灰缝内水平 NSM 自预应力铁基形状记忆合金丝加固砌体墙的剪切性能

《Engineering Structures》：Shear performance of masonry walls strengthened with horizontal NSM self-prestressing Fe-SMA wires in bed joints

　　

摘要
砌体结构广泛应用于历史建筑和现代建筑中。随着服役年限的增加，其结构安全问题日益受到关注，需要及时加固和改造。铁基形状记忆合金（Fe-SMA）作为一种新型金属材料，能够通过热激活产生主动自预应力，为砌体结构提供了一种高效、低干预的加固策略。本研究对采用水平近表面嵌入式（NSM）Fe-SMA钢丝加固于灰缝中的砖砌体墙进行了对角压缩试验，系统研究了未激活、不同激活温度、二次激活以及每槽嵌入钢丝数量对墙体抗剪性能的影响。结果表明，NSM Fe-SMA加固显著提高了墙体的整体性、承载力和峰值后变形能力。与未加固试件相比，被动Fe-SMA加固使抗剪强度和耗能能力分别提高了9%和143%。相比之下，采用200°C和300°C激活的Fe-SMA钢丝进行主动加固，使抗剪强度和耗能能力分别提高了高达40%和403%，同时增强了峰值载荷前的抗裂性。二次激活过程在承重墙中产生了附加回复应力，促进了应力重分布和裂缝分散，从而提高了变形能力。增加每槽嵌入的Fe-SMA钢丝数量进一步改善了结构性能，抗剪强度、变形能力和耗能能力分别提高了高达47%、248%和810%。最后，在ABAQUS中建立了Fe-SMA钢丝加固砌体墙的非均匀砖-砂浆有限元模型并进行了验证。基于该模型，对砖强度、砂浆强度和加固频率进行了参数分析，为Fe-SMA材料在复杂条件下砌体结构加固中的应用提供了有价值的参考。

引言
砌体结构是人类历史上使用最广泛的建筑形式之一，这得益于其材料易获取、成本低廉和施工简便。在许多发展中国家，砌体建筑仍然是居民的主要居住空间[1]。此外，砌体结构也是传统遗产建筑的主要形式，如长城、罗马斗兽场和巴黎圣母院，在历史遗产保护中占据不可替代的地位[[2], [3], [4]]。然而，砌体结构的弱点需要设计者和研究者高度关注。历史上的地震事件反复证明了砌体结构的固有脆弱性和有限延性。当服役过程中的材料退化因素叠加时，这些缺陷共同构成了严重的结构安全隐患[5]。随着城市更新工作的推进，迫切需要开展现有砌体结构加固与修复的可靠研究。

近表面嵌入式（NSM）加固技术因其与原结构粘结可靠、施工简便和工期短而受到广泛关注[6]。重要的是，加固后结构的原始表面特征基本保持不变，符合"低干预"原则，保持了砌体完整性并避免了大量拆除。该方法在结构表面开槽，嵌入高强度加固材料（如FRP筋、钢筋或钢绞线），通过砂浆或胶粘剂形成复合承重体系。这种方法有效地提高了结构构件的抗弯、抗剪和抗震性能[[7], [8], [9]]。特别地，当NSM槽仅局限于砌体灰缝中时，该技术也称为"结构勾缝"（SR）[10]。NSM技术的一个潜在缺点是，其加固效果可能不如传统表面加固明显。Casacci等[11]比较了结构勾缝与纤维增强水泥基复合材料（FRCM）加固。在双面配置下，SR使砌体墙的抗剪承载力提高了约44%，而FRCM实现了高达376%的增强。此外，FRCM加固试件的延性约为SR的两倍。尽管SR的强度增强相对较低，但它在损坏砌体单元的同时改善了整体力学性能和延性。此外，它还能够在工程应用中对墙体关键区域进行局部加固，从而实现更有效、更有针对性的结构增强[12]。

Tumialan等[13]对NSM GFRP材料加固的空心混凝土砌块墙进行了对角压缩试验，发现抗剪承载力提高了29%–83%。此外，竖向嵌入的钢筋有效抑制了剪切滑移破坏。然而，该研究也揭示单面加固会在墙体中引起显著的平面外变形。Turco等[14]对混凝土砌块和黏土砖墙进行了面内对角压缩试验和平面外四点弯曲试验。结果表明，加固后的墙体在平面内和平面外的承载力分别达到了未加固墙体的2.5倍和26倍。此外，FRP筋更适合用于抗剪加固，而FRP片材在抗弯加固中更有效。Petersen等[15]在对角压缩试验中报告，双面竖向CFRP加固使墙体承载力提高了高达46%，并显著增强了延性和韧性。这一改善主要归因于竖向加固在加载过程中抑制了裂缝张开，而其销栓效应微乎其微。此外，穿过墙体厚度的裂缝传播可能引发片材过早剥离。Ismail等[16]对NSM扭绞钢筋加固的砖墙进行对角压缩试验，结果显示水平-竖向组合加固方案使承载力提高了高达89%，而仅采用水平嵌入钢筋加固的墙体仅提高了40%。竖向排列的钢筋有效约束了剪切破坏引起的膨胀，从而在裂缝传播过程中增加了摩擦阻力。Jing等[17]采用环氧树脂胶粘接CFRP板加固砌体灰缝。准静态试验表明，单面加固使墙体承载力提高了高达10.16%，延性系数提高了高达45.71%。该研究还强调，加固率与加固效果之间并不呈现线性相关关系。

然而，常规NSM加固属于被动加固方法，其特征是钢筋材料与原结构之间存在应力滞后效应，且材料强度利用率较低[18]。采用预应力NSM加固是一种创新且极具价值的技术方案。与砖墙中非预应力NSM加固相比，施加预应力显著提高了墙体的承载能力和变形能力[19]。传统预应力体系通常依赖外部张拉设备和复杂的锚固系统，需要大量施工空间，成本高昂且安装程序复杂。随着材料技术的发展，通过智能材料实现结构自预应力的概念应运而生。其中，形状记忆合金（SMA）凭借其独特的形状记忆效应，成为自预应力领域的前沿材料。早期研究主要关注镍钛形状记忆合金（NiTi SMA）。然而，NiTi SMA的高成本、低热滞后性、高激活温度以及较差的回复应力稳定性严重阻碍了其在土木工程中的大规模应用。近年来，具有成本效益的铁基形状记忆合金（Fe-SMA）作为有前途的替代品崭露头角。与传统NiTi SMA相比，Fe-SMA在材料成本和可制造性方面具有显著优势，主要成分为低成本铁，可通过传统炼钢工艺生产，无需真空环境[20]。其适宜的激活温度范围（通常为130°C–300°C）和稳定可靠的回复应力特性，使其成为具有广泛应用潜力的一代新型智能材料[[21], [22], [23], [24]]。Fe-SMA相对宽的热滞后性源于其非热弹性马氏体相变机制，使其能够在更宽的温度范围内实现更渐进的相变[25]。近期研究进一步表明，通过合金成分设计（如Mn和C含量）和微观结构优化（如沉淀强化），激活温度、回复应力水平和可恢复应变等关键性能能够得到有效调控，使Fe-SMA克服了传统形状记忆合金的一些局限性[[26], [27], [28]]。

在实际工程应用中，应力诱导的Fe-SMA材料在其晶体结构内发生马氏体相变，将奥氏体转变为马氏体。随后通过热激活可触发逆马氏体相变，恢复部分马氏体，并在约束条件下产生回复应力[29]。基于这一原理，研究人员探索了Fe-SMA材料在钢筋混凝土和钢结构加固中的应用。Shahverdi等[30,31]对NSM Fe-SMA带片加固的混凝土梁进行了弯曲试验。结果表明，热激活后加固梁的开裂荷载和跨中刚度得到了有效改善，证明了Fe-SMA用于混凝土加固的可行性和有效性。Rojob等[32]进一步观察到，与传统预应力FRP加固相比，Fe-SMA材料的屈服特性赋予了加固梁优越的延性，延性提高了高达90%。Sun等[33]研究了NSM Fe-SMA筋加固的混凝土T形梁的抗剪性能，发现增加Fe-SMA配筋率提高了T形梁的极限承载力和开裂后刚度。Wang等[34]采用粘结Fe-SMA板加固钢梁。在静力和疲劳荷载下，加固梁表现良好，未观察到接头损伤。此外，为修复正交异性钢桥面板的疲劳裂缝，Qiang等[35]提出了一种新的Fe-SMA盖板覆盖裂纹止裂孔方法。Fe-SMA材料提供的自预应力显著降低了裂纹孔周围的应力集中，并显著增加了局部刚度，从而有效延长了结构使用寿命。

总体而言，Fe-SMA自预应力技术在结构加固领域展现了巨大的应用潜力。然而，该技术的研究和应用在砌体结构中仍处于起步阶段。Rezapour等[36]利用ABAQUS数值研究了外部粘结Fe-SMA带片加固砌体墙的地震性能。结果表明，交叉分布的带片促进了更均匀的预应力分布，增强了墙体刚度和强度。在后续的实验研究中，Rezapour等[37]进一步评估了准静态循环荷载下NSM Fe-SMA筋加固砌体墙的表现。结果表明，与常规NSM钢筋加固相比，竖向Fe-SMA筋的自预应力加固使墙体承载力和耗能能力分别提高了1.7倍和1.1倍，而斜向Fe-SMA布置带来了更大的改善。Liu等[38]研究了灰缝和砖体中已激活Fe-SMA带片的粘结行为，确认加热至200°C仅在砂浆和砖表面引起轻微温度变化。通过控制加热时间，对粘结性能的不利热效应可忽略不计。此外，作者的研究小组已成功验证了自预应力加固勾缝法对砌体墙的可行性。通过合理配置，Fe-SMA钢丝可有效提高砌体墙的承载力和抗裂性，从而减轻其固有的脆性行为[39]。此处，"钢丝"指的是嵌入砌体灰缝中的光滑连续圆形Fe-SMA元件，而非传统的带肋钢筋或钢筋。

基于以上研究基础，本研究聚焦于Fe-SMA材料的自预应力特性，通过对角压缩试验系统研究了水平NSM Fe-SMA钢丝加固砌体墙的抗剪性能和裂缝控制。采用对角压缩试验是为了隔离面内剪切响应，以便更清晰地解释自预应力机制。与现有的Fe-SMA加固砌体结构研究相比，本工作专门研究了水平嵌入的NSM Fe-SMA钢丝，并提出了考虑不同激活温度和配筋数量的综合实验方案。通过比较已激活和未激活Fe-SMA钢丝加固试件的力学行为，阐明了预应力引起的加固效果。此外，系统分析了二次激活对破坏模式、应变演化以及抗剪应力-应变响应的影响，这在以往的研究中鲜有报道。最后，基于实验结果，在ABAQUS中建立了数值模型以模拟水平NSM Fe-SMA钢丝加固砌体墙的抗剪性能，从而为后续参数分析提供技术指导。

分章节摘要

砖和砂浆
本研究采用MU15级普通烧结黏土砖，尺寸为230 mm × 105 mm × 45 mm。为确定砖的平均抗压强度，按照GB/T 2542–2012[40]制备了十个半砖试件并进行单轴压缩试验。

砖块的抗拉强度根据新西兰规范 [41] 中推荐的处理方法，估计为抗折模量的 50%。使用了 M2.5 级石灰水泥砂浆作为

激活温度 - 时间曲线 利用定制开发的电源设备依次激活 Fe-SMA 丝，其最大输出功率为 60 kW。以往关于嵌入混凝土中的 Fe-SMA 元件的研究通常采用高电流密度以实现快速激活。例如，Czaderski 等人 [56] 对嵌入混凝土中的 Fe-SMA 条使用了约 14 A/mm2 的电流密度，Saeedi 等人 [57] 进一步使用多物理场模拟方法研究了这一激活过程。对于完全

模型建立 使用商业有限元软件 ABAQUS 对采用 NSM Fe-SMA 丝加固的砌体墙进行了数值模拟。由于组成部分（砖块和砂浆）的材料非线性以及它们之间结合界面的存在，砌体结构表现出复杂的力学行为。目前，砌体结构的有限元研究通常采用三种主要建模策略：宏观建模、简化微观建模和详细

结论 使用 Fe-SMA 材料对砌体结构进行预应力 NSM 加固是一种高效、实用且低侵入性的加固技术。本研究通过实验和数值方法研究了横向嵌入 Fe-SMA 丝加固砌体墙的剪切行为。非激活状态、激活温度、二次激活以及每道槽内的加固数量对墙体破坏模式、应变分布和关键

CRediT 作者贡献声明 Xiaochao Sun：撰写 – 原稿，可视化，软件，方法，调查，正式分析。Hong Zhu：撰写 – 审查与编辑，监督，方法，资金获取，概念化。Wenlong Yan：撰写 – 审查与编辑，监督，项目管理。Pu Zhang：撰写 – 审查与编辑，监督，项目管理。Zhiqiang Dong：撰写 – 审查与编辑，监督，项目管理，正式分析。Pianbao Shi：撰写 – 审查与

利益冲突声明 作者声明他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢 作者感谢中国国家重点研发计划 (2024YFD1600404)、中国国家自然科学基金 (52478307)、江苏省优秀青年基金 (BK20230088)、中央高校基本科研业务费 (2242022k30030) 以及东南大学博士研究生创新能力提升计划 (CXJH_SEU 26117) 的资金支持。Xiaochao Sun|Hong Zhu|Wenlong Yan|Pu Zhang|Zhiqiang Dong|Pianbao Shi|Yijie Pan|Qing Zhou 教育部混凝土与预应力混凝土结构重点实验室，东南大学，南京，211189，中国