玄武岩纤维TRC增强砌体结构的抗震性能与设计理论研究

Retrofit of existing masonry structures has become more important for the increase of their service years and the seismic fortification standard. However, the traditional retrofit methods often change the dynamic characteristics of whole structure due to the increase of weight. And the durability of FRP interfacial bonding behavior also changes the retrofit effect. Therefore, we proposed a new retrofit method using basalt fiber TRC to strengthen the masonry structure. And its seismic performance and the design theory also will be studied. Effect of some key factors and the collaborative working mechanism will be explained through the shear tests and the parameter analyses of interfacial bonding behavior. The results of experimental and theoretical analyses on constraint effect of basalt fiber TRC strengthening masonry columns will be able to state the key factors which affect the compressive failure mode. Through the quasi-static tests and the theoretical analyses under the different vertical loading, the failure mode and the failure mechanism of masonry walls retrofitted with the basalt fiber TRC will be revealed. Based on the dynamic characteristic analyses of whole masonry structures, the rational design theory and the design approach of masonry structures retrofitted with basalt fiber TRC will be established, which could make the existing masonry structures showing excellent seismic performance in various stages of earthquake. And they are also able to provide the technical support for the improvement of seismic retrofit design method and the development of new masonry structures.

随着使用年限的增加和抗震设防标准的提高，老旧砌体结构的加固补强已显得极为重要了。鉴于传统加固方法因自重改变结构动力特性，FRP因界面粘结耐久性影响加固效果，而现行加固设计理论缺乏从材料微观特性到结构整体宏观力学性能的深入研究，申请人提出应用玄武岩纤维TRC增强砌体结构的加固方法，并对其抗震性能与设计理论进行研究。拟通过界面粘结行为的双剪实验与参数分析，明确关键因素的作用与协同工作机理；通过玄武岩纤维TRC对砌体柱约束效应的实验与理论分析，阐明关键因素对抗压破坏模式的影响；通过不同竖向荷载下的拟静力实验与理论分析，揭示玄武岩纤维TRC增强砌体墙的破坏模式与破坏机理；在对结构整体动力特性的影响分析基础上，建立系统合理的玄武岩纤维TRC增强砌体结构的设计理论与设计方法，使既有砌体结构在地震作用下的各个阶段均能体现优良的性能，为完善我国抗震加固设计方法和发展新型砌体结构提供理论基础与技术支持。

由于强质比高，价格低廉和应用方便，玄武岩纤维编织网增强混凝土（BTRC）在砌体结构加固领域已凸显巨大潜力。本项目对BTRC增强砌体柱的约束机理、砌体墙的剪力传递机理和砌体结构的整体动力特性开展研究。通过BTRC的配合比优化设计，进行了BTRC增强砌体柱的单轴压缩试验，研究倒角、加固层编织网层数、网格密度、偏心率和损伤程度对约束效率的影响；进行了BTRC增强砌体墙的平面内拟静力试验，研究加固层编织网层数和布置方式对加固效率的影响，建立其剪力传递模型，评估TRC增强砌体墙片的抗剪承载力；进行了BTRC增强砌体结构的振动台试验，分析BTRC增强后对结构的动力反应特性的影响。主要结论如下：.(1) 在BTRC薄板直接拉伸荷载作用下，端部锚固处理的BTRC表现出多缝开裂特征，配网率可改变裂缝的平均间距，存在最优配网率使BTRC中纤维网的利用效率最高。BTRC单轴拉伸下的应力应变曲线呈三阶段，即刚度较高的未开裂段，抖动的多缝开裂段和刚度降低的裂缝变宽段。BTRC材料变形能力优异，抗拉强度高。.(2) 开展了BTRC增强砌体柱的约束机理进行了研究。考虑了倒角、加固层编织网层数、网格密度、偏心率和损伤程度等因素的影响。无论轴心或偏心加载，BTRC均可大幅提高砌体柱的抗压承载力，随着编织网层数的增加，承载力增幅越大。偏心荷载作用下，加固效果尤为明显。基于轴心受压的应力应变关系，对偏心柱承载力进行截面分析，发现计算结果偏于保守，而国标的经验公式能较好反应这一强度增大效应。部分损伤的砌体柱经BTRC修复后，可恢复承载力。.(3) 开展了BTRC增强砌体墙片的拟静力试验。结果表明，BTRC可改变砌体墙的破坏模式，从对角剪切破坏转换为墙角第一皮砖附近的剪切滑移破坏，避免墙体的破碎甚至分离，对地震荷载下结构的抗倒塌具有重要意义。建立了剪力的传递模型，阐明了控制不同破坏形态的机理，推导了BTRC增强砌体墙片的抗剪承载力计算公式。.(4) 进行了4层1/2缩尺的砌体结构的振动台试验。BTRC增强砌体结构的抗震等级可从7度设防提升至9度以上。