纤维格栅对提高砌体墙抗震性能的影响与应用研究论文
配筋砌体具有砌体结构本身的易于就地取材、耐火耐久性良好、保温隔热性能良好等优势，而且加大了延性抗震性能，在国内外有了快速发展.然而目前配筋砌体结构存在施工量大、钢筋现场加工不易、钢筋易被腐蚀等缺点，尤其对于目前大力推广的薄灰缝砌体来说(对于节能效果好的灰缝厚度小于3mm的墙体无法配置直径为5～6mm 的钢筋)，传统配置钢筋(或网片)的方式已成为配筋砌体推广的障碍.另外，砌体在受压状态下，将产生压缩变形，而块材本身的变形极小，主要是灰缝砂浆的变形，灰缝砂浆越厚，压缩变形值越大，形成横向拉应力也越大，故砌体越容易破坏.对此必须采取一定对策，探索一种既能实现薄灰缝墙体又能提高墙体延性，而且施工方便、耐久性好、价格合理的材料与技术已势在必行，从而使推广节能、抗震、防裂的砌体结构成为可能.
1 配纤维布砌体墙体抗震性能
1.1 玻璃纤维布力学性能测试
本试验采用GB/3354-1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中介绍的方法.对试验所用EGFW430玻璃纤维进行试验得到其力学性能指标.
1.2 试件设计与制作
试验共进行了4片墙，即无筋普通砂浆砌筑墙片1片、普通砂浆水平配钢筋墙片1片(水平配钢筋为每片灰缝放置4根Ф4.5mm钢筋，总计16根，体积配筋率[3]为0.08%)、普通砂浆水平铺30kN/m抗拉力的耐碱玻璃纤维墙片1片，以及专用砂浆水平铺纤维墙片1片.砌块统一采用北京现代建筑材料有限公司的蒸压加气混凝土砌块，外型尺寸为600mm×240mm×250mm，强度等级A5.0MPa，砂浆设计强度均为M5.0.墙片设计尺寸为1 210mm×240mm×1 290mm.墙顶为强度等级为C30的混凝土压梁(主筋采用4Ф12mm，箍筋Ф6mm@200)，压梁高250mm模拟为圈梁，且在加垂直荷载时作为分配梁，墙片砌筑在强度等级为C30的混凝土地梁上(主筋6Ф18mm，箍筋Ф6mm@200).
1.3 试验方案
为更好地模拟房屋层间墙体在地震作用下的工作特性和破坏模式，试件的上下两端设置了钢筋混凝土梁，通过四连杆机构保证墙体顶部在水平力作用下只有水平移动而无转动的边界条件.为模拟房屋层间墙体作用的竖向荷载，采用同步液压加载装置，并配有自动保压和压力调节装置(JSF-Ⅱ/31.5-4高精密静态伺服液压控制台).
在施加水平往复荷载之前，首先施加竖向荷载，先预加几次，待观察墙片受力正常无平面外偏心后，将竖向荷载1次加至要求值.在整个试验过程中，竖向荷载值保持不变.
根据国内外资料和大量砖砌体的试验数据及蒸压加气混凝土力学参数，对墙片采用分级施加水平荷载，每级荷载值在试件初裂以前以荷载控制.第1级荷载值取预计荷载值的20%，后一级荷载数值较前一级增加20kN，每级循环1次，如此逐步提高荷载值.当墙体出现裂缝后采用位移控制，以初裂缝荷载下位移为控制量，并以该位移值的倍数为级差进行位移控制加载，位移控制时循环2次.直到可载力下降至极限荷载的80%试验停止.
1.4 试验结果
本次试验砂浆强度采用试块强度和回弹仪测定的实际强度值，开裂荷载Pc指墙体上出现肉眼所见的第1条裂缝时的荷载值，破坏荷载Pw为下降到极限荷载80%附近的荷载值.
1.4.1 墙体破坏特征
蒸压加气混凝土砌块墙体在水平往复荷载作用下呈剪切型破坏.由于砌块抗压强度较低，砌体砂浆强度一般高于砌块强度，因此墙体破坏大部分为砌块破坏而不是像粘土砖墙体那样沿砂浆灰缝破坏.几种砌体的破坏特征：
1)无配筋砌筑墙体(W-P-1)
当水平荷载达到开裂荷载时，墙体突然出现沿45°斜裂缝，裂缝大部分穿过砌块而很少沿灰缝破坏.墙体开裂前无明显破坏迹象，裂缝出现后扩展迅速，破坏后裂缝高度也较大，裂缝形式基本为1组交叉主裂缝.
2)水平配钢筋墙体(W-PG-2)
当水平荷载达到极限荷载的90%左右时，在墙体中部出现细微斜裂缝，随着荷载的不断增加裂缝不断向角部扩展，裂缝较均匀地分布在整个墙面，且缝比较细小，很难分辨出哪一条是主裂缝.这种现象表明了配钢筋后的墙体应力分布更加均匀合理.
3)水平配纤维布墙体(W-PX-4和W-ZX-5)
当水平荷载达到初裂值时，其破坏特征与无筋砌筑墙体相似，墙体出现交叉斜裂缝.随着荷载的增加主裂缝开始发展缓慢，并在主裂缝附近出现新的斜裂缝.此时的墙体破坏接近水平配钢筋墙体的破坏特征.虽然纤维相对钢筋较弱，但也改善了砌体的延性，墙体的抗剪强度及变形能力均有所增长.
1.5 试验结果分析
几种类型墙体的承载能力.与无筋墙体比较，普通砂浆水平配纤维墙体的极限剪切力提高了8%;普通砂浆水平配钢筋砌块墙体极限剪切力提高了45% 左右;专用砂浆配纤维提高了38%.从表3中墙体开裂荷载与极限荷载比值中可以看出蒸压加气混凝土墙体一旦开裂，承载能力一般不会再提高多少，说明墙体开裂后的强度储备较少，材料的脆性异常明显.当蒸压加气混凝土墙体配制了水平钢筋或纤维后开裂尚有30%以上的荷载储备.水平配筋和纤维不但提高了砌块的承载能力，而且也改善了砌块的脆性性质.
通过上述A 类蒸压加气混凝土墙体水平往复荷载下的破坏试验，可以得出：
1)从几种类型加气混凝土墙体试验的承载力来看，普通砂浆水平配钢筋砌块墙体为最好，专用砂浆和普通砂浆水平配纤维次之，无筋普通砂浆砌筑墙体最差.
2)在灰缝中配制纤维和钢筋可以延缓砌体的开裂，可以大幅度提高砌体的变形能力，提高其延性.
3)几种类型试件破坏属于剪切破坏，无筋普通砂浆墙体的破坏形式为1组主交叉裂缝;配纤维墙体在主裂缝两侧出现许多细小斜裂缝;水平配钢筋墙体出现多条斜裂缝，分不清哪个是主斜裂缝，同时裂缝沿墙面分布均匀，宽度也较细，表明水平配钢筋墙体内力分布更均匀合理.
2 配纤维格栅砌体
2.1 方式的提出
由试验数据分析得出：水平配纤维布试验墙体W-PX-4和W-ZX-5，其延性系数分别比普通砂浆无筋墙体提高1.05和1.15倍.由此可以看出，水平配纤维布可以提高结构的延性，但提高的程度有限.纤维布本身相对于钢筋较弱，希望能够找到一种型似纤维布，强度介于钢筋和纤维之间使之在应用过程中发挥最大能力、经济适用的工程材料.经检索及广泛调研与分析，认为在墙体灰缝中配置一定数量的纤维格栅可成为普通钢筋的理想替代品.
2.1.1 纤维格栅的优点
纤维格栅常用于道路工程中，是一种经特殊设计与制作的网格织物，相当于对沥青混合料进行加筋处理.具有以下优点：
1)经过特殊处理剂对纤维格栅进行涂覆后，纤维格栅能够抵抗各类物理磨损和化学侵蚀，还能抵御生物侵蚀和气候变化带来的不利影响，以保证其性能稳定.
2)由于材料本身具有高抗拉强度和低延伸率，可以增加砌体的弯曲抗拉、抗震性能及延缓裂缝的效果.
3)其自重轻、易于剪裁，施工简单方便，可操作性强、施工质量可控.
4)玻纤网格的集料嵌锁作用，缓解了砂浆的横向应变，进而改善了水平灰缝中的拉、弯、剪等复杂应力状态.
5)利用纤维格栅材料截面轻薄可以有效减小灰缝厚度，进而提高砌体结构强度的同时提高墙体的热工性能.伴随着国家城镇化建设及新农村建设的推进，墙材革新、建筑节能的力度不断加大.研究应用纤维格栅代替配筋砌体中传统钢筋具有很好的现实意义及广阔的应用前景.
2.1.2 国内外纤维格栅研究现状及分析
目前，纤维格栅材料主要应用于道路工程中，用来抵抗由于路面基层裂缝引起的沥青混凝土路面反射裂缝的发生，以及对老路面发生网裂和严重龟裂的修复.
美国、澳大利亚及日本等发达国家，纤维格栅的应用已有10多年时间，对其作用机理也作了大量系统研究，其中包括：S.F.Brown的“格栅实验研究”、R.Hass的“格栅沥青路面足尺寸试验研究”、Mofil石油公司的“格栅沥青加铺层”等，并制定了相应的设计规范，在高等级公路、市政道路及机场跑道等要求较高的领域应用相当广泛.
我国近几年的研究有：李红研究了纤维格栅抗凝冰沥青路面的融凝冰功率-升温时间关系及融凝冰能力.王清标研究表明纤维格栅材料能够保证其性能的稳定性，并具有对土体的嵌锁咬合能力.张佰真铭确定了纤维格栅的抗拉强度，得出了格栅具有延缓裂缝及对路面的承载能力有明显改善效果的结论.韩树峰研究表明，加筋复合路面具有优良的低温抗裂性与高温稳定性.李之辉进行MTS疲劳加载试验，研究表明土工织物对复合式路面抗反射开裂疲劳寿命的延长均有明显的贡献.
以上研究表明纤维格栅具有高抗拉强度、低延伸率、热稳定性、无长期蠕变、物理化学稳定性好及集料嵌锁等优点.证明了纤维格栅在配筋砌体中可以作为普通钢筋的理想替代品.
2.2 设计建议
建议配纤维格栅砌体有2种：1)由块体、砂浆和纤维格栅组成;2)由块体、砂浆、纤维格栅、竖向钢筋、混凝土组成.对于第1种形式，按照规范计算，在固定高度处水平砂浆层内铺设纤维格栅材料，不设置水平钢筋与竖向钢筋，其中纤维格栅材料的具体指标参数根据设计实际确定.块体间灰缝厚度设为3～5mm，采用专用砂浆.对于第2种形式，按照规范计算，在固定高度处水平砂浆层内铺设纤维格栅材料，不设置水平钢筋，竖向钢筋正常布置，其中纤维格栅材料的具体指标参数根据设计实际确定.块体间灰缝厚度设为3～5mm，采用专用砂浆，同时按照规定设置竖向钢筋，灌注砂浆及混凝土.在现场砌筑中，根据实际需要采用相应的块体砌筑，首先砌筑块体，并根据设计情况在砂浆层铺设纤维格栅材料.
2.3 亟待解决的问题
鉴于纤维格栅替代配筋砌体中的水平钢筋是一种创新尝试(以下简称纤维格栅配筋砌体)，需要进行许多理论及实际工作.主要概括为以下几个问题亟待解决：
1)纤维格栅材料与砂浆的协同工作性能.纤维格栅与砌块专用砂浆共同作用的必要条件就是二者之间有可靠的锚固和粘结.因此，分析纤维格栅与砌块砂浆的工作状态及锚固粘结应力也是今后研究中需要解决的.
2)纤维格栅配筋砌体的受力性能.对比配筋砌体，探究纤维格栅配筋砌体的抗压、弯曲抗拉强度及其破坏形式.另外，需研究纤维格栅配筋砌体中纤维格栅规格的选取及砂浆厚度对强度的影响.明确受力机理，确定纤维格栅配筋砌体承载力计算公式是今后研究中需要深入的部分.
3)剪压强度理论模型的建立.砌体规范中的墙体抗剪承载力计算公式主要依据配钢筋墙体的试验结果拟合而得，未必适用于纤维格栅配筋砌体.试验数据的离散性很大，有必要对纤维格栅配筋砌体剪力墙剪压强度理论模型进行深入研究，有助于深入理解各因素的影响，促进试验研究.
4)纤维格栅配筋砌体在地震作用下的抗震性能及抗震设计方法.明确地震作用下的破坏形式、特征及机理，分析竖向荷载、格栅铺设位置对抗震性能的影响，提出墙片恢复力模型.另外，因为砌体材料自身的复杂性，基于性能的抗震设计思想对砌体结构提出了很大的挑战，能力谱方法在砌块砌体结构中的应用需要进一步研究，特别是和试验结果的对比分析.
3 结论
1)通过配纤维布砌体墙体试验得出，普通砂浆水平配钢筋砌块墙体为最好，专用砂浆和普通砂浆水平配纤维次之，无筋普通砂浆砌筑墙体最差.
2)在灰缝中配制纤维和钢筋可以延缓砌体的开裂，可以大幅度提高砌体的变形能力，提高其延性.
3)水平配纤维布可以提高结构的延性，但提高的程度有限.纤维布本身相对于钢筋较弱，希望能够找到一种型似纤维布，强度介于钢筋和纤维之间使之在应用过程中发挥最大能力、经济适用的工程材料.基于此，经检索及广泛调研与分析，认为在墙体灰缝中配置一定数量的纤维格栅应当成为普通钢筋的理想替代品.
4)本文提出了一种新型的砌体结构形式——配纤维格栅砌体，提高了砌体结构的强度、抗震性能、热工性能，延缓了裂缝的产生和发展，为砌体结构抗震设计提供新的思路，对促进建筑节能的发展具有重要的理论价值和现实意义.
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