鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固鋼筋混凝土梁試驗研究

易治民， 陳升平

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

由于各種原因?qū)︿摻罨炷翗?gòu)件的損害使得結(jié)構(gòu)物安全和耐久性受到嚴(yán)重的威脅，對結(jié)構(gòu)物的鋼筋混凝土構(gòu)件加固使之能繼續(xù)使用就成為當(dāng)前一個需要解決的課題．常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法有增大截面加固法、外粘型鋼加固法、置換混凝土加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法和植筋錨固技術(shù)等[1-2]．鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固混凝土構(gòu)件是對需加固的構(gòu)件外加鋼絲網(wǎng)[3-5]，再用砂漿覆蓋鋼絲網(wǎng)，使鋼絲網(wǎng)和砂漿與混凝土構(gòu)件一起受力，從而增加構(gòu)件的開裂荷載、極限荷載，增加構(gòu)件的延性，減小構(gòu)件的變形等．該方法適用面廣、使用方便、價格低廉，是加固現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的一種理想材料．水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變低，加入亂向分布的短纖維可顯著提高它的抗彎強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變以及彎曲韌度[6-7]．鋼纖維水泥砂漿與普通水泥砂漿相比，彎曲強(qiáng)度、彎曲韌度可顯著提高，裂縫寬度可顯著減?。虼耍娩摻z網(wǎng)鋼纖維水泥砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)可顯著提高原有構(gòu)件的極限承載力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗?jié)B、抗凍、抗裂性和延性，是值得推廣使用的一種有效加固技術(shù)．

1 試驗

對鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固鋼筋混凝土受彎梁進(jìn)行試驗研究，通過試驗現(xiàn)象及結(jié)果來對該方法進(jìn)行評價．試驗通過一根對比梁和兩根加固梁，采用三面包裹加固的方式，從加固承載力、裂縫發(fā)展及梁剛度等方面進(jìn)行分析．

1.1 試驗用材料

試驗采用的梁底受拉鋼筋為直徑10 mm的光圓鋼筋，混凝土為C25的混凝土，配比為1∶2.41∶4.29∶0.63．鋼筋的屈服確定平均值為282.3 N/mm2，極限強(qiáng)度平均值為433.6 N/mm2，混凝土立方體強(qiáng)度平均值為29.1 N/mm2．對于復(fù)合砂漿配比的選擇是在文獻(xiàn)[8]混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗結(jié)果來確定，最終確定水泥：砂：水：微硅粉：減水劑的配合比為1.0∶1.5∶0.42∶0.1∶0.026．由于基體水泥砂漿的配合比和強(qiáng)度是影響加固效果的主要因素，因此本試驗中鋼纖維的摻量不變，采用的摻量為1.0%．鋼纖維為鍍銅鋼纖維，長度為15 mm，直徑d為0.6～0.9 mm，長徑比50～80．試驗所用的鋼絲網(wǎng)為編制鋼絲網(wǎng)，直徑1.0 mm, 網(wǎng)格間距 12.5 mm，鋼絲網(wǎng)和鋼纖維如圖1所示．

圖 1 加固用鋼絲網(wǎng)和鋼纖維

在試驗前事先裁剪一組長300 mm，包含6根鋼絲的單層網(wǎng)片進(jìn)行抗拉試驗，試驗結(jié)果見表1.

表1 鋼絲網(wǎng)試驗結(jié)果

1.2 加固方式

做3根普通的RC梁，分別是1根不加固的對比梁，1根鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固試驗梁,1根鋼纖維砂漿加固試驗梁．梁的尺寸為b×h=100 mm×180 mm,l=2 000 mm；水泥采用P.O425，砂為中粗砂，石頭采用粒徑為5～20 mm的碎石，受拉鋼筋為 3?10光圓鋼筋，架立筋為2?6，箍筋采用直徑為6 mm一級光圓鋼筋(HPB235)，間距為100 mm．為研究純彎效果，梁純彎段只在梁底配置受彎縱筋，縱向配筋率ρ=1.3%，梁頂鋼筋均切除．為測定加載時RC梁底受拉縱筋的應(yīng)變變化，在純彎段的受力鋼筋處貼上應(yīng)變片．加固梁表面采取鑿毛處理后，采用三面包裹加固，加固層厚度為25 mm．施工完畢后養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行試驗．RC梁尺寸以及加固截面如圖2所示．

圖 2 RC梁尺寸和鋼筋構(gòu)造以及加固截面示意圖

1.3 試驗方法及量測內(nèi)容

以油壓千斤頂為加載設(shè)備，通過力分配梁將荷載分傳給試件，千斤頂放在構(gòu)件的中間，試驗過程中用測力環(huán)測定荷載．試驗過程中鋼筋的應(yīng)變測定采用江蘇東華DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試儀進(jìn)行測定．加載采用分級加載的方式，每級加載后停留一定時間，再讀取鋼筋應(yīng)變值，加載到梁屈服荷載后，采用跨中撓度控制等級加載．加載示意見圖3．在試驗過程中進(jìn)行以下內(nèi)容的量測：撓度測量，梁底受拉鋼筋應(yīng)變測量，裂縫觀察．

圖 3 加載示意圖

2 試驗結(jié)果分析

對比梁L1呈現(xiàn)出普通適筋梁的破壞特征，先后經(jīng)歷彈性工作階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后到梁破壞階段．

采用鋼纖維砂漿加固的L2梁與L1梁荷載撓度曲線類似，但開裂荷載提高較多，由于鋼纖維在裂縫處的拉扯作用，對裂縫的擴(kuò)展起到很好的延緩作用．梁L2在同樣荷載下?lián)隙纫∮趯Ρ攘篖1，表明梁剛度大于同荷載下的L1梁．

采用鋼絲網(wǎng)加固梁L3，開裂荷載有顯著的增加，之后裂縫的開展較慢，在梁的其他部位出現(xiàn)多條細(xì)小的裂縫；開裂后梁剛度有所變小，但相較于梁L1和梁L2，撓度要?。豢v向受拉鋼筋應(yīng)變也比L1和L2梁小，這說明鋼絲網(wǎng)分擔(dān)了原鋼筋的部分荷載．試驗結(jié)果見圖4和表2.

圖 4 荷載撓度曲線

從表2的試驗數(shù)據(jù)可以看出，鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固方法能提高加固梁的各項承載力，特別是開裂荷載最明顯，鋼纖維砂漿加固梁L2提高2倍，鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固梁提高2.7倍；對于鋼纖維砂漿加固混凝土構(gòu)件能顯著提高開裂荷載，但是對于屈服荷載和極限荷載提高不明顯，甚至和普通適筋梁相當(dāng)，這主要是由于在開裂后鋼纖維砂漿基本退出工作，加固梁和普通梁受力性能相類似；L3梁相對于L1梁的屈服荷載和極限荷載在鋼絲網(wǎng)的參與下有所提高，但提高不多．

表2 試驗結(jié)果

Pcr表示開裂荷載試驗值，R為加固梁與對比梁的開裂荷載比值，Py表示屈服荷載試驗值，Pu表示極限荷載試驗值

3 極限荷載計算

梁達(dá)到屈服荷載后，隨荷載的增加，中和軸上升，力臂增加，彎矩略有增加，受壓區(qū)邊緣達(dá)到混凝土受壓極限壓應(yīng)變，混凝土被壓壞，此時彎矩達(dá)最大值，隨后梁破壞，失去承載力．這就是鋼筋混凝土梁的第三工作階段，其最大彎矩即為梁正截面的極限承載力．此階段，鋼絲網(wǎng)和鋼筋均屈服，混凝受壓區(qū)達(dá)極限壓應(yīng)變，受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線比較飽滿，受拉區(qū)混凝土大部退出工作，在計算時不予考慮．在計算極限彎矩時，仿效普通鋼筋混凝土梁，將混凝土受壓區(qū)應(yīng)力應(yīng)變曲線等效為矩形應(yīng)力分布．為簡化計算不考慮梁側(cè)加固筋的影響，等效后的矩形應(yīng)力分布如圖5所示．

圖 5 梁截面矩形等效應(yīng)力應(yīng)變分布關(guān)系圖

梁截面軸向力的平衡條件為

α1fcbx=fyAs+fsmAsm,

式中，α1對于小于C50的混凝土取1.0．極限彎矩

式中：C為壓區(qū)混凝土合力，fy為鋼筋拉應(yīng)力，fc為混凝土壓應(yīng)力fsm為鋼絲網(wǎng)拉應(yīng)力，x為混凝土矩形受壓區(qū)高度，h為截面高度，hsm為鋼絲網(wǎng)截面到梁頂高度，h0為鋼筋截面到梁頂高度，b為梁截面寬度As為鋼筋截面積，Asm為鋼絲網(wǎng)截面積計算值與試驗結(jié)果見表3． 表中未列出L2梁是由于不考慮加固砂漿層的影響，L2梁和L1梁受力狀況類似．從表中可以看到計算值小于試驗值，結(jié)果偏于保守，可能是在計算時沒有考慮梁側(cè)加固層的影響，有待進(jìn)一步的研究．

表3 計算值與試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)對于鋼纖維砂漿加固鋼筋混凝土梁能較大幅度提高構(gòu)件的開裂荷載，提高幅度為普通梁的2倍，能充分發(fā)揮鋼纖維的阻裂和延性優(yōu)點，開裂后對于裂縫的擴(kuò)展具有較好的減緩作用；配以鋼絲網(wǎng)的鋼纖維砂漿對梁開裂荷載能提高2.7倍．

2)鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固的梁能提高梁的受彎承載力，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別是普通梁的104.9%和105.4%，但提高程度不多．

3)鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿能有效抑制鋼筋混凝土梁的裂縫開展，加固梁與普通梁相比，裂縫形態(tài)出現(xiàn)細(xì)而密的特點；同樣的荷載下，加固梁的撓度要小于普通鋼筋混凝土梁，說明鋼絲網(wǎng)鋼纖維砂漿加固層能有效增大梁的剛度，減小變形．

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