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.北京建筑大學土木與交通工程學院, 北京 100044；2.中國建筑技術集團有限公司, 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[1-3]，穩定性能高[4-6]，施工強度低，機械化施工程度高，安裝方便靈活.石材幕墻連接節點的破壞占很大比例[7-8]，另外高溫、濕度的變化都會導致石材強度下降[9].石材經風化后，承載力下降明顯，石材幕墻面板常有斷裂情況出現[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，國內外關于石材幕墻面板加固和高空防墜措施的研究相對較少.

本文對33塊背栓式石材面板進行了抗彎試驗，并對其抗彎承載力進行了分析，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用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

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，節點加固用不銹鋼金屬圓環，金屬圓環厚度2 mm，金屬圓環半徑40 mm.石材面板尺寸及加工方案見圖1，試件的參數變化見表1.試件編號中，BS、J、F、B 分別表示背栓式石材面板、節點加固、迎風面加載、背風面加載，1、2、3、4 分別代表 GFRP （glass fiber reinforced plastics）布采用十字、對角、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 試件設計參數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

考慮正負風壓的作用，對石材面板進行了迎風面和背風面加載方向的試驗，加載速度為0.5 mm/min，當荷載降至峰值荷載85%時停止加載，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

黃金麻花崗巖的實測彎曲強度為4.14 MPa.GFRP的實測性能如表2所示.

表2 GFRP實測性能Tab.2 Measured performance of GFRP

2 試驗結果

2.1 試驗現象及破壞形態

在迎風面荷載作用下，石材面板標準件和節點加固的面板破壞時發出輕微的斷裂聲，面板斷裂嚴重，承載力迅速下降，破壞非常突然.背面采用GFRP十字粘貼和對角粘貼的石材幕墻面板，石材面板主要產生縱向貫通裂縫，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，分別出現縱向和橫向貫通裂紋，承載力下降緩慢.其破壞形態如圖3（a）～（f）所示.

在背風面荷載的作用下，未進行加固的石材面板在背栓處產生了拉拔破壞現象，節點加固后的石材面板背栓孔處未發生破壞，說明采用金屬圓環對石材面板連接節點進行加固是有效的.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.其破壞形態如圖3（g）～（k）所示.

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

2.2 試驗結果與分析

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結果見表3所示，其中(1)、(2)、(3)表示在3次不同荷載下的試驗.

表3 不同荷載下試驗結果Tab.3 Test results under different loadings

圖4 極限荷載的對比Fig.4 Comparison of ultimate load

由表3可以看出：在迎風面加載作用下，背面采用十字、對角、縱向全貼和橫向全貼GFRP進行加固石材面板，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.試驗采用的GFRP是單向編制的，GFRP粘貼方向對加固石材面板的極限承載力和破壞形態有一定影響.兩種全貼GFRP的加固方式下，石材斷裂裂紋都出現在與纖維平行的方向，都沒能充分發揮GFRP的強度.

在背風面加載條件下，節點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有限元軟件對極限荷載進行了模擬.將石材定為線彈性材料，采用最大主拉應力破壞準模擬開裂.石材性能取實測性能，參考高強混凝土開裂應變經驗值為 1 × 10-4[12]，石材的開裂應變取相同值.石材實體單元用C3D8R減縮積分進行模擬，為了限制“沙漏”的擴展，直接選用enhanced方式控制沙漏.

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

圖5 材料本構關系Fig.5 Constitutive relationship of materials

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

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

表4 荷載模擬值與試驗值對比Tab.4 Comparison of simulated and experimental values

3.2 初始安裝缺陷分析

背栓成孔質量對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承載力的影響.當背栓安裝不合格時，認為該背栓不參與石材面板受力，其分析結果如表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，背栓質量出現問題后，對背栓承載力影響很大，一個背栓開孔質量不合格，承載力下降約32.36%，出現兩個不合格，則承載力下降達55.17%.

4 結 論

1）采用金屬圓環對連接節點進行加固，對石材面板連接節點的承載力有明顯的提高作用，相對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濟性，十字粘貼效果最好.

3）有限元模型可以用來計算石材面板的承載力抗彎強度，計算誤差在15.00%以內.