长丝机织土工布砌体结构加固静载试验研究

郑人逢，孙　青，律　清，宫必宁

(1.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098；2.南京市地震局， 江苏 南京 210019； 3.同济大学 土木工程学院， 上海 200092)

长丝机织土工布砌体结构加固静载试验研究

郑人逢1，孙青2，律清3，宫必宁1

(1.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098；2.南京市地震局， 江苏 南京 210019； 3.同济大学 土木工程学院， 上海 200092)

摘要：为了寻求一种加固效果好、经济成本低的加固主材，通过调研和初步筛选，拟选取长丝机织土工布作为试验研究对象。通过对砌体构件土工布不同加固率、加固方式下轴心抗压、顺缝抗剪等试验研究分析，并与同等条件下碳纤维布加固砌体构件的加固效果对比，得出两种加固材料的砌体结构加固效果具有一定的可比性。长丝机织土工布加固的砌体试件承载力显著提高，而且达到极限荷载后还表现出一定的延性，同时长丝机织土工布作为加固主材，有很好的经济优势。

关键词：砌体结构；加固；长丝机织土工布；碳纤维布

目前砌体结构仍是我国一些地区住宅和中小学校教室的主要结构形式，历次震害表明砌体结构是我国抗震设防的薄弱环节，针对砌体结构寻求一种效果显著且经济合理的加固方式显得极为重要。

砌体结构常见的加固方式有钢筋混凝土面层加固法、钢筋网水泥砂浆面层加固法、外包型钢加固法、外加预应力撑杆加固法、增设砌体扶壁柱加固法、砌体裂缝修补法、粘贴纤维增强复合材料加固法等[1]，通过对各种加固方案自重增加、体积增大、施工工艺、施工周期、耐久性、施工器械、加固成本等角度进行比对分析可知，每种加固方案都拥有自己的优势，同样也存在各自的弊端。例如粘贴纤维增强复合材料加固法，虽然具备自重增加少、体积增加小、施工工艺简单、施工周期短、耐久性良好、施工器械简单等许多优点，但是加固成本较高[2-7]。

本文主要目的就是寻求一种加固主材，其加固效果与碳纤维布有一定的可比性，但加固成本又远低于碳纤维，既具备碳纤维加固优势，同时又弥补其不足之处。通过调研和初步筛选，本文拟选取长丝机织土工布作为试验研究对象，通过对砌体构件土工布不同加固率、加固方式下轴心抗压、顺缝抗剪等试验研究分析，并与同等条件下碳纤维布加固砌体构件的加固效果对比，探索长丝机织土工布砌体结构加固改造可行性及其机理。

1砌体结构加固方式对比分析

通过不同角度对目前砌体结构加固方案进行比对分析，汇总结果如表1所示。

表1　砌体结构不同加固方法比较

由表1可以看出粘贴纤维增强复合材料加固法[8-15]不论在自重增加、体积增加、施工工艺、施工周期、耐久性、施工器械等方面都要优越于其他加固方法，其已成为当今工程界加固的主要方法之一。但就纤维增强复合材料本身来看，还存在着一些局限性，比如弹性模量高，延伸率较小，往往造成碳纤维不能充分发挥其性能；另一缺点就是加固成本较高，因为我国砌体结构有相当一部分集中在农村、贫困山区，从经济成本上来讲，粘贴纤维增强复合材料加固法推广使用会受到一定的限制。因此寻求一种加固方式，既具备碳纤维加固优势，同时又弥补其不足之处显得十分重要并具有一定的现实意义。

2砌体结构静载试验

2.1　试验概述

为了更好模拟碳纤维布加固老房屋的效果，砌筑墙体所用黏土砖均为旧砖，砂浆厚度为1 cm。

(1) 长丝机织土工布性能参数

试验中采用的长丝机织土工布是由浙江金世达实业有限公司生产的，根据试验的强度，粘贴厚度等要求，主要选用230 g丙纶长丝机织土工布，其主要力学性能参数是参照土工布国家行业标准《土工合成材料长丝机织土工布》[16](GB/T17640-2008)的,具体参数详见表2所示。

表2　230 g长丝机织土工布基本项技术要求

(2) 纤维织物结构胶的特性

试验中黏贴材料选用纤维织物类结构胶，由南京曼卡特技术有限公司生产，胶水主要分为找平胶、底胶和浸渍胶，试验依据相关的规范和技术规程分别对三种胶进行了检测,试验结果表明三种胶水的各项指标均合格。

2.2　砂浆的力学性能测试

一般来说，砂浆的抗拉、抗剪强度均较低，是砌体结构的薄弱环节。所以，在进行砌体构件力学性能试验前,首先要对砌筑砂浆的基本力学性能进行测试,以便更好地了解其基本力学性能,为之后的砌体构件力学性能试验提供可参照的材料参数。本次砌筑所用砂浆是设计强度为M10的水泥砂浆,采用325#普通硅酸盐水泥,黄砂为中砂。砌筑的砌体试件均采用同一批水泥砂浆,共制作6个立方体砂浆试块(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm),跟本次试验的砌体构件一块以同等条件下养护28 d，然后进行抗压强度测试，试验结果如表3所示。

表3　砂浆抗压强度试验结果

2.3　轴心抗压试验

2.3.1　试验概述

抗压试件制作：砌体抗压试件尺寸为720 mm×370 mm×240 mm(高度×宽度×厚度),试件宽度与厚度的制作误差应在±5 mm之内。共制作抗压试件4组，其中1组为未加固试件,其余3组分别为粘贴尺寸为60 mm×370 mm、120 mm×370 mm、720 mm×370 mm试件。砌筑试件材料采用M10.0水泥砂浆、MU10黏土烧结普通砖,砂浆实测强度为10.29 MPa。试件砌筑完成后在室内自然条件下养护到标准龄期,然后按照施工工艺在试件加固部位进行土工布、碳纤维布粘贴。在试件两面均要加固,试件顶部用1∶3水泥砂浆找平，找平厚度为10 mm。试件编号及加固方案如表4所示，加固示意详图参见图1。

表4　轴心抗压试件编号、加固方案

图1轴心抗压加固示意图

2.3.2　轴心抗压试验结果分析

土工布、碳纤维布加固砌体构件轴心抗压试验荷载-位移曲线如图2、图3所示。

图2　机织土工布加固抗压荷载位移曲线

图3碳纤维布加固抗压荷载位移曲线

从图2、图3可以明显发现，未加固的砌体结构抗压试件承受的极限荷载比较小，并且表现为明显的脆性破坏，当抗压试件的曲线一旦达到开裂荷载后就急剧下降，试件立刻失去承载能力而破坏。而长丝机织土工布、碳纤维布加固后，随着抗压试件的曲线达到极限荷载，并没有急速下降，而是缓慢的下降，曲线斜率较大。尽管砌体结构抗压试件已经有部分开裂，但在土工布、碳纤维布的约束作用下，砌体结构抗压试件的整体性良好，故还能承受较长时间的荷载，以至于试件的位移变形量不断增大，直到裂缝发展贯通后，试件才逐步失去承载能力，试验才终止。具体试件破坏情况详参图4、图5。

图4　土工布各加固率下轴心抗压试件破坏形态

图5碳纤维布各加固率下轴心抗压试件破坏形态

土工布、碳纤维布加固砌体试件抗压承载力与加固率关系见表5。

由表5可看出，C2(Z2)、C3(Z3)、C4(Z4)砌体抗压试件加固率分别为50%、50%、100%，承载力相对未加固试件(C1(Z1))分别提高了11.6%(26.7%)、36.5%(38%)、41.6%(57%)。定义单位面积的加固效率为η=承载力提高/加固率×100%，那么C2(Z2)、C3(Z3)、C4(Z4)单位面积加固效率分别为η2=23.2%(56%)，η3=73%(65%)，η4=41.6%(57%)。C3(Z3)构件的单位面积加固效率最高，由此可见，一方面并非加固面积越大承载力提高的幅度就越大，从经济角度考虑，没有必要全截面粘满碳纤维布加固；另一方面对比C2(Z2)与C3(Z3)可知，相同加固率情况下，不同加固位置最终加固效果区别较大。

表5　土工布、碳纤维布加固砌体试件抗压承载力与加固率关系

2.4　顺缝抗剪试验

2.4.1　试验概述

抗剪试件设计：根据我国《砌体基本力学性能试验方法标准》[17](GB/T50129-2011)，砌体抗剪试件尺寸为240 mm×370 mm×170 mm，所有抗剪试件的编号、加固方案见表6所示。砌筑材料及工艺要求同上述轴心抗压试验，针织土工布及碳纤维布加固方式如图6所示。

表6　顺缝抗剪试验

图6顺缝抗剪加固方式

2.4.2　砌体抗剪试验数据分析

抗剪试件沿通缝截面的抗剪强度fv,m，根据《砌体基本力学性能试验方法标准》[17](GB/T50129—2011)应按下式计算，计算结果应精确至0.01 MPa，计算结果见表7、表8、图7、图8。

(1)

式中：fv,m为试件沿通缝截面的抗剪强度,MPa；Nv为试件的抗剪破坏荷载值,N；A为试件单个受剪面的面积,mm2。

表7　土工布和碳纤维布两种加固试件顺缝抗剪试验结果

图7　机织土工布加固抗剪荷载位移曲线

表8　土工布、碳纤维布加固砌体试件抗剪承载力与加固率关系

根据表7、图7、图8可以看出，在相同的加固方式和加固率条件下，对比极限荷载，长丝机织土工布加固后砌体抗剪极限荷载和碳纤维布加固的试验结果是相当接近的，试件破坏形态如图9、图10所示。

图9　土工布各加固率下顺缝抗剪试件破坏形态

图10碳纤维布各加固率下顺缝抗剪试件破坏形态

由表8可知，J2(S2)、J3(S3)、J4(S4)相对未加固试件(J1(S1))分别提高49.9%(56.4%)、46.4%(59.9%)、56.4%(71.1%)。土工布、碳纤维布加固的砌体抗剪构件抗剪强度有着很大的提高。但是从砌体结构抗剪加固效果来看，砌体构件的抗剪强度并不随着加固率的提高而增加显著。J2(S2)、J3(S3)

抗剪构件都是54%的加固率，按单位面积的加固效率计算的话，两者的加固效率接近100%，几乎能充分发挥所粘贴的土工布、碳纤维布的作用。而J4(S4)抗剪构件的加固效率为56.4%(71.1%)， 这种现象表明土工布、碳纤维布对于砌体抗剪的加固效果十分显著， 但一味增大加固面积并不能使抗剪强度有进一步的增强， 加固主材不能充分发挥其作用。

3结论

通过对砌体构件长丝机织土工布不同加固率、加固方式下轴心抗压、顺缝抗剪等试验研究分析，并与同等条件下碳纤维布加固砌体构件的加固效果对比，得出两种加固材料的砌体结构加固效果具有一定的可比性。长丝机织土工布加固的砌体试件承载力显著提高，并表现出良好的整体受力性能，而且达到极限荷载后还表现出一定的延性，并且长丝机织土工布作为加固主材，有很好的经济优势。另外由于精力有限，还需进一步对长丝机织土工布材料展开耐久性研究，使试验成果更加丰富。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB50702-2011砌体结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2]殷惠君.建筑结构加固、改造综合技术研究[D].上海:同济大学,2009.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.地震灾后建筑鉴定与加固技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4]范锡盛,曹薇.建筑物改造和维修加固新技术[M].北京:中国建材工业出版社,1999.

[5]丁绍祥.砌体结构加固工程技术手册[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.

[6]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[7]岳清瑞.我国碳纤维(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑,2000,30(10):23-26.

[8]叶列平.FRP加固混凝土结构设计方法[C]//第二届纤维增强塑料及工程应用学术交流会论文集.北京:清华大学出版社,2002.

[9]FengP,YeLP.Reviewandnewproposalsforperformanceindicesofflexuralmembers[C]//Proc.8thInternationalSymposiumonStructuralEngineeringforYoungExperts.SciencePress, 2004.

[10]李鹏鹏.碳纤维布加固砌体柱的试验研究和有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[11]张维.CFRP加固砌体试验研究的有限元分析及受剪承载力研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[12]龚苏平.GFRP加固砌体结构构件力学性能试验研究[D].沈阳:沈阳建筑大学,2006.

[13]罗才松.玻璃纤维布加固砖砌体的轴压性能试验研究[D].泉州:华侨大学,2006.

[14]张祥顺,管克俭,张溶,等.碳纤维布加固砌体结构试验研究[C]//第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会,昆明,2002.

[15]张祥顺,谷倩,管克俭,等.碳纤维布加固砌体结构试验研究[J].武汉理工大学学报,2002，24(11):29-32.

[16]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T17640-2008土工合成材料长丝机织土工布[S].北京：中国标准出版社,2008.

[17]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T50129-2011砌体基本力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.041

收稿日期：2015-03-08修稿日期：2015-04-22

作者简介：郑人逢(1984—)，男，河南许昌人，硕士，助理实验师，主要从事工程抗震及结构检测方面的工作。E-mail:hhurenfzheng@163.com

中图分类号：TU375

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0205—05

Test Study on the Masonry Structure Reinforced by Filament Woven Geotextile Under Static Load

ZHENG Renfeng1, SUN Qing2, LV Qing3, GONG Bining1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China；2.NanjingEarthquakeAdministration,Nanjing,Jiangsu210019,China；3.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract：It is estimated that the next 10 to 30 years in the future will be the peak of reinforcement and reconstruction in China, and the masonry structure will still play a significant role in people's everyday life and production for a very long time, Therefore the reinforcement and reconstruction of masonry structure are necessary at present. In order to seek a main strengthening material with the advantages such as excellent strengthening effect and low economic cost, the filament woven geotextile was selected as research object through investigation and screening. According to the research and analysis of axial-compressing and shear strength for the masonry component with different geotextile reinforcement ratio and method, as well as the comparison of carbon fiber reinforced masonry structures with the same condition, it was concluded that two kinds of reinforcement materials for masonry structure have certain comparability. During the test, the bearing capacity of masonry specimens reinforced by filament woven geotextile improved obviously, and the specimens still had certain ductility when reaching the ultimate load. Besides, the filament woven geotextile has a good economic advantage as main strengthening material.

Keywords:masonry structure; reinforcement; filament woven geotextile; carbon fiber sheet