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user: 2. 国内外FRP加固砌体结构的界面粘结性能现状 2.1. 材料性能、砂浆接缝对界面粘结性能的影响 FRP因其优质的性能，最早被应用于航空航天领域。现今，高性能材料FRP也越来越广泛的应用于建筑工程领域。FRP不仅能提高建筑结构的抗弯、抗剪性能，还能提高结构的抗震性能。姬瑞璞 [ 2 ] 等进行了CFRP、GFRP、BFRP预应力下的剪切实验和纯剪切试验，发现部分FRP筋在预应力状态之下所承担的剪力要比纯剪切状态下的值高。魏洋 [ 3 ] 通过在竹梁受拉区配置FRP，证实了纤维增强复合材料对竹梁抗弯承载力的加强，与未配置的相比，提高30.16%~52.44%。刘华新 [ 4 ] 等利用碳纤维和包裹约束混凝土柱进行试验，受FRP约束的棱柱体的承载力得到大幅度提高，且改善了变形性能。雷真 [ 5 ] 等进行了钢筋混凝土-砖组合开洞墙体的预损伤试验，证实了玄武岩纤维增强复合材料对组合墙体抗争性能的提高。李保亮 [ 6 ] 等将CFRP嵌入到砌体表面进行试验，大大提高了砌体结构的抗剪性能，提高了抗剪强度。然而，砂浆接缝的存在，将对FRP加固砌体结构系统的承载力造成影响。 一些学者开展了试验，对砂浆接缝的影响进行了研究。Enricoi [ 7 ] 用两种砖和性能明显不同的砂浆做成的砌体墙进行试验。研究结果表明，忽略砂浆节点的存在，只考虑砖的力学性能，忽略了砖的表面和微观结构特性，可能会导致对剥离力的估计有明显的不准确。由于砂浆的存在，会提供一个“连锁效应”来增加粘脱荷载。F. Ceroni [ 8 ] 等人也认为接缝的“连锁效应”会提供额外的粘结抵抗机制。在三个实验室完成了三种不同的砌体(凝灰石tuff stone，莱切石lecce stone及黏土砖)基层上粘贴四种FRP类型(碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维)的粘结实验。结果表明，剥离荷载很明显的受到砂浆层的影响，荷载增量随着砂浆接缝的数量而变化，它会使有效粘结长度增大。F. Ceroni认为，由于接缝的“连锁效应”提供了额外的粘结抵抗机制，砂浆接缝会在轻微提高剥离荷载值，而抹灰则会在一定程度上抑制这种“连锁效应”。 一些学者则对FRP-砌体界面的非线性规律进行了分析，深入探讨砂浆性能对界面粘结滑移的影响规律。M. Malena [ 9 ] 利用四种粘结–滑移(CML)多线性关系对FRP与砌体间界面应力传递的影响进行研究。当达到FRP抗拉强度后，FRP开始剥离且往往控制着界面间的应力传递机理。M. Malena用四种(双线性关系、有两个斜率的上升段三线性、有两个斜率的下降段三线性以及四线性关系)从试验数据中得到的多线性CML关系来获取FRP-砌体界面的荷载响应。砂和砂浆灰缝的几何关系会明显影响各CML关系的荷载响应的差异。Ernesto [ 10 ] 用一维有限元直接模型的非线性本构规律，模拟了FRP与砌体结构间的界面性能。作者将结果与Mancusi [ 11 ] 、CNRDT200 [ 12 ] 的报告以及实验结果的对比，最大力和最佳粘结长度的值和Mancusi研究结果吻合较好，相差15%左右，并得出了FRP加固砌体结构的特性在很大程度上依赖于砂浆性能的结论。Capozucca R [ 13 ] 等人通过推拉实验得到的实验数据来分析应力-滑移关系和断裂能大小，证实砂浆接缝对断裂能和粘结性能的影响很大的结论。Christian [ 14 ] 用能量平衡方法来确定FRP-砌体界面剥离时砂浆接缝的影响，建立了FRP-砌体界面间的可传递荷载与FRP-砖、FRP-砂浆之间的关系。结果表明，FRP-砂浆中的剪应力比FRP-砖中的剪应力低，若要界面可传递的荷载与FRP-砖块的界面粘结能力相等，在纤维方向上，砖块的长度要大于FRP-砖界面的有效粘结长度。F. Freddi [ 15 ] 使用了一种新的界面模型研究了FRP加固砌体构件的剥离过程，尤其是砂浆性能影响的数值模拟。结果显示，砂浆接缝的刚度和强度会导致界面应力的降低。当荷载传递路径涉及到砂浆接缝时，应力值减小。由于砂浆接缝的存在，剥离荷载会减少15%。承载力的减少与CNR文件的相符。C. Mazzotti [ 16 ] 等人研究了四种类型的黏土砖基层的非线性行为对粘结性能的影响研究。在剥离期间，薄弱的垂直砂浆接缝的存在会阻止应力向下一块砖传递。若是增强砂浆接缝的强度，剥离过程可能会有些变化，这需要更深入的研究。Antonio [ 17 ] 等人用数值模拟的方法得到，荷载值的下降与砂浆接缝的存在有关，砂浆接缝越厚，荷载值减少越多。 2.2. FRP加固方式对界面粘结性能的影响 不同的粘贴方法会给整个加固系统的受力性能产生影响。Paolo [ 18 ] 以三种不同方式(树脂胶粘贴、真空条件下的树脂胶粘贴和具有FRP锚钉加固方式的树脂胶粘贴)在开裂墙体的表面粘贴FRP，进行试验。结果表明，在真空状态下粘贴FRP和用FRP锚钉加固方式的粘结强度是传统树脂胶粘贴方法的接近两倍，两种方法都并没有增加有效粘结长度。此外，将砂浆接缝的强度进一步提高可以进一步增加真空法的粘结强度。 随着研究的不断深入，锚固方式多种多样。Mario [ 19 ] 等人使用FRP作为机械锚固，不仅有效地增加荷载的最大值和耗散能力，还增加了FRP加固砌体的延性。Hamid [ 20 ] 等人研究了砌体近表面嵌入粘贴FRP的粘结性能。试验结果表明，具有较大尺寸的槽的试件，表现出更好的粘结性能，试件的失效模式并没有改变。Francesca [ 21 ] 对在纤维末端粘贴相同材质的横向纤维布和在砌体基层嵌入风扇状FRP两种不同锚固形式进行了研究。带有锚固的试样，剥离发生被延迟并且剥离时有更高的荷载。对于横向锚固的试样，剥离荷载会增加7%~10%。扇形形式的锚固试件破坏时 [ 22 ] ，粘结强度达到抗拉强度的40%~50%，直接嵌入砖块的FRP筋形式锚固的锚固模式 [ 22 ] ，最终的破坏表现为砖基层的内聚力破裂，极限强度达到了FRP抗拉强度的60%，最大荷载达到FRP抗拉强度的80%。郑晓龙 [ 23 ] 等对FRP筋加固黏土砖进行了拉拔试验。结果表明，预浸折叠式FRP束能有效提高锚固强度、预钻孔尺寸和FRP束共同影响锚固强度，并提出了有效投影面积这一参数，发现锚固强度和破坏的有效投影面积相关。在Francesca [ 21 ] 的研究中，结果证明了“宽度效应的存在”，若砌体基层具有较低的抗拉强度，也会限制锚固系统的有效性。 GFRCM (玻璃纤维增强胶凝复合材料)的应力传递机理不同于FRP材料 [ 24 ] ，总是纤维先失效破坏。Francesca [ 25 ] 等人对CFRCM (碳纤维增强胶凝复合材)进行了试验测试，结果表明，试件形状和固化情况会严重影响实验结果，纤维宽度的增大会导致试件对齐和应力分布的问题。试件破坏类型也不一样。考虑纤维网格和砂浆间的机械联锁程度是很重要的，它受网格尺寸、砂浆骨料尺寸和流变性能的影响。 2.3. 环境条件对界面粘结性能的影响 FRP加固系统在正常使用条件下，常常需要考虑其在不同环境条件下的耐久性使用要求。Hamid Maljaee [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 等人对FRP加固砖块系统进行了长达一年时间的水浸泡试验研究。结果显示，砖、环氧树脂、底漆和GFRP的力学强度分别下降12%、6%、10%、37%，GFRP和环氧树脂的弹性模量没有明显的改变，但是底漆的弹性模量下降了44%。Maljaee [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 还研究了砌体结构外贴FRP在温度和湿度耦合环境条件下的界面粘结性能。环氧树脂和底漆的性能由线弹性转为非线性，强度和刚度随所处环境周期的增加而降低。断裂能有轻微的增加，可归因于界面处的环氧树脂的物理老化作用。Pérez-Pacheco [ 30 ] 的研究证实了湿热老化是引起复合材料湿热老化的主要原因之一。Hamid [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 等用差示扫面量热法研究了环境条件对冷固化环氧树脂的热性能的影响，观察结果得到，在IC (实验室内)条件下，环氧树脂固化11个月后，玻璃化转变温度Tg提高了12%。WI (长期水浸泡)试验的Tg由于塑化作用而降低，浸泡七个月，由于长期吸水的矛盾效应，Tg增加。在HG (湿热暴露)条件下，环氧树脂的后固化导致Tg的增加。Mahdireza [ 31 ] 等使用七种类型的FRP，将525个试件放入5种化学溶液(pH值分别为2.5、7、10、12.5)和等效海水中，一段时间后进行单剪试验。结果表明，酸性溶液对单向纤维粘结的砖砌体的影响最大，碱性溶液(pH值分别为12.5和10)对双向纤维粘贴的砌体粘结性能退化的影响较大。淡水对粘结强度的影响大于海水溶液，单向纤维比双向纤维在化学溶液里更易受到破坏。 加固系统能否有效的传递剪力，关键在于FRP-砌体间的粘结。因此，对粘结层材料相关性能的研究显得尤为重要。Ghiassi B [ 32 ] 等人通过数值模拟研究了两种不同的环境条件下对FRP-砌体结构整体性能的影响。使用疏水性环氧树脂可减少水分对粘结界面的影响。FRP的宽度增加，粘结退化程度越小，粘结退化导致墙体上FRP产生更大的拉应力。Patrícia [ 33 ] 等针对结构环氧树脂在五种环境条件下浸泡16个月的力学性能做了研究。在TC (热环境)条件下，环氧树脂的弹性模量和抗拉强度增加，FT (冻融)条件下相反；而在PW (纯水)和CW (含氯的水)条件下，环氧树脂的动弹性模量下降，能量耗散大。Maria [ 34 ] 等人进一步测试了环氧树脂在潮湿环境下的疲劳性性能，得到，干燥的环氧树脂试样具有更好的疲劳寿命，尽管由于水分的降解，在200多万个循环周期内，环氧树脂仍然能够超过其准静态强度25%的最大循环应力荷载。Chaichanawonga [ 35 ] 用短玻璃纤维含量不同(0~30 wt%)的复合材料开展了湿度试验。浸泡于纯净水中60 天后，试验结果表明：玻璃纤维复合材料的屈服强度、极限抗拉强度、抗弯强度在初期(1~7 天)出现了显著下降，随后趋于稳定；延性在浸泡初期无明显变化，而在末期却明显降低。 在紫外线照射条件下，关于FRP材料的力学性能的研究。乔琨 [ 36 ] 等通过对碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行人工加速紫外老化实验发现，紫外老化使复合材料玻璃化转变温度提高，老化前期提高幅度相对较大，后期变化不明显；随着老化时间增加，受到紫外辐射的最外层碳纤维/环氧树脂界面受到一定程度削弱。郭明映 [ 37 ] 等研究表明芳纶/环氧复合材料经紫外老化后的拉伸强度、失重率有明显的变化，芳纶结构和复合材料的玻璃化转变温度无明显的变化。危成英等 [ 38 ] 对同一批次试件在西北地区(新疆)、华北地区(北京)和东南地区(泉州)的不同环境条件下，比较分析CFRP复合材料的自然老化性能的耐久性。结果表明：东南、华北与西北地区的自然环境因素对碳纤维复合材料(CFRP)性能的影响不大，但是对两种树脂的影响较大。杨越飞等 [ 39 ] 为探明玄武岩纤维/不饱和聚酯复合材料的耐久性和力学性能，通过人工模拟加速气候箱对复合材料进行紫外光和冷凝处理，并测试、分析老化前后复合材料的力学性能、微观结构及化学结构的变化。力学性能测试发现，老化后的复合材料力学性能下降明显，拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弹性模量与未老化相比下降20%~52%。 2.4. 理论研究 F. Ceroni [ 8 ] 在意大利规范基础上，统计分析给出了设计公式来计算FRP材料粘贴在不同砌体基层的剥离荷载，并考虑了粘结剪应力沿试件宽度不均匀分布的外形效应K b ，以及修正系数。最小二乘法回归线的斜率k G ，m 根据砖基层材质的不同，而有不同的计算方法。计算如下式(1)： F d e b ， t h ， m = k G ， m ⋅ F d e b ， t h = b f ⋅ 2 ⋅ E f ⋅ t f ⋅ k b ⋅ E f ⋅ k G ， m f c m ⋅ f t m (1) Iman [ 40 ] 用遗传表达编程(GEP)这种新工具来预测FRP加固气体构件的脱粘强度。作者将新模型及其他12个模型的预测值与实验结果进行比较，其中，Kashyap [ 41 ] 模型具有最好的预测结果。结果表明，作者提出的模型相对于最好的Kashyap模型，从训练数据和测试数据来说，均方根误差分别减少了51.7%和41.3%，新模型具有最好的效率。该模型的最大力P max 的计算式如下式(2)： P max = [ f u t 1.5 L b − L b t p c 1 ] + [ f u t 3 b m − b p 2 t p ] + [ L b 1.5 + c 2 + t p c 0 ( L b + E p ) ] (2) f ut —砌体抗拉强度；L b —FRP的粘结长度； b p —FRP的宽度；t p —FRP的厚度； b m —砌体的宽度；E p —FRP弹性模量； C 1 = 9.941346，C 2 = 9.58728，C 3 = 9.351684。 Kashyap模型，通过对15个既有混凝土和砌体强度模型与拉伸试验数据库中的统计结果得对比评估，在与粘结强度预测试验的比较统计基础上，得出了以下模型(3)： P max = 13.69 φ f 0.84 f u t 0.90 L p e r ( E A ) (3) 其中， φ f = 1 / ( 2 + b p ) ， L p e r = 2 + b p 。 (EA) p —FRP的轴向刚度； f ut —砌体单元抗拉抗拉强度均值； b p 为FRP的长度，详见参考文献 [ 41 ] 。 作者指出，在计算砌体最大力时，不能简单的将混凝土最大力计算式中的混凝土抗拉强度 f c ' 替换成砌体抗拉强度f ut 来计算。此外，作者还提出了界面最大剪应力τ max 和最大滑移值δ max 的经验表达式，τ max 、δ max 等粘结特性对计算FRP加固砌体结构的临界粘结长度和分析FRP加固结构性能的必要条件。τ max 、δ max 经验公式如下(4)、(5)： τ max = 8.83 φ f 0.15 f u t 0.2 (4) δ max = 0.45 φ f 0.23 f u t 0.74 (5) Francesca [ 42 ] 等提出了一种基于断裂能模型的粘结强度计算模型，引入了修正系数，以考虑粘结长度和宽度对粘结强度的影响。对外贴CFRP的单砖采用双面推拉剪切实验，结合文献研究成果构成扩展数据库，提出了荷载传递机理的分析模型(6)： (6) 其中， Γ f = 1 4 k b k G δ u f c m f c t m ，   k b = ( 3 − b f b s ) / ( 1 + b f b s ) F max —实验最大传递荷载；Γ f —断裂能； δ u —界面最终滑移量；E f —CFRP弹性模量； L b —粘结长度；L e —有效粘结长度；t f —CFRP厚度； b f 、b s —分别为CFRP、砖砌体的宽度； k b 、k G —分别为CFRP宽度、断裂能修正系数； f cm 、f ctm —分别为黏土砖的抗压、抗拉强度； β 1 —粘结长度修正系数，当L b /L e < 1，按下式取值；L b /L e > 1时，按L b /L e = 1取值。 β 1 = L b L e ( 2 − L b L e ) 最后，本文对断裂能参数k G 进行了统计分析，并在正态分布和对数分布假设下进行拟合得到。 Gao [ 43 ] 等人提出，在复合热和机械荷载作用下，通过6个不同的粘结–滑移模型(包括弹性–脆性模型、双线性模型、弹性–塑性–脆性模型、梯形模型、刚性–柔性模型、指数模型)，得到FRP-基层界面模式II剥离破坏过程的封闭解。结果表明，粘结长度足够长，剥离荷载仅受界面断裂能和温度的影响，温度的增加会导致剥离荷载和有效粘结长度的增加，而后者的增长率取决于粘结–滑移模型。作者提出了在粘结长度足够长情况下的极限荷载的计算式(7)： P u = b p 2 G f E p t p ( 1 + b p E p t p b s E s t s ) − b p E p t p ( 1 + b p E p t p b s E s t s ) ( α p − α s ) Δ T (7) p u —FRP-基层剥离荷载；G f —FRP-基层断裂能； E p —FRP弹性模量；E s —基层的弹性模量； t p —CFRP厚度；t s —基层的厚度； b p 、b s —分别为FRP、基层的宽度； α p 、α s —分别为FRP、基层的热膨胀系数； Δ T —温度改变量。 注：该模型可用于两薄板接缝的计算以及多种材料的基层计算，比如FRP-混凝土、FRP-钢材、钢材–混凝土、铝–混凝土等在复合热力和机械荷载作用下的计算。