纖維格柵對提高砌體牆抗震效能的影響與應用研究論文
配筋砌體具有砌體結構本身的易於就地取材、耐火耐久性良好、保溫隔熱效能良好等優勢，而且加大了延性抗震效能，在國內外有了快速發展.然而目前配筋砌體結構存在施工量大、鋼筋現場加工不易、鋼筋易被腐蝕等缺點，尤其對於目前大力推廣的薄灰縫砌體來說(對於節能效果好的灰縫厚度小於3mm的牆體無法配置直徑為5～6mm 的鋼筋)，傳統配置鋼筋(或網片)的方式已成為配筋砌體推廣的障礙.另外，砌體在受壓狀態下，將產生壓縮變形，而塊材本身的變形極小，主要是灰縫砂漿的變形，灰縫砂漿越厚，壓縮變形值越大，形成橫向拉應力也越大，故砌體越容易破壞.對此必須採取一定對策，探索一種既能實現薄灰縫牆體又能提高牆體延性，而且施工方便、耐久性好、價格合理的材料與技術已勢在必行，從而使推廣節能、抗震、防裂的砌體結構成為可能.
1 配纖維布砌體牆體抗震效能
1.1 玻璃纖維布力學效能測試
本試驗採用GB/3354-1999《定向纖維增強塑膠拉伸效能試驗方法》中介紹的方法.對試驗所用EGFW430玻璃纖維進行試驗得到其力學效能指標.
1.2 試件設計與製作
試驗共進行了4片牆，即無筋普通砂漿砌築牆片1片、普通砂漿水平配鋼筋牆片1片(水平配鋼筋為每片灰縫放置4根Ф4.5mm鋼筋，總計16根，體積配筋率[3]為0.08%)、普通砂漿水平鋪30kN/m抗拉力的耐鹼玻璃纖維牆片1片，以及專用砂漿水平鋪纖維牆片1片.砌塊統一採用北京現代建築材料有限公司的蒸壓加氣混凝土砌塊，外型尺寸為600mm×240mm×250mm，強度等級A5.0MPa，砂漿設計強度均為M5.0.牆片設計尺寸為1 210mm×240mm×1 290mm.牆頂為強度等級為C30的混凝土壓梁(主筋採用4Ф12mm，箍筋Ф6mm@200)，壓梁高250mm模擬為圈樑，且在加垂直荷載時作為分配梁，牆片砌築在強度等級為C30的混凝土地樑上(主筋6Ф18mm，箍筋Ф6mm@200).
1.3 試驗方案
為更好地模擬房屋層間牆體在地震作用下的工作特性和破壞模式，試件的上下兩端設定了鋼筋混凝土梁，透過四連桿機構保證牆體頂部在水平力作用下只有水平移動而無轉動的邊界條件.為模擬房屋層間牆體作用的豎向荷載，採用同步液壓載入裝置，並配有自動保壓和壓力調節裝置(JSF-Ⅱ/31.5-4高精密靜態伺服液壓控制檯).
在施加水平往復荷載之前，首先施加豎向荷載，先預加幾次，待觀察牆片受力正常無平面外偏心後，將豎向荷載1次加至要求值.在整個試驗過程中，豎向荷載值保持不變.
根據國內外資料和大量磚砌體的試驗資料及蒸壓加氣混凝土力學引數，對牆片採用分級施加水平荷載，每級荷載值在試件初裂以前以荷載控制.第1級荷載值取預計荷載值的20%，後一級荷載數值較前一級增加20kN，每級迴圈1次，如此逐步提高荷載值.當牆體出現裂縫後採用位移控制，以初裂縫荷載下位移為控制量，並以該位移值的倍數為級差進行位移控制載入，位移控制時迴圈2次.直到可載力下降至極限荷載的80%試驗停止.
1.4 試驗結果
本次試驗砂漿強度採用試塊強度和回彈儀測定的實際強度值，開裂荷載Pc指牆體上出現肉眼所見的第1條裂縫時的荷載值，破壞荷載Pw為下降到極限荷載80%附近的荷載值.
1.4.1 牆體破壞特徵
蒸壓加氣混凝土砌塊牆體在水平往復荷載作用下呈剪下型破壞.由於砌塊抗壓強度較低，砌體砂漿強度一般高於砌塊強度，因此牆體破壞大部分為砌塊破壞而不是像粘土磚牆體那樣沿砂漿灰縫破壞.幾種砌體的破壞特徵：
1)無配筋砌築牆體(W-P-1)
當水平荷載達到開裂荷載時，牆體突然出現沿45°斜裂縫，裂縫大部分穿過砌塊而很少沿灰縫破壞.牆體開裂前無明顯破壞跡象，裂縫出現後擴充套件迅速，破壞後裂縫高度也較大，裂縫形式基本為1組交叉主裂縫.
2)水平配鋼筋牆體(W-PG-2)
當水平荷載達到極限荷載的90%左右時，在牆體中部出現細微斜裂縫，隨著荷載的不斷增加裂縫不斷向角部擴充套件，裂縫較均勻地分佈在整個牆面，且縫比較細小，很難分辨出哪一條是主裂縫.這種現象表明了配鋼筋後的牆體應力分佈更加均勻合理.
3)水平配纖維布牆體(W-PX-4和W-ZX-5)
當水平荷載達到初裂值時，其破壞特徵與無筋砌築牆體相似，牆體出現交叉斜裂縫.隨著荷載的增加主裂縫開始發展緩慢，並在主裂縫附近出現新的斜裂縫.此時的牆體破壞接近水平配鋼筋牆體的破壞特徵.雖然纖維相對鋼筋較弱，但也改善了砌體的延性，牆體的抗剪強度及變形能力均有所增長.
1.5 試驗結果分析
幾種型別牆體的承載能力.與無筋牆體比較，普通砂漿水平配纖維牆體的極限剪下力提高了8%;普通砂漿水平配鋼筋砌塊牆體極限剪下力提高了45% 左右;專用砂漿配纖維提高了38%.從表3中牆體開裂荷載與極限荷載比值中可以看出蒸壓加氣混凝土牆體一旦開裂，承載能力一般不會再提高多少，說明牆體開裂後的強度儲備較少，材料的脆性異常明顯.當蒸壓加氣混凝土牆體配製了水平鋼筋或纖維後開裂尚有30%以上的荷載儲備.水平配筋和纖維不但提高了砌塊的承載能力，而且也改善了砌塊的脆性性質.
透過上述A 類蒸壓加氣混凝土牆體水平往復荷載下的破壞試驗，可以得出：
1)從幾種型別加氣混凝土牆體試驗的承載力來看，普通砂漿水平配鋼筋砌塊牆體為最好，專用砂漿和普通砂漿水平配纖維次之，無筋普通砂漿砌築牆體最差.
2)在灰縫中配製纖維和鋼筋可以延緩砌體的開裂，可以大幅度提高砌體的變形能力，提高其延性.
3)幾種型別試件破壞屬於剪下破壞，無筋普通砂漿牆體的破壞形式為1組主交叉裂縫;配纖維牆體在主裂縫兩側出現許多細小斜裂縫;水平配鋼筋牆體出現多條斜裂縫，分不清哪個是主斜裂縫，同時裂縫沿牆面分佈均勻，寬度也較細，表明水平配鋼筋牆體內力分佈更均勻合理.
2 配纖維格柵砌體
2.1 方式的提出
由試驗資料分析得出：水平配纖維布試驗牆體W-PX-4和W-ZX-5，其延性係數分別比普通砂漿無筋牆體提高1.05和1.15倍.由此可以看出，水平配纖維布可以提高結構的延性，但提高的程度有限.纖維布本身相對於鋼筋較弱，希望能夠找到一種型似纖維布，強度介於鋼筋和纖維之間使之在應用過程中發揮最大能力、經濟適用的工程材料.經檢索及廣泛調研與分析，認為在牆體灰縫中配置一定數量的纖維格柵可成為普通鋼筋的理想替代品.
2.1.1 纖維格柵的優點
纖維格柵常用於道路工程中，是一種經特殊設計與製作的網格織物，相當於對瀝青混合料進行加筋處理.具有以下優點：
1)經過特殊處理劑對纖維格柵進行塗覆後，纖維格柵能夠抵抗各類物理磨損和化學侵蝕，還能抵禦生物侵蝕和氣候變化帶來的不利影響，以保證其效能穩定.
2)由於材料本身具有高抗拉強度和低延伸率，可以增加砌體的彎曲抗拉、抗震效能及延緩裂縫的效果.
3)其自重輕、易於剪裁，施工簡單方便，可操作性強、施工質量可控.
4)玻纖網格的集料嵌鎖作用，緩解了砂漿的.橫向應變，進而改善了水平灰縫中的拉、彎、剪等複雜應力狀態.
5)利用纖維格柵材料截面輕薄可以有效減小灰縫厚度，進而提高砌體結構強度的同時提高牆體的熱工效能.伴隨著國家城鎮化建設及新農村建設的推進，牆材革新、建築節能的力度不斷加大.研究應用纖維格柵代替配筋砌體中傳統鋼筋具有很好的現實意義及廣闊的應用前景.
2.1.2 國內外纖維格柵研究現狀及分析
目前，纖維格柵材料主要應用於道路工程中，用來抵抗由於路面基層裂縫引起的瀝青混凝土路面反射裂縫的發生，以及對老路面發生網裂和嚴重龜裂的修復.
美國、澳大利亞及日本等發達國家，纖維格柵的應用已有10多年時間，對其作用機理也作了大量系統研究，其中包括：S.F.Brown的“格柵實驗研究”、R.Hass的“格柵瀝青路面足尺寸試驗研究”、Mofil石油公司的“格柵瀝青加鋪層”等，並制定了相應的設計規範，在高等級公路、市政道路及機場跑道等要求較高的領域應用相當廣泛.
我國近幾年的研究有：李紅研究了纖維格柵抗凝冰瀝青路面的融凝冰功率-升溫時間關係及融凝冰能力.王清標研究表明纖維格柵材料能夠保證其效能的穩定性，並具有對土體的嵌鎖咬合能力.張佰真銘確定了纖維格柵的抗拉強度，得出了格柵具有延緩裂縫及對路面的承載能力有明顯改善效果的結論.韓樹峰研究表明，加筋複合路面具有優良的低溫抗裂性與高溫穩定性.李之輝進行MTS疲勞載入試驗，研究表明土工織物對複合式路面抗反射開裂疲勞壽命的延長均有明顯的貢獻.
以上研究表明纖維格柵具有高抗拉強度、低延伸率、熱穩定性、無長期蠕變、物理化學穩定性好及集料嵌鎖等優點.證明了纖維格柵在配筋砌體中可以作為普通鋼筋的理想替代品.
2.2 設計建議
建議配纖維格柵砌體有2種：1)由塊體、砂漿和纖維格柵組成;2)由塊體、砂漿、纖維格柵、豎向鋼筋、混凝土組成.對於第1種形式，按照規範計算，在固定高度處水平砂漿層內鋪設纖維格柵材料，不設定水平鋼筋與豎向鋼筋，其中纖維格柵材料的具體指標引數根據設計實際確定.塊體間灰縫厚度設為3～5mm，採用專用砂漿.對於第2種形式，按照規範計算，在固定高度處水平砂漿層內鋪設纖維格柵材料，不設定水平鋼筋，豎向鋼筋正常佈置，其中纖維格柵材料的具體指標引數根據設計實際確定.塊體間灰縫厚度設為3～5mm，採用專用砂漿，同時按照規定設定豎向鋼筋，灌注砂漿及混凝土.在現場砌築中，根據實際需要採用相應的塊體砌築，首先砌築塊體，並根據設計情況在砂漿層鋪設纖維格柵材料.
2.3 亟待解決的問題
鑑於纖維格柵替代配筋砌體中的水平鋼筋是一種創新嘗試(以下簡稱纖維格柵配筋砌體)，需要進行許多理論及實際工作.主要概括為以下幾個問題亟待解決：
1)纖維格柵材料與砂漿的協同工作效能.纖維格柵與砌塊專用砂漿共同作用的必要條件就是二者之間有可靠的錨固和粘結.因此，分析纖維格柵與砌塊砂漿的工作狀態及錨固粘結應力也是今後研究中需要解決的.
2)纖維格柵配筋砌體的受力效能.對比配筋砌體，探究纖維格柵配筋砌體的抗壓、彎曲抗拉強度及其破壞形式.另外，需研究纖維格柵配筋砌體中纖維格柵規格的選取及砂漿厚度對強度的影響.明確受力機理，確定纖維格柵配筋砌體承載力計算公式是今後研究中需要深入的部分.
3)剪壓強度理論模型的建立.砌體規範中的牆體抗剪承載力計算公式主要依據配鋼筋牆體的試驗結果擬合而得，未必適用於纖維格柵配筋砌體.試驗資料的離散性很大，有必要對纖維格柵配筋砌體剪力牆剪壓強度理論模型進行深入研究，有助於深入理解各因素的影響，促進試驗研究.
4)纖維格柵配筋砌體在地震作用下的抗震效能及抗震設計方法.明確地震作用下的破壞形式、特徵及機理，分析豎向荷載、格柵鋪設位置對抗震效能的影響，提出牆片恢復力模型.另外，因為砌體材料自身的複雜性，基於效能的抗震設計思想對砌體結構提出了很大的挑戰，能力譜方法在砌塊砌體結構中的應用需要進一步研究，特別是和試驗結果的對比分析.
3 結論
1)透過配纖維布砌體牆體試驗得出，普通砂漿水平配鋼筋砌塊牆體為最好，專用砂漿和普通砂漿水平配纖維次之，無筋普通砂漿砌築牆體最差.
2)在灰縫中配製纖維和鋼筋可以延緩砌體的開裂，可以大幅度提高砌體的變形能力，提高其延性.
3)水平配纖維布可以提高結構的延性，但提高的程度有限.纖維布本身相對於鋼筋較弱，希望能夠找到一種型似纖維布，強度介於鋼筋和纖維之間使之在應用過程中發揮最大能力、經濟適用的工程材料.基於此，經檢索及廣泛調研與分析，認為在牆體灰縫中配置一定數量的纖維格柵應當成為普通鋼筋的理想替代品.
4)本文提出了一種新型的砌體結構形式——配纖維格柵砌體，提高了砌體結構的強度、抗震效能、熱工效能，延緩了裂縫的產生和發展，為砌體結構抗震設計提供新的思路，對促進建築節能的發展具有重要的理論價值和現實意義.