ms ， t h e e fl q e i e n t l y d e v e l o p e d s t r e n g t h ， t h e e ff e c t i v e n e s s o f s t r e n g t h e n i n g wa l l s o n e s i d e， a n d t i m d e s i g n c o n s i d e r a t i o n f o r fir e o r o t he r e x t r e me s i t ua t i o n s ． Th e c o nc l us i o n f r o m t h i s pa pe r c o u l d b e a p p l i e d i n r e al e n g i ne e ring p r o j e c t ． Ke y wo r d s m a s o n r y ； s t r e n gt h e n i n g ； h i s t o r i c al b u i l d i n g ； fi b e r r e i nfo r c e d p o l y m e rs F R P 0 引 言 纤维复合材料 F R P 作为一种重 要的加 固材 料 ， 在最近 1 0多年的混凝土结构加固工程中得到 了 广泛的应用， 其设计 、 施工技术 已 日趋成熟， 各国也 均已颁布了相应的设计施工技术规范 。 。另一方 面， 面对我国当前量大面广的砖混结构房屋 ， 其维修 加固采用 F R P复合材 料 的工 程实践还 很少 ， 相 应 地 ， 应用 F R P复合材料在砌体结构中的加 固研究也 相 当有限。作为一种高强轻质材料 ， F R P同样 可用 来改善砌体结构的承载能力 ， 尤其是增强墙体 的稳 定性抗弯、 抗剪承载力 。 相对混凝土结构 ， 砖砌体的材料特性决定 了其 在长期暴露的空气环境 中， 更易受损或破坏。任何 温度的变化 、 潮湿环境 ， 以及冻融等其 他环境 因素 ， 都可能引起砖砌体构件物理力学性能的显著下降。 此外 ， 尚存在大量砌体结构的历史保护性建筑物 ， 它 们均不具备抵抗 ， 诸如地震 、 强风、 基础沉降、 设备振 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 6 - 0 5 作者简介 赵海东 1 9 7 6一， 男 ， 江 苏海 门人 ， 总工 程师 ， 博 士 ， 现 为 美 国土木工程学会 AS C E 会员 ， 新加坡 F R P应 用协会会员 ， 主要从 事结构加 固工程领域的设 计理论 及施工技术研究 。 E m a i l d r ． z h a o h a i d o n g g ma i l ． c o n 动等外部荷载的作用 。如果 F R P复合材料能在这 些建筑结构 中恰 当的应用 ， 则能很好地解决许 多工 程 问题 ， 有效增强砌体结构的耐久性 、 延性及强度。 现 阶段 ， 由于尚缺乏 F R P复合材料加 固砌体结 构 的设计及施工技术 规范， 在一定程度上限制 了其 在砌体结构加固中的应用。同时 ， 也对加固设计及 施工技术人员提出了更高的要求 。只有对加 固后构 件的受力特征及优缺 点有深人的领会 ， 才能使加 固 的有效性得到充分保证 。 本文综合现 阶段 国内外 F R P复合材料 加固砌 体结构 的研究 现状 ， 并结合工程 实际案例 ， 就 F R P 复合材料加固砌体结构 的选材、 加固设计及加固施 工等方面的相关注意事项作了有重点 的阐述 ， 相关 经验可供工程实际参考使用。 1 F R P复合 材 料 在 砌 体 结 构 加 固 中 的应 用 1 ． 1 适用性及范围 在砌体结构加 固领域 ， F R P复合材料主要适用 于 抗震或抗风加固， 修正设计／ 施工的缺陷 ， 以及修 补受损区域等。它能有效提高砌体构件的抗弯及抗 剪承载力 ， 或者恢复其与之相 当的受损承载力 。对 修补而言 ， 可沿裂缝采取“ 打补 丁” 方式缝合裂缝 ， 1 0 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 来重建其整体性。另外 ， F R P也可用来缠绕约束砌 体构件， 增强其稳定性， 防止坍塌。 与传统加固工艺相比， 采取复合材料的主要优 点在于 1 由于不需大型机械设备 ， 施工成本低 不含 材料费用 ； 2 由于为柔性， 与被加固构件的协调性强； 3 对构件截面尺寸几乎无影响 ； 4 在抗震加固中不增加 自重 ； 5 施工过程 中， 能最小程度 地降低对 既有结 构的居住及使用影响。 1 ． 2加固用复合材料 应用于砌体结构加固的 F R P系统常有两种 外 粘 F R P片材与近表面粘贴 F R P筋。其中， F R P片材 又包括织物与板材两种形式 ， 前者未浸渍树脂 ， 而后 者为预浸成型。近表面粘贴 F R P筋， 则多为矩形或 圆形断面的预成型纤维树脂复合材料 ， 施工时， 沿灰 缝开槽后 ， 可嵌 入 F R P筋 ， 对外观则几乎 没任何影 响。槽内的填充物一般采用环氧类或改性水泥基类 粘结剂 ， 施工时， 轻轻压人 F R P筋以粘结剂溢 出为 限。 从结构受力特征而言， 选择 F R P片材系统或近 表面粘贴 F R P筋系统并无多大区别， 两者均能实现 相同的目 标。其差别主要在于施工工艺及对外观的 影响。如果要保持墙体原有的外观 ， 则必须采用近 表面粘结 F R P筋系统。 加固后， 砌体墙身的透气性是另一选择 F R P系 统需考虑 的因素。由于 F R P片材一般粘贴 在墙 的 表面， 往往影响到墙体的干 、 湿特征 ， 而 F R P筋因嵌 入灰缝内， 对墙体的外观及潮湿度的影响则可忽略。 由于透气性是影响砌体结构耐久性 的一个重要 因 素 ， 因此 ， 对一些历史 保护性建筑 ， 往往要求选 用 F R P筋系统。 就材料而言 ， 目前工程领域常用的纤维类型主 要有碳纤维、 芳纶纤维及玻璃纤维 3种， 它们的力学 性能指标对比如图 1 所示。 在混凝土结构加固中， 往往优先采用碳纤维材 料， 这主要 因为其具有较高的弹性模量 ， 与钢材相比 更为接近。但对砌体结构加固而言， 多数情况下则 应优先选用玻璃纤维。这主要因为砌体本身弹性模 量较低 ， 低模量的玻璃纤维在砌体结构 的加固中并 无任何不利之处 。相反 ， 其更大 的极 限变形能力能 更好地适用砌体 的开裂变形 。试验研究也表明， 碳 纤维相 比玻璃纤维 ， 在砌体墙的加固中， 并不具有相 应的优越性。从经济角度分析 ， 玻璃纤维的费用显 著低于碳纤维及芳纶纤维。 曼 ＼ 簸 图 1 碳纤维 、 玻璃 纤维 、 芳纶纤维及钢材的 力学性能比较 Fi g．1 Compa r i s on of me c ha ni c al pr o pe r t i e s o f c ar bo n fi b e r ， g l a s s fi b e r a n d k e l v i n fi b e r 当然， 当砌体构件承受持续性荷载的情况下 ， 比 如挡土墙 ， 则应优先采用碳纤维系统。这主要 因为 碳纤维较其他两种纤维表现 出更好 的耐徐变特征。 此外， 在持续潮湿环境下 ， 碳纤维材料也较玻璃纤维 具 有更好 的耐久 性 。 加固砌体用 F R P复合材料 的粘结剂， 对片材系 统而言， 与加 固混凝土结构一样 ， 为环 氧类粘结树 脂。对近表面粘结 F R P筋 ， 粘结剂则 区分为环氧类 粘结剂与改性聚合物砂浆两类。相比聚合物砂浆， 环氧类粘结剂在 F R P筋与基层间提供更好 的粘接 性能。因此 ， 在不需保持墙面美观的情况下， 一般采 用环氧类的粘结剂。但是 ， 当需要保持墙面外观整 洁美观的情况下 ， 则应 考虑采用 聚合 物改性砂浆 。 对部分历史保护性建筑 ， 还 可根据原有色彩对聚合 物砂浆进行色彩调配。当然 ， 在此类情况下 ， 设计时 需要考虑粘结强度降低对承载能力的影响 ， 增加纤 维用 量及锚 固长 度 。 对一些较 旧的砌体结构 ， 需注意灰缝内若填充 过硬的树脂 ， 则可能导致 因刚度不协调而引起 的原 有砖块 的破损剥落 图 2～ 4 。 2 加 固设计 2 ． 1 设计基本原则 F R P复合材料加固砌体结构 的设计计算 ， 可参 照配筋砖砌体构件进行。涉及 的受力模式 ， 主要为 抗弯及抗剪加 固两种模式。在具体到 F R P与配筋 间的等效换算 ， 主要涉及 F R P的有效设计强度 ， 这 与 F R P复合材料加 固混凝土结构 相类似。另一方 面， 由于砌体构件 自身承载能力较混凝土结构的离 散性更大， 因此， 现阶段尚缺乏更多精确试验数据的 分析 图 5 ， 6 。 赵海东 ， 等 F R P复合 材料在砌体结构加 固中的实践应用 1 0 9 图 2 碳纤维 片材对墙体 抗震加固 Fi g． 2 S t r e ng t he ni ng o f mas on r y wal l、 v i t h c ar bon fibe r p l a t e 图 3 碳纤维片材加固抗震墙 Fi g． 3 St r e n gt h e ni ng of ma s o n ry wa l l wi t h ca r bon s he e t 图 4近表面粘贴 F R P筋加 固砌 体墙 Fi g． 4 S t r e ng t he ni ng m a s o nr y wal l wi t h ne a r s ur f a c e FRP r e ba r 2 ． 2纤维 有效设 计 强度 虽然 F R P复合材料强度高 ， 而由于其破坏模式 一 般为剥离破坏 ， 因此 ， 无论在受弯或受剪加固构件 中， 其强度均不能得到充分利用 。由于粘结 上的局 限性 ， 能有效利用 的 F R P强度一般为其材料极限强 图 5 采用 F R P加 固砌体 墙抗弯承载力对 比 Fi g ． 5 Co mpar i s on o f f l e x ur a l c a pa c i t y of FRP s t r e ngt he ne d m asonr y wa l l 图 6 F R P加 固墙体 的有效纤维应变 Fi g． 6 Effe c t i v e s t r a i ns o f FRP s he e t s i n s t r e ng t he ne d Wa U 度的 3 0 ％ ～ 4 0 ％。由于其破坏机理 的特性 ， 也决定 了其实际有效强度 的发挥依赖于更 多因素 ， 包括锚 固条件 、 构 件 的高 厚 比、 受 力特征 等 ， 但 设计 采用 3 0 ％的有效强度是合理的。 此外 ， 由于其线弹性特征 ， F R P加固的构件往往 较类似配筋率下配筋砌体构件的延性来得差 。 2 ． 3对 火 灾及 其他 极端 因素 的考 虑 在选择 F R P复合材料进行加 固时 ， 一个重要 的 因素是考虑 F R P在 极端事 件 中可 能 的失 效情况 。 由于 F R P玻化温度低 ， 在一般高温及火灾条件下均 可能失效 ， 而一般防火系统对 F R P复合材料 的防火 也不起作用。因此 ， 当采用 F R P来承受持续性荷载 时 ， 其加固提高的幅度需加 以合理 的限制。这在混 凝土构件 的加 固设计规 范中已有所体现 ， 要求被加 固件在不考虑 F R P作用情况下 ， 能承受正常使用极 限状态下 的荷载作用 。 在砌体结构加固中， 由于其一般应用于提高墙 体在遭遇极端横 向荷载 的承载 能力 ， 比如地震、 台 风、 爆炸等 ， 而同时发生火灾与地震 的几率非 常低 。 因此 ， 对 F R P复合材在 承载 力提高方面 的限值 ， 可 适 当放松 。 1 1 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 而对承受持续性荷载的墙体 ， 则仍然必须严格 控制加固提高幅度的限值 ， 同时 ， 设计师还需考虑在 F R P失效情况下可能引起的后果。 2 ． 4墙体单面加固是否可行 部分砌体结构外墙 ， 由于外立面的要求或施工 现场条件所限， 只能进行单面加固。此类情况下 ， 加 固是否有效对此 ， 需 区分是抗 弯亦或抗剪 加固。 对墙体在抗震及抗风的抗弯加固， 一般要求双面加 固， 以同时提高平面内及平面外 的抗弯承载力 。在 此类情况下， 采用钢筋 网灌浆方式加 固， 可能更合 适。 在抗剪加固中， 若墙体较薄， 不超过一砖墙 ， 则 允许采取单 面粘 贴 F R P复合 材的方法进 行加 固。 对墙厚超过一砖墙的实体墙 ， 相关试验结果也表明， 采用单面粘贴纤维复合材料， 其有效性不大。 2 ． 5 墙体边界条件的影响 在采用 F R P复合材进行加固施工前 ， 需评估边 界条件对墙体 的影响。尤其需注意 的是， 对具有刚 性边界或框架内的填充墙 ， 由于存在其他抗震机制， 墙体可能发生早期破坏， 采用 F R P复合材加固并非 是有效的方式。 就加固形式来说 ， 当墙体高厚比较大 ， 可作为简 支构件分析时 ， 或者墙体具有弹性的边界条件时， 采 用 F R P复合材进行抗弯加 固是有效的。而当墙体 的高厚比较小 一般 h ／ t 1 2 ， 由于墙体存在拱作 用机制， 往往不需要进行抗弯加固。当理论分析表 明必须进行加固时， 则需避免其他早期破坏机制 的 发生。 2 ． 6荷载传力路径的整体性 砌体结构房屋在横向荷载作用下的承载力依赖 于各单个构件问的相互连接的整体性。在砌体建筑 中， 其荷载传力路径一般为 屋檐或楼板一墙体一基 础 。连接的整体性可通 过相应 的构造措施 加以实 现 ， 比如在墙体内埋植钢板， 并 与楼板连接 ， 或者采 用型钢将墙体与楼板连接 。需注意的是 ， 当钢板与 碳纤维直接连接时， 为避免电化学反应 的发生， 建议 在粘结部位夹一层玻璃纤维 ， 将两者隔离。 3 施工要点 F R P复合材料加固砌体结构与混凝土结构的主 要区别在于基层处理 。对 F R P片材而言， 砖块表面 需打磨平整 ， 清理干净后 ， 需先涂抹一层环氧修补胶 泥 图7 ， 再进行后续纤维片材的粘贴 。若 面积较 大 ， 有时也可采用聚合物改性砂浆代替环氧修补胶 泥 ， 待其硬化后 ， 再进行后续纤维片材的粘贴施工。 对近表面粘贴 F R P筋系统 ， 则需先在墙体表面 或沿灰缝开槽 ， 槽深度一般为 2 O～ 3 0 m m， 且 比 F R P a F RP 片材 系统的基层处理 b 近 表 面 粘 结FRP 筋 系 统 的 基 层 处 理 图7 墙体基层处理 Fi g ． 7 S u b s t r a t e t r e a t me n t O i l ma s o n r y wa l l 筋宽度略大。槽清理干净后， 可注入相应粘结树脂 或聚 合 物 改性 砂 浆 ， 并 在 其 固化 前嵌 入 相 应 的 F R P筋 。 4 结 论 作为一种新型的砌体结构加固方案 ， F R P复合 材料能成功地应用于大量砌体结构中， 尤其是历史 保护性建筑的维修加 固。然而 ， 现阶段 由于尚缺乏 相应的设计、 施工指南 ， 实际应用中尚存在一定的问 题 ， 限制了 F R P材料在砌体结构维修加固中的广泛 应用 。 本文就 F R P复合材料加 固砌体结构 中涉及的 F R P选材要点 、 F R P强度有效利用值 、 对火灾等极端 因素的设计考虑 、 墙体单面加固的有效性 、 加固中边 界条件的影响 、 加 固整体性要求等诸多方面， 作了相 关分析 ， 相关经验可供工程实际应用参考使用。 参 考 文 献 [ 1 ] AC I 4 4 O ， G u i d e f o r t h e D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n 0 f E x t e rna ll y B o n d e d F RP S y s t e ms f o r S t r e n g t h e n i n g Co n c ret e S t r u c tur e s ， 2 0 0 6． [ 2 ] G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6混凝 土结构加 固设 计规范 [ S ] ．