GFRP加固砌体结构的研究与应用

GFRP加固砌体结构的研究与应用

刘丽，王永虎

武汉理工大学，武汉 (430070)

E-mail：olivell@126.com 摘 要：砌体结构是一种古老的建筑结构形式，在建筑结构中应用广泛。由于砌体结构材料的脆性性质，其抗剪、抗拉和抗弯强度均很低，因此砌体结构的抗震能力较差，而我国是一个多地震的国家，其抗震加固问题日益突出。本文阐述了我国砌体结构面临的加固现状以及玻璃纤维的物理性能，介绍了国内外学者对GFRP材料进行砌体结构加固的试验研究与应用，通过现有加固方法的比较，可知GFRP加固砌体结构有广阔的应用前景。 关键词：GFRP，砌体结构，加固

1．引言

砌体结构是我国及世界许多国家和地区一般及古旧建筑物大量存在的结构形式。随着使用年代的增长，由于老化造成结构强度降低、刚度退化，其建筑材料的脆性性质，抗剪、抗拉和抗弯的强度都很低，结构构件间的连接也较差，因此，其抗御地震、振动灾害以及地基情况发生变化的能力较差。从国内外历次震害调查中可知，砌体结构的破坏率都比较高，而我国又是一个多地震的国家，地震区范围广，易受地震灾害的砌体结构建筑物也较多，特别是一些具有历史文化保护意义的古建筑，对其进行有效的抗震加固和修复是一项十分重要的工作。另外，随着我国城市轨道交通的迅猛发展，交通车辆引起的结构振动诱发建筑物的二次振动，对建筑物特别是低强度的古旧砌体结构建筑物的结构安全产生了很大的影响。因此，对受复杂振动影响和地基变形影响的轨道周边砌体建筑物，进行抗振、抗剪加固的研究也越来越受到人们的关注。

纤维增强复合材料用于加固工程结构，具有不增加构件的自重及体积、不改变截面形状、高强高效、施工便捷、耐腐蚀性及耐久性好、使用面广等优点，在许多情况下比现有的加固方法更有优势，将纤维增强复合材料加固技术应用在砌体结构领域具有重要的理论研究意义和应用价值。

2．玻璃纤维复合材料的性质

所有的纤维复合材料都是由强度和刚度增强纤维以及增强弹性和韧性的聚合物基质共同组成。玻璃纤维复合材料（GFRP）是一种性能优异的无机非金属材料,它具有耐燃、耐高温、绝缘性好、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能, 因而玻璃纤维增强塑料产品已被越来越广泛地应用于结构、交通运输、航空航天等技术工程。玻璃纤维复合材料的力学性质和钢材不同，它们在拉断前一直保持理想的线弹性特征，没有钢材那样的屈服台阶；抗拉强度很高，极限应变较大，但是抗压强度却很低，相对于钢材而言，玻璃纤维的弹性模量较小。

3．GFRP加固砌体结构的研究及应用

从国内外研究现状看，大部分GFRP加固后的砌体在平面内水平低周反复荷载作用下，能够明显的提高砌体的平面内水平抗剪强度，增强变形能力，改善结构的延性。

Saadatmanesh[3]对6根砌体梁由两种不同强度砂浆砌筑，用两种环氧树脂的GFRP进行加固，试验结果表明这种加固方式非常可靠，没有试件在GFRP与砌体的粘结面发生滑移或粘结破坏。

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Kuzik[4]等人研究了GFRP片材粘贴加固的墙体在平面外周期荷载作用下的抗弯性能。试验包括八个足尺试件，共进行九次试验，考虑三个试验参数。三个参数中，只有GFRP的数量对墙体抗弯能力有显著影响。除了可见的裂缝，墙体在整个加载过程中始终保持整体的完整与稳定。试验结果表明，这一加固系统可以用来加固在地震中缺乏足够抗震构造的古旧建筑。

Al-salloum和Almusallam[5]对表面以环氧粘贴GFRP布的混凝土砌块墙的力学性能进行了试验研究与理论分析。通过试验，作者研究了GFRP对混凝土砌块墙的平面外受弯以及承受平面内竖向和水平荷载能力的影响，结果表明，GFRP对所有加固的试件都有明显的提高强度的作用。理论分析方面，作者根据力的平衡以及变形的协调关系，建立了简便的设计公式，用以估计加固砌体墙的强度和可能的破坏模式。计算结果试验数值得到了相当好的吻合。

林磊、叶列平[6]利用GFRP对砌体墙进行了加固的试验研究，对比了两种加固方案的不同效果，并对试验结果进行了分析，试验结果表明，GFRP布对墙体抗剪能力的提高是显著的。

翁大根、吕西林[7]等对在各种压力下的240标准砖墙片、试验之前及试验开裂以后GFRP粘贴墙面和增加钢筋砂浆层方法加固的墙片，采用伪静力装置水平加载方法，检验加固的效果。试验证明了对于砂浆强度很低的砌体，GFRP加固能有效增强砌体抗震整体性，具有等效于提高砂浆强度的效果，提高抗裂和极限承载力，则GFRP的厚度应满足其抗拉能力大于砌体的抗剪能力。对于到达过极限承载力破坏后的墙片，GFRP加固能使墙片基本恢复到原有的最大承载力。而钢筋网砂浆层加固能有效提高砌体的抗震能力。

陈瑶艳等[8]通过对3个粘贴普通偶不敢玻璃纤维布加固多孔砖墙片试件在低周反复荷载下的试验研究，探讨了两种GFRP布加固方式和有无初始裂缝对墙体抗震加固性能的影响。同时，针对两种加固方式分别建立了GFRP布加固墙体的抗剪极限承载力计算方法，计算结果与试验数据基本吻合。

20世纪50-60年代纤维增强复合材料开始用于民用建筑[9]，1961年GFRP应用到Smethwick一座教堂的尖顶上。1968年英国Wollaston建成了一座全GFRP折板的仓库。随着纤维增强复合材料生产工艺的不断改进提高，其成本逐渐下降，从20世纪80年代末开始，在一些经济发达国家纤维增强复合材料才真正应用于结构加固补强。

目前，国内外采用GFRP加固砌体结构的工程应用还不广泛，一些研究人员对受损砌体结构和古建筑采用GFRP进行修复加固取得了良好的效果。在1994年发生的Northridge地震中，南侧的墙体发生了严重的开裂，采用外贴GFRP进行了加固，所用的胶粘剂是环氧类双组分胶，GFRP粘贴后，外面在涂刷一层防紫外线的覆盖层加以防护。经过几年的实践检验，加固效果良好，取得了预期的目的。从而验证了GFRP加固砌体结构是一种高效可行的办法。

4．加固方法的比较

4.1 扩大截面法

扩大截面法可以提高原构件的承载力，还可加大其截面刚度，改变其子振频率，

增强结构的稳定性和抗震能力，是正常使用要求的性能在某种程度上亦得到改善。但是这种方法现场湿作业多，施工周期长，对原结构影响大，因截面扩大会增加结构自重，有时甚至会因结构重量的增加而致使对原结构的基础进行附加加固，从而增加加固成本，延长施工时

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间。

扩大截面法主要用于砌体承载力不足，但砌体尚未压裂，或仅有轻微裂缝，而且要求扩大截面面积的情况。一般的砖柱、砖壁柱、窗间墙和其他承重墙的承载能力不足时，均可采用此法加固。

4.2 钢筋网水泥砂浆加固法

钢筋网水泥砂浆加固是指把需要加固的砖墙表面除去粉刷层后，在砖墙一侧或两侧抹上高标号水泥砂浆或设置钢筋网再喷射高标号水泥砂浆，也可以用喷射混凝土对墙体进行加固。由于通常对墙体做双面加固，所以加固后的墙俗称夹板墙。夹板墙可以大幅度地提高砖墙的承载力、抗侧刚度以及墙体的延性。

此法主要用于因施工质量差而使砖墙承载力及抗剪强度达不到设计要求，因房屋加层加载而引起砖墙承载力不足，以及因地震或火灾而使整片墙承载力或刚度不足，又不宜采用增加抗震墙的方法时的加固。对于承载力不足的窗间墙或楼梯踏步承重墙，采用此法加固时，往往在墙的四角外包角钢，以增加承载力。

4.3 外包型钢加固法

外包型钢加固是一种先将砖柱四周的粉刷层铲除，洗刷干净，在砖柱角表面抹一层10mm厚水泥砂浆找平，将型钢粘贴于受荷砖柱的四周，并用卡具卡紧，随即用缀板将型钢连成整体，最后去掉卡具，粉刷水泥砂浆以保护型钢的加固方法。当采用此法加固窗间墙时，由于窗间墙的宽度比厚度大得多，仅采用四角加型钢不能有效地约束墙的中部，此时宜在窗间墙的中部两边竖向各增设一根扁铁，并用螺栓将它们拉结，最后抹以砂浆保护层。

此法施工简便，现场工作量和湿作业少，受力较为可靠。适用于不允许增大原构件截面尺寸，却又要求大幅度提高截面承载力的砌体柱的加固。但是其加固费用较高，并需采用类似钢结构的防护措施。

4.4 预应力加固法

预应力加固法是在砌体结构构件外部安装水平及竖向钢拉杆或型钢撑杆，然后施加后张拉预应力对构件进行加固。此法可在几乎不改变使用空间的条件下，改变原结构的内力分析并降低原结构的应力水平，使结构构件的承载能力得到提高。预先施加的应力能够消除或减缓后加杆件的应力滞后现象，因此后加部分能与原结构能较好地共同工作。预应力产生的负弯矩可以抵消部分荷载弯矩，减小原有构件的挠度，缩小原有构件的裂缝宽度，甚至可以使其完全闭合。

此法具有卸荷、加固及改变结构受力三种功能，特别适用于大跨度加固。但是在加固施工时增加了施加预应力的工序和设备，对施工队伍的素质要求比较高，并且要求原有混凝土标号不低于C20。

4.5 纤维增强复合材料加固法

FRP加固砌体结构目前常用的材料主要是碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维，纤维复合材料都具有耐腐蚀性和耐久性好、不增加构件自重和体积、轻质高强、易于施工、适用面广等优点。较碳纤维和芳纶纤维而言，玻璃纤维具有造价低、延伸率高、产品规格多等优点。鉴于我国特殊的经济条件，玻璃纤维虽然其前期投资稍大，但从长期投资的角度看效益明显。

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以上这些传统的砌体加固方法，经过了很长时间的实际工程应用，显示出了各自的优点，能够一定程度上提高原砌体结构构件的承载力，使其达到要求的使用功能，但是同时存在着明显缺点，如钢筋网水泥砂浆加固法，其施工为湿作业性质，施工周期长，影响加固作业期间建筑物发挥正常的使用功能，同时一定程度上侵占了原有的空间，并增加了结构自重；外包钢加固法作用的钢材耐腐蚀性与耐高温性能差，必须采取钢结构中的防腐蚀及防火措施，相应增加了加固的成本等。这些加固方法的不足了它们的进一步应用，面对越来越多的需要加固修复的砌体结构，能弥补以上不足的新材料、新工艺呼之欲出，而采用FRP加固法也许恰好迎合了这种需要。由于FRP加固时诸多优势，特别是附加体积小，不影响建筑的外观，这一点对历史文化建筑的加固很有利，而早期几乎所有的历史文化建筑都是采用的砌体结构，所以FRP加固砌体结构很有进一步研究的必要，并具有深远的社会意义。

5．结语

GFRP是一种极具优势的补强加固材料，由于具有优异的物理力学性能以及良好的可粘结性能材料及使用性能，其应用范围正在以惊人的速度增长。基于GFRP加固砌体结构的研究与应用分析，可知GFRP用于加固砌体结构是可行的、合理的。我国砌体结构已有2000多年的历史，特别是一些具有历史文化保护意义的古旧建筑亟待进行结构修复与加固，可知在不久的将来，玻璃纤维加固砌体结构将有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 施楚贤. 砌体结构理论与设计（第二版）［M］.北京:中国建筑工业出版社,2002

[2] 朱梦君,刘宏伟.纤维增强复合材料的研究与应用［J］.淮海工学院学报,200, 11（3）: -67. [3] Ehsani M R, Saadatmanesh H, AL-Saidy A. Shear behavior of URM retrofitted with FRP Overlays． Journal of

Composites for Construction, ASCE, 1997,1(1):17-25.

[4] Kuzik M D, Elwi A E , Cheng J J R.Cyclic flexure tests of masonry walls reinforced with glass fiber reinforced

polymer sheets.Journal of Composites for Construction, ASCE,2003,7(1):20-30.

[5] AI-Salloum Y A, Almusallam T H.Load capacity of concrete masonry block walls strengthened with

epoxy-bonded GFRP sheets, Journal of Composites for Materials, 2005,19(19):1719-1745.

[6] 林磊,叶列平.GFRP加固砌体墙的试验研究［C］.第二届全国土木工程纤维增强复合材料(FRP)应用技术

学术交流会,昆明,2002: 215-223,

[7] 翁大根,吕西林,任晓菘,等,砖砌体墙片抗震修复与加固伪静力试验［J］.世界地震工程,2003,19(1): 1-8. [8] 陈瑶艳,阮积敏,王柏生,等, 普通玻璃纤维布加固多孔砖砌体的抗震性能试验研究［J］．工业建筑,2004, 34

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[9] 叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展［J］.土木工程学报,2006, 39（3）: 24-36. [10] 董鸣. 谈现代建筑物的加固技术［J］.山西建筑,2003, 29（18）: 60-61.

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Research and application on masonry structure reinforced

with GFRP

Liu Li, Wang Yonghu

Wuhan University of Technology, wuhan (430070)

Abstract

Masonry structure is a kind of age-old architecture structure and is widely used in buildings. But the shearing strength, lengthening strength and bending strength of the masonry structure are very low owing to the brittleness of material, so the aseismatic behavior of masonry building is lower, together with China is a more earthquake country, the aseismatic strengthening problem is very important. This paper expatiates some states about masonry structure in our country and the mechanics capability of GFRP, and introduces the study and applications on masonry structure reinforced with GFRP both at home and abroad，compared with the existing reinforced methods , it concludes that the application foreground is amplitude on masonry structure reinforced with GFRP. Keywords：GFRP，masonry structure，reinforce

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