建筑结构丨纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙抗震性能试验研究

[摘要] 以无圈梁构造柱砖墙为研究对象，对比了采用不同形式的纤维增强水泥基复合材料面层加固后砖墙的抗震性能。共开展了1片未加固砖墙、4片纤维增强水泥基复合材料加固砖墙和1片钢筋网水泥砂浆加固砖墙的伪静力试验。结果表明，采用纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙可以显著提高砖墙的承载能力和变形能力；单面全墙面面层加固对原墙体抗震性能的提升最为显著，加固后砖墙的承载能力和极限变形能力分别是原墙体的1.89倍和1.96倍；单面圈梁构造柱位置条带式面层加固与钢筋网水泥砂浆面层加固相比，可更有效地提高砖墙的承载能力和变形能力。基于试验结果，提出了不同加固形式下砖墙受剪承载力计算公式，计算值与试验值的最大误差约8.1%。采用有限元方法对加固砖墙的受力性能进行了数值分析，得到的极限承载力与试验结果较为吻合。工程实际应用中，建议优先选用单面全墙面面层加固。

[关键词] 纤维增强水泥基复合材料；砖墙；加固；抗震性能

砌体结构广泛分布于我国各地，数量巨大。目前的既有砌体结构很大一部分建于20世纪80年代以前，由于长期使用和累积损伤导致大量既有砌体结构强度降低、安全性下降。此外，由于建造时技术标准和抗震技术要求偏低，部分砌体结构抗震性能明显不足，需采取技术手段对其进行加固。

纤维增强水泥基复合材料是一种新型建筑材料。研究表明[1-5]，与传统建筑材料相比，其弹性模量相对较低，在拉伸和剪切作用下具有很高的延性，极限拉应变可以达到0.5%～3%及以上[6]，具有类似金属材料拉伸强化的特征。此外，其破坏形态表现为多缝开裂，具有较好的裂缝分散能力[7]。基于以上特点和优势，纤维增强水泥基复合材料已经被用于建筑结构的加固中[8-9]。徐世烺等[10]进行了超高韧性水泥基复合材料加固钢筋混凝土梁的试验研究，结果表明该加固方法可有效提高梁的承载能力和延性。梁兴文等[11]研究了底部塑性铰区域采用纤维增强混凝土剪力墙的抗震性能，结果表明剪力墙的抗损伤能力明显改善。张远淼等[12]研究了纤维增强水泥基复合材料修复震损剪力墙的抗震性能，结果表明加固后墙体延性得到提高，且破坏模式由脆性破坏转化为延性破坏。Billington等[13]采用纤维增强水泥基复合材料加固无筋砌体填充墙，研究了加固后填充墙框架结构的抗震性能，结果表明该加固方法可以有效改变填充墙脆性破坏模式。邓明科等[14-15]研究了纤维增强水泥基复合材料加固砖墙和受损砖墙的抗震性能，结果表明该材料可抑制墙体开裂，提高砖墙变形能力。

目前，纤维增强水泥基复合材料加固无圈梁构造柱砖墙以及不同面层加固方式对其抗震性能的影响有待进一步研究。本文将开展不同形式纤维增强水泥基复合材料面层加固无圈梁构造柱砖墙抗震性能的试验研究，提出不同形式面层加固后砖墙受剪承载力的计算方法，为工程应用提供依据。

1.1 试件设计与制作

本次试验共设计6个无圈梁构造柱砖墙试件，墙体尺寸均为2 115mm×1 750mm×240mm。砌筑用砖为MU15烧结普通砖，砖块尺寸为240mm×115mm×48mm，砌筑砂浆为M2.5混合砂浆，砌筑方式为一顺一丁。W-1′为未加固对比试件，EW-3为纤维增强水泥基复合材料双面圈梁构造柱位置条带加固试件，EW-4为纤维增强水泥基复合材料单面全墙面涂抹加固试件，EW-5为纤维增强水泥基复合材料单面圈梁构造柱位置条带加固试件，EW-6在EW-5的基础上在面层内配钢筋网。MW-1加固及配筋形式同EW-6，面层采用M25水泥砂浆，纤维增强水泥基复合材料条带厚度为45mm(相当于与30mm厚纤维增强水泥基复合材料进行等强替换)。试件的详细参数见表1，试件尺寸及加固形式见图1。

图1 试件尺寸及加固方案

试件参数 表1

注：厚度为纤维增强水泥基复合材料条带的厚度。

纤维增强水泥基复合材料面层加固试件按以下流程施工：砌筑墙体→养护→墙面除灰尘并湿润→涂抹环氧底胶→涂抹纤维增强水泥基复合材料面层→面层定期浇水养护。

1.2 加载方案

采用低周往复加载方式进行试验，加载装置见图2。竖向荷载由千斤顶通过分配梁传递到试件顶部的钢筋混凝土加载梁上，控制墙体平均压应力为0.6MPa。水平方向通过MTS作动器进行循环往复加载。按照《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[16]，采用荷载控制和位移控制混合加载方法进行试验。具体加载方式为：先采用荷载控制，每级往复循环1次；当荷载-位移曲线出现屈服时，转为位移控制；控制位移时采用上级荷载对应的位移u，并按u的整数倍逐级加载，此阶段每级循环3次，直至荷载下降至极限荷载的85%以下，结束试验。

图2 加载装置示意图

1.3 试验材料

参考实际工程常见情况，砖墙采用MU15烧结黏土实心砖，实测砖块抗压强度为19.4MPa。墙体砌筑砂浆采用M2.5混合砂浆，配合比为水泥∶石灰∶砂∶水=1∶1.66∶11.15∶1.54。试件MW-1加固面层采用M25水泥砂浆，配合比为水泥∶砂∶水=1∶3.68∶0.7。

加固采用的纤维增强水泥基复合材料配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶纤维=1∶2.33∶0.72∶0.96∶0.084，纤维选用日本某公司的进口PVA纤维，体积分数为2%。

砖墙砌筑砂浆强度以及加固用纤维增强水泥基复合材料与水泥砂浆的材料强度实测结果见表2。纤维增强水泥基复合材料极限拉应变实测平均值约0.017 4。

试件材料测试强度 表2

2.1 试验过程及破坏形态

各试件的破坏形态及裂缝分布见图3。对单面加固的试件，图中显示的均为未加固一面的墙体裂缝分布。

图3 试件破坏形态及裂缝分布

试件W-1′：荷载控制加载至±90kN时，右下侧墙体第2皮砖顶出现水平裂缝。位移控制加载至±4mm时，墙体底部水平裂缝贯通；加载至±6mm时，墙体中部出现斜裂缝并逐渐延伸；加载至±8mm时，正负向荷载均达到最大值；加载至±10mm时，砖墙沿对角线出现贯通斜向裂缝，正向加载时最大裂缝宽度为3.2mm，负向加载时最大裂缝宽度为-7mm；加载至+12mm时，承载力下降至最大荷载的85%以下，墙体破坏严重，停止加载。试件W-1′的裂缝主要分布在墙体对角线上。

试件EW-3：荷载控制加载至±90kN时，墙体没有出现裂缝，改为位移控制。位移控制加载至±4mm时，左右两侧墙体底部出现水平裂缝，纤维增强水泥基复合材料底部也出现水平裂缝；加载至±8mm时，墙体底部水平裂缝宽度增大，墙体中部出现斜向裂缝；加载至±10mm时，正负向荷载均达到最大值；加载至±14mm时，左下侧墙体的纤维增强水泥基复合材料和砖墙粘结面出现裂缝，右上侧纤维增强水泥基复合材料面层和砖墙同时出现斜向裂缝，并向墙体右上角处延伸，纤维增强水泥基复合材料加固面层与墙体发挥共同工作；加载至±20mm时，最大裂缝宽度超过30mm，墙体破坏严重，停止加载。试件EW-3的裂缝主要出现在对角线上，裂缝数量较试件W-1′更多。

试件EW-4：荷载控制加载至±90kN时，右侧墙体底部沿1皮砖顶出现水平裂缝。位移加载至±8mm时，墙体底部水平裂缝基本贯通；加载至±10mm时，墙体中部出现斜向裂缝，并不断扩展；加载至±16mm时，正向荷载达到最大值，墙体出现较多斜裂缝，纤维增强水泥基复合材料面层同时出现斜向裂缝；加载至±18mm时，正向斜裂缝贯通，负向荷载达到最大值，裂缝宽度最大可达2mm；加载至±20mm时，墙体破坏严重，停止加载。

试件EW-5：荷载控制加载至±120kN时，墙体没有出现裂缝，改为位移控制。位移控制加载至±4mm时，墙体底部1皮砖顶出现水平裂缝；加载至±8mm时，墙体中部出现数条斜裂缝，正向荷载达到最大值；加载至±10mm时，负向荷载达到最大值，墙面斜裂缝贯通，最大裂缝宽度为1.5mm；加载至±14mm时，正向加载最大裂缝宽度达到19mm，负向加载最大裂缝宽度达到35mm，墙体破坏严重，停止加载。

试件EW-6：荷载控制加载至±120kN时，墙体没有出现裂缝，改为位移控制。位移控制加载至±4mm时，墙体左侧底部1皮砖顶出现裂缝；加载至±8mm时，墙体中部出现斜裂缝；加载至±12mm时，正负向荷载均达到最大值，此时裂缝最大宽度达到5mm；加载至±14mm时，斜裂缝基本贯通，局部纤维增强水泥基复合材料与墙体有脱开；加载至±16mm时，最大裂缝宽度达到9mm，墙体破坏严重，停止加载。

试件MW-1：荷载控制加载至±120kN时，墙体没有出现裂缝，改为位移控制。位移控制加载至±4mm时，墙体底部出现水平裂缝；加载至±6mm时，负向荷载达到最大值，墙体出现斜裂缝；加载至±8mm时，正向荷载达到最大值，墙体中部出现多条斜裂缝，负向荷载下，墙体底部出现数条受压裂缝，墙体两侧底部水泥砂浆层与墙体开裂；加载至±10mm时，墙体沿对角线出现贯通斜向裂缝，水泥砂浆层出现水平受弯裂缝，墙体与水泥砂浆层局部脱开，墙体破坏严重，停止加载。

2.2 滞回曲线

各试件水平荷载-顶点水平位移滞回曲线见图4。未加固试件W-1′的破坏形式为交叉斜裂缝剪压破坏，加载前期，不断出现斜裂缝，裂缝发展完成后达到峰值荷载，之后主裂缝宽度增大，耗能能力也随之下降。由图4可知，相对于未加固试件，纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙试件耗能能力更强，虽然各试件最终破坏形式均为剪压斜裂缝破坏，但由于加固方式不同，各试件的破坏过程仍有不同之处。试件EW-3在达到峰值荷载后由于受双面纤维增强水泥基复合材料面层约束，承载力下降较缓，由于主裂缝的开合而呈现出滑移现象，滞回曲线表现为反S形，延性较好。试件EW-4由于单面全墙面涂抹纤维增强水泥基复合材料面层，对原砖墙的约束比试件EW-3更强，滞回曲线表现为反S形，延性特性更好一些。试件EW-5单面纤维增强水泥基复合材料面层对砖墙的约束较弱，在达到峰值荷载前，墙体斜裂缝充分发展，表现出较好的耗能能力，滞回曲线呈梭形；试件EW-6、试件MW-1与试件EW-5基本相同，其中试件EW-6的纤维增强水泥基复合材料面层内配置钢筋，从而增大了墙体的承载能力和变形能力，试件MW-1采用水泥砂浆层加固，其承载力较低。

图4 试件滞回曲线

2.3 骨架曲线

各试件骨架曲线见图5。各试件在水平往复荷载作用下，开裂荷载点、屈服荷载点、峰值荷载点、极限荷载点的荷载值P和位移值Δ，以及极限位移角θ见表3。

图5 试件骨架曲线

各试件荷载-位移骨架曲线特征点试验结果 表3

对比试件W-1′，EW-3，EW-4和EW-5，分析不同加固形式对构件性能的影响，可知：1)纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙，可以显著提高试件的承载能力和极限变形能力；2)单面全墙面加固方式对砖墙的约束最强，试件EW-4的承载力和极限变形分别是试件W-1′的1.89和1.96倍，显著改善了墙体的抗震性能；3)相同体积的纤维增强水泥基复合材料面层，采用双面加固的方式提高了纤维增强水泥基复合材料面层的约束作用，还保证了纤维增强水泥基复合材料面层更有效地传递墙体的剪力，试件EW-3和试件EW-5的承载力均是试件W-1′的1.4倍左右，极限变形分别是试件W-1′的1.83和1.34倍，因此双面纤维增强水泥基复合材料加固对提高墙体的变形能力更有效。

对比试件W-1′，EW-5，EW-6和MW-1，分析不同加固材料对构件性能的影响，可知：1)采用纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙或者采用水泥砂浆面层加固砖墙，均可以显著提高砖墙的承载能力；2)试件EW-5和试件EW-6的承载力分别是试件W-1′的1.41和1.69倍，极限变形分别是试件W-1′的1.34和1.52倍，表明钢筋网纤维增强水泥基复合材料面层加固方式由于钢筋参与了共同工作，可更进一步提高试件的抗震性能；3)试件MW-1的承载力和极限变形分别是试件W-1′的1.34倍和0.98，采用钢筋网水泥砂浆面层加固方式提高了砖墙试件的承载能力，但对试件的变形能力没有提高。

2.4 刚度退化

刚度退化曲线可以反映试件在低周往复荷载作用下的刚度变化特性。采用《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[16]规定的每级加载最大荷载点对应的割线刚度作为试件等效刚度进行评价。根据滞回曲线、骨架曲线以及试验记录，以等效刚度为纵坐标，试件顶点位移为横坐标，可得到6个试件的刚度退化曲线，见图6。总体而言，各试件的刚度随着侧向位移的增加而逐步下降，进入塑性阶段后，各试件刚度下降较为平缓。加固试件的刚度比未加固试件的刚度明显增大。

图6 刚度退化曲线

2.5 耗能能力

试件的耗能能力以水平荷载-顶点水平位移滞回曲线所包围的面积来衡量，滞回环越饱满，所包面积越大，其耗散的能量越多，反之越少。试件的耗能能力可通过累积耗能来表达，累积耗能为正负向各级荷载下阶段耗能的累加值，通过计算得到各试件的累积耗能，见图7。

图7 累积耗能曲线

由图7可知：1)加载初期，各试件的耗能相差不大。随着水平位移的增加，相同水平位移下，试件EW-6和MW-1的耗能明显大于试件W-1′，这主要是由于砖墙开裂后，钢筋迅速参与工作而耗散大量能量；而相同水平位移下，试件EW-3，EW-4，EW-5的耗能则小于试件W-1′的耗能，或与试件W-1′耗能基本相同，其主要原因是纤维增强水泥基复合材料是低弹性模量材料，同时抑制了墙体的开裂，使加固后墙体在满足承载力要求的同时具备较好的延性。2)随着水平位移的不断增加，试件EW-3，EW-4，EW-5仍然具有很好的耗能能力，其总耗能显著大于未加固砖墙的总耗能。

3.1 理论计算

3.1.1 未加固墙体

研究表明，在剪-压复合受力状态下，随着垂直压应力和砌体抗剪强度的变化，砖墙可能发生剪摩破坏、剪压破坏和斜压破坏。主拉应力破坏理论和库伦破坏理论曾被用于分析砌体抗剪强度，其公式分别被《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[17]和《砌体结构设计规范》(GBJ 3-88)[18]采用，但两种理论的砌体抗剪强度随轴压比的增加而一直增加，而实际试验表明，当轴压比增大一定程度后，砌体抗剪强度随轴压比的增大而减小。因此，骆万康等[19]提出了剪-压复合受力影响系数，得到砌体抗剪强度的表达式：

fv,m=fv0,m+αμσ0                             (1)

式中：fv,m为有竖向力时砌体抗剪强度平均值，MPa；fv0,m为竖向力为零时砌体抗剪强度平均值，MPa；α为修正系数，对于砖砌体结构，取0.7；σ0为竖向压力， MPa；μ为砌体剪-压复合受力影响系数。

当σ0/fm≤0.8时：

μ=0.83-0.7σ0/fm

(2)

当0.8 <σ0 m<1.0时：<>

μ=1.690-1.775σ0/fm

(3)

式中fm为砌体抗压强度平均值，MPa。

式(1)～(3)被《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[20]采用，在计算时，砌体的抗剪强度fv0,m和抗压强度fm取材料强度实测值进行计算。

有试验研究表明[21]，砌体抗剪强度仅为双砖抗剪强度的50%左右，其原因是砂浆的不均匀分布导致砖墙截面剪力分布不均匀，先达到剪力最大值的砂浆最先开裂，未开裂部分的砂浆继续受力，直至达到最大承载力。因此，取墙体的截面有效利用系数为0.5，对式(1)进行修正，得到砌体的抗剪强度为：

fv,m=0.5fv0,m+αμσ0

(4)

3.1.2 纤维增强水泥基复合材料加固墙体

采用砂浆或混凝土面层加固的砖墙承载力计算公式一般有两种形式：1)将加固材料面层与砖墙折算为整体抗剪强度；2)认为加固后结构抗剪承载力是砖砌体、加固面层和钢筋三部分各自承载力之和，并考虑其共同工作时的参与系数。目前，计算加固后砖墙承载力常采用第二种方法。

加固面层对砖墙的约束作用使墙体自身的抗剪承载力有所提高，但由于砖砌体、纤维增强水泥基复合材料和钢筋的强度及变形能力不同，在受力时三者不会同时达到各自的强度最大值。参考剪力墙和构造柱的承载力计算公式[22]，本文建议加固砖墙承载力计算公式为：

(5)

式中：Vm为原砖墙对加固试件承载力的贡献值；Ve为纤维增强水泥基复合材料面层对加固试件承载力的贡献值；Vs为钢筋网对加固试件承载力的贡献值；αm为原砖墙受剪承载力的加权系数，考虑高宽比、单双面加固调整系数和砌体强度利用系数[23]，本文双面加固取1.08，单面加固取1.05；Am为砖墙受剪截面面积；αe为纤维增强水泥基复合材料面层承载力调整系数，取0.7(文献[24]中该参数为0.73)；n为加固纤维增强水泥基复合材料面层数，双面涂抹取n=2，单面取n=1；ft,e为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度；Ae为纤维增强水泥基复合材料受剪截面面积；αs为钢筋承载力调整系数，取0.15；fy为钢筋抗拉强度；As为钢筋受剪截面面积。

按照上述承载力计算公式对各试件抗剪承载力进行计算，并取实测值进行比较，结果如表4所示。由表4可知，加固试件理论计算值与试验值的误差范围为5.6%～8.6%，绝对误差平均值约6.6%，说明本文提出的公式计算结果与试验值吻合较好。此外，根据陕西省工程建设标准《高延性混凝土应用技术规程》(DBJ61/T 112—2016)[25]计算试件受剪承载力，并与本文试验值进行对比。如表4所示，规范值与试验值相差-20%～9.9%，绝对误差平均值约11.1%；根据规范得到的单面全墙面加固的计算结果误差较大。

试件抗剪强度计算结果 表4

3.2 有限元分析

采用有限元软件对纤维增强水泥基复合材料加固砖墙的受力性能进行数值分析。砖墙采用整体式建模；砖墙、混凝土和纤维增强水泥基复合材料均采用三维实体单元，钢筋采用桁架单元；采用混凝土损伤塑性模型来模拟砖墙、混凝土和纤维增强水泥基复合材料的本构模型，钢筋采用弹塑性本构模型。砖墙和钢筋的各项材料参数和损伤参数参考文献[26]，纤维增强水泥基复合材料单轴受拉和单轴受压应力-应变曲线均为双直线形式，材料参数采用实测值。

有限元模型采用位移加载方式，各试件承载力计算结果如表5所示，有限元分析水平位移-层间刚度曲线与试验分析水平位移-层间刚度曲线的对比如图8所示。由表5和图8可知，试件极限承载力模拟结果与试验值接近，而峰值位移模拟结果有一定偏差。有限元分析结果进一步验证了纤维增强水泥基复合材料加固砖墙的有效性。

图8 试件水平位移-层间刚度模拟曲线与试验曲线对比

各试件承载力有限元模拟结果与试验值对比 表5

3.3 加固效果比较

综合纤维增强水泥基复合材料条带加固砖墙的抗震性能研究结果，各类不同加固形式的加固效果对比见表6。

不同加固形式的效果对比 表6

由表6可知，单面全墙面纤维增强水泥基复合材料面层加固(试件EW-4)对原墙体抗震性能提升最为显著，加固后砖墙的承载能力和极限变形能力分别是原墙体的1.89倍和1.96倍；相同纤维增强水泥基复合材料总厚度下的双面(试件EW-3)和单面(试件EW-5)加固，对原墙体承载能力的提升比较接近，但双面加固的极限变形能力更好；总体上，纤维增强水泥基复合材料面层加固比钢筋网水泥砂浆面层加固对墙体的各项抗震性能的提升更有效。

通过6个砖墙试件的低周往复试验，系统研究了纤维增强水泥基复合材料单面全墙面面层加固和圈梁构造柱位置条带式面层加固、单面和双面加固、无钢筋网面层加固和钢筋网面层加固等不同加固形式对砖墙破坏形态、滞回特性等抗震性能的影响，为采用纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙提供了技术依据和工程建议。

(1)纤维增强水泥基复合材料加固砖墙的最终破坏形式是剪切破坏引起的交叉斜裂缝，纤维增强水泥基复合材料面层可与砖墙保持较好的协同工作，可充分发挥纤维增强水泥基复合材料的材料性能，有效限制砖墙的开裂和破坏，提高砖墙的极限变形能力。

(2)单面全墙面15mm厚纤维增强水泥基复合材料面层加固比双面各15mm厚圈梁构造柱位置条带式纤维增强水泥基复合材料面层加固效果较好，其承载力比未加固砖墙分别提高1.89倍和1.40倍，极限变形比未加固砖墙分别提高1.83倍和1.96倍。

(3)纤维增强水泥基复合材料面层加固砖墙的抗震性能优于水泥砂浆面层加固的砖墙，同条件下，前者可以更有效地提高墙体承载能力和变形能力。

(4)未加固砖墙开裂后刚度持续下降，而加固砖墙开裂后刚度退化曲线比较平缓。加固砖墙总耗能显著大于未加固砖墙的总耗能。

(5)根据相关已有研究成果与本文试验结果，提出了纤维增强水泥基复合材料面层加固的墙体抗剪承载力计算方法，与试验结果吻合较好。

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作者简介： 王卓琳，女，博士，正高级工程师，国家一级注册建造师、注册咨询工程师，上海市青年科技启明星、上海土木工程科技英才、获上海市人才发展资金资助、获上海市“巾帼文明岗”称号、建筑结构行业杰出青年。现任上海市建筑科学研究院有限公司建筑结构与维护改造研究所总工程师兼研发中心主任。长期致力于建筑运维安全与更新改造领域的技术研发和工程实践。负责“十三五”国家重点研发计划子课题2项，负责或作为骨干参与“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划、上海市科委等各级别课题20余项，获得部市级科技奖励5项，在国内外重要期刊上发表论文50余篇（其中SCI/EI收录15篇），主参编《既有建筑绿色改造技术标准》（DG/TJ 08-2338-2020）、《装配式混凝土结构套筒灌浆质量检测技术规程》（T/CECS 683-2020）、《装配整体式混凝土建筑检测技术标准》（DG/TJ 08-2252-2018）等技术标准10部、专著3部，获软件著作权1项，授权国家发明专利7项、实用新型专利14项。研发成果和技术专利已在相关标准和工程实践中得到转化应用。Email：wzllzw@163.com。