GFRP加固背栓式石材幕墻面板的抗彎性能

王作虎 ，姚 淵 ，高占廣 ，李羅偉

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044；2.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司, 北京 100013）

石材幕墻面板背栓式連接是石材幕墻的一種常見施工方法，采用背栓式連接的石材幕墻抗震性能力強(qiáng)[1-3]，穩(wěn)定性能高[4-6]，施工強(qiáng)度低，機(jī)械化施工程度高，安裝方便靈活.石材幕墻連接節(jié)點(diǎn)的破壞占很大比例[7-8]，另外高溫、濕度的變化都會(huì)導(dǎo)致石材強(qiáng)度下降[9].石材經(jīng)風(fēng)化后，承載力下降明顯，石材幕墻面板常有斷裂情況出現(xiàn)[10-11]，因此保證石材幕墻面板斷裂后的整體性是提高面板安全性的重要措施.目前，國內(nèi)外關(guān)于石材幕墻面板加固和高空防墜措施的研究相對(duì)較少.

本文對(duì)33塊背栓式石材面板進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)，并對(duì)其抗彎承載力進(jìn)行了分析，研究了石材面板的加固和防高空墜落措施，為背栓式石材幕墻面板工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

石材面板為尺寸 600 mm × 400 mm × 30 mm的花崗巖.背栓采用慧魚敲擊式背栓，節(jié)點(diǎn)加固用不銹鋼金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)厚度2 mm，金屬圓環(huán)半徑40 mm.石材面板尺寸及加工方案見圖1，試件的參數(shù)變化見表1.試件編號(hào)中，BS、J、F、B 分別表示背栓式石材面板、節(jié)點(diǎn)加固、迎風(fēng)面加載、背風(fēng)面加載，1、2、3、4 分別代表 GFRP （glass fiber reinforced plastics）布采用十字、對(duì)角、縱向全貼和橫向全貼的加固方式.所用石材均為同一批次黃金麻花崗巖.

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Details of specimens

圖1 石材面板尺寸及加固圖Fig.1 Granite cladding panel size and reinforcement layout

考慮正負(fù)風(fēng)壓的作用，對(duì)石材面板進(jìn)行了迎風(fēng)面和背風(fēng)面加載方向的試驗(yàn)，加載速度為0.5 mm/min，當(dāng)荷載降至峰值荷載85%時(shí)停止加載，加載裝置及測量方案如圖2所示.

圖2 加載裝置及測量方案Fig.2 Loading device and measurement scheme

1.2 材料性能

黃金麻花崗巖的實(shí)測彎曲強(qiáng)度為4.14 MPa.GFRP的實(shí)測性能如表2所示.

表2 GFRP實(shí)測性能Tab.2 Measured performance of GFRP

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

在迎風(fēng)面荷載作用下，石材面板標(biāo)準(zhǔn)件和節(jié)點(diǎn)加固的面板破壞時(shí)發(fā)出輕微的斷裂聲，面板斷裂嚴(yán)重，承載力迅速下降，破壞非常突然.背面采用GFRP十字粘貼和對(duì)角粘貼的石材幕墻面板，石材面板主要產(chǎn)生縱向貫通裂縫，加載過程中有GFRP的撕裂聲，石材面板開裂后承載力緩慢下降，GFRP與斷裂石材表面逐漸出現(xiàn)滑脫，破壞過程緩慢.背面采用GFRP縱向和橫向全貼的石材幕墻面板，破壞過程相似，分別出現(xiàn)縱向和橫向貫通裂紋，承載力下降緩慢.其破壞形態(tài)如圖3（a）～（f）所示.

在背風(fēng)面荷載的作用下，未進(jìn)行加固的石材面板在背栓處產(chǎn)生了拉拔破壞現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)加固后的石材面板背栓孔處未發(fā)生破壞，說明采用金屬圓環(huán)對(duì)石材面板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固是有效的.背面采用GFRP加固的石材面板斷裂后無碎塊掉落，斷裂石材與GFRP粘接完好，能保證一定的整體性.其破壞形態(tài)如圖3（g）～（k）所示.

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of specimens

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同試件極限荷載的柱狀圖如圖4所示.石材幕墻面板在不同荷載下的試驗(yàn)結(jié)果見表3所示，其中(1)、(2)、(3)表示在3次不同荷載下的試驗(yàn).

表3 不同荷載下試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results under different loadings

圖4 極限荷載的對(duì)比Fig.4 Comparison of ultimate load

由表3可以看出：在迎風(fēng)面加載作用下，背面采用十字、對(duì)角、縱向全貼和橫向全貼GFRP進(jìn)行加固石材面板，極限承載力分別是未加固石材面板的3.30倍、2.75倍、1.74倍和2.80倍.試驗(yàn)采用的GFRP是單向編制的，GFRP粘貼方向?qū)庸淌拿姘宓臉O限承載力和破壞形態(tài)有一定影響.兩種全貼GFRP的加固方式下，石材斷裂裂紋都出現(xiàn)在與纖維平行的方向，都沒能充分發(fā)揮GFRP的強(qiáng)度.

在背風(fēng)面加載條件下，節(jié)點(diǎn)加固石材面板的承載力是未加固試件的1.50倍，均為脆性破壞.石材面板背面粘貼GFRP后，雖然承載力無明顯提高，但是石材面板破壞后能保持整體性.

3 有限元分析

3.1 有限元模擬校核

為了分析GFRP加固背栓式石材面板的受力過程，采用Abacus有限元軟件對(duì)極限荷載進(jìn)行了模擬.將石材定為線彈性材料，采用最大主拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)模擬開裂.石材性能取實(shí)測性能，參考高強(qiáng)混凝土開裂應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)值為 1 × 10-4[12]，石材的開裂應(yīng)變?nèi)∠嗤?石材實(shí)體單元用C3D8R減縮積分進(jìn)行模擬，為了限制“沙漏”的擴(kuò)展，直接選用enhanced方式控制沙漏.

假定纖維方向GFRP應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性，用S4R殼單元來模擬.材料本構(gòu)關(guān)系和有限元本構(gòu)模型分別如圖5和圖6所示.圖5中：σ和ε分別為石材的應(yīng)力和應(yīng)變；σu和εu分別為石材的極限壓應(yīng)力和極限壓應(yīng)變；σfe和εfe分別為GFRP的有效拉應(yīng)力和有效拉應(yīng)變.石材面板與鋼墊板設(shè)置表面與表面接觸，接觸屬性定義為默認(rèn)屬性.背栓與背栓孔的相互作用采用鉸接約束.

圖5 材料本構(gòu)關(guān)系Fig.5 Constitutive relationship of materials

圖6 面板有限元模型Fig.6 Finite element model of panel

模擬的結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比如表4所示.由表4可以看出，所建立的有限元模型基本正確，極限強(qiáng)度的誤差在15.00%以內(nèi)，可以用來分析GFRP加固石材幕墻面板的抗彎性能.

表4 荷載模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.4 Comparison of simulated and experimental values

3.2 初始安裝缺陷分析

背栓成孔質(zhì)量對(duì)石材面板的受力有很大影響.采用有限元模型可以分析背栓的初始安裝缺陷對(duì)承載力的影響.當(dāng)背栓安裝不合格時(shí)，認(rèn)為該背栓不參與石材面板受力，其分析結(jié)果如表5所示.

表5 初始安裝缺陷分析Tab.5 Initial installation defect analysis

由表5可以看出，背栓質(zhì)量出現(xiàn)問題后，對(duì)背栓承載力影響很大，一個(gè)背栓開孔質(zhì)量不合格，承載力下降約32.36%，出現(xiàn)兩個(gè)不合格，則承載力下降達(dá)55.17%.

4 結(jié) 論

1）采用金屬圓環(huán)對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，對(duì)石材面板連接節(jié)點(diǎn)的承載力有明顯的提高作用，相對(duì)于未加固的石材面板，承載力提高0.50倍.

2）石材面板背面粘貼GFRP的3種加固方式，都能較好地保證石材面板破壞后的整體性，并能提高石材面板迎風(fēng)面加載方向的抗彎承載力，十字粘貼效果較好，承載力提高2.30倍.考慮到承載力的提高率以及材料用量的經(jīng)濟(jì)性，十字粘貼效果最好.

3）有限元模型可以用來計(jì)算石材面板的承載力抗彎強(qiáng)度，計(jì)算誤差在15.00%以內(nèi).