鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固小偏壓RC柱中聚合物砂漿的作用分析

葛 超，曹忠民，高 淳

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固小偏壓RC柱中聚合物砂漿的作用分析

葛 超，曹忠民，高 淳

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固法作為目前一項(xiàng)嶄新的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，正越來越多地使用在混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中。在考慮和忽略聚合物砂漿的強(qiáng)度2種情況下，分別進(jìn)行了在該技術(shù)加固下的小偏心RC柱正截面極限承載力計(jì)算。結(jié)果顯示聚合物砂漿的強(qiáng)度在該加固中不可忽略，并歸納出影響聚合物砂漿強(qiáng)度對(duì)正截面承載力提高的因素，其中主要影響因素有偏心距，聚合物砂漿的厚度、強(qiáng)度，鋼絞線網(wǎng)間距、鋼絞線面積以及加固柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)；聚合物砂漿；結(jié)構(gòu)加固；RC柱；承載力

0 引言

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固法是一種新型加固技術(shù)[1]，該加固技術(shù)通過發(fā)揮鋼絞線高強(qiáng)度使混凝土處于約束狀態(tài)中從而提高其抗壓強(qiáng)度[2,3]；聚合物砂漿的強(qiáng)粘聚性使得鋼絞線網(wǎng)與加固構(gòu)件緊密結(jié)合保證了鋼絞線的約束效率；同時(shí)聚合物砂漿具有很高的抗壓強(qiáng)度，在正截面受力過程中自身的強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件正截面承載力提高同樣也發(fā)揮著作用。以上三者共同作用，達(dá)到加固結(jié)構(gòu)目的。通過對(duì)該項(xiàng)加固技術(shù)已有的研究成果所知，聚合物砂漿的強(qiáng)度對(duì)于正截面承載力的提高是不可忽略的，與忽略砂漿對(duì)于承載力提高的構(gòu)件相比，正截面的承載力可提高40%以上，所以在加固構(gòu)件設(shè)計(jì)與復(fù)核中必須考慮聚合物砂漿的強(qiáng)度。

1 鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固偏壓混凝土柱受力分析

把受壓區(qū)混凝土及聚合物砂漿曲線壓應(yīng)力圖用等效矩形圖來替代[4,5]，截面計(jì)算圖形如圖1所示。由力與力矩的平衡條件可得下面2個(gè)基本計(jì)算公式[6]：

圖1 柱截面應(yīng)力簡(jiǎn)圖

考慮聚合物砂漿強(qiáng)度：

(1)

(2)

忽略聚合物砂漿強(qiáng)度取t=0

式中：Nu為鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固偏壓鋼筋混凝土柱承載力；fm為聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度；t為聚合物砂漿層厚度；σs為遠(yuǎn)側(cè)鋼筋的應(yīng)力值；α1和β1為等效矩形應(yīng)力圖形的2個(gè)特征值，按混凝土規(guī)范取值；σw為鋼絞線的應(yīng)力值，當(dāng)柱全截面受壓時(shí)取σw=0，當(dāng)截面部分受拉時(shí)根據(jù)平截面假定，計(jì)算可得：

(3)

式中：Ew為鋼絞線彈性模量；Es為鋼筋彈性模量；εcu為受壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)變；e為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)的距離。

根據(jù)上式得出關(guān)于正截面受壓區(qū)高度x的二次方程為：

考慮聚合物砂漿強(qiáng)度時(shí)：

(4)

聯(lián)合式(3)得出加固柱正截面極限承載力大小；忽略聚合物砂漿強(qiáng)度時(shí)取t=0。

2 影響因素分析

2.1偏心距對(duì)聚合物砂漿提高正截面承載力的影響

偏壓柱介于軸心受壓和受彎構(gòu)件之間，理論分析采用C25混凝土；截面尺寸為：500 mm×500 mm；鋼絞線采用6×7+IWS型，鋼絞線面積為74.9 mm2(直徑為3.05 mm)，鋼絞線網(wǎng)間距為30 mm；聚合物砂漿厚度為25 mm，強(qiáng)度采用45 MPa。在偏心距因素分析中，計(jì)算時(shí)選取的偏心距范圍為0～500 mm，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可得，小偏心的受壓界限為0～235 mm，故而偏心距參數(shù)選取從0～235 mm，分別計(jì)算出考慮和忽略聚合物砂漿提高正截面承載力并作比較，繪制關(guān)系曲線。

圖2 正截面承載力-偏心率影響曲線

圖3 正截面承載力相對(duì)提高程度-偏心率影響曲線

鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固柱大小偏心破壞形態(tài)與破壞界限皆與普通RC柱類似，小偏心破壞(受壓破壞)是源于受壓區(qū)混凝土達(dá)到了極限抗壓強(qiáng)度，混凝土壓碎。鋼絞線網(wǎng)的加固機(jī)理主要是將混凝土處于約束狀態(tài)之中，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，從而提高其承載力。

圖2中曲線分別為考慮和忽略聚合物砂漿強(qiáng)度的加固柱正截面承載力隨偏心率的變化曲線，從曲線走勢(shì)可以看出：2條曲線隨著偏心率的增長(zhǎng)，加固柱正截面承載力逐漸降低，并且兩者承載力大小有逐漸靠近的趨勢(shì)。原因在于：偏心距的增加減弱了橫向鋼絞線對(duì)混凝土的橫向約束作用，從而降低了約束混凝土的抗壓強(qiáng)度，柱正截面承載力也就自然降低。

圖3中的曲線為聚合物砂漿強(qiáng)度的柱正截面承載力與忽略聚合物砂漿強(qiáng)度的柱正截面承載力比值隨偏心率變化曲線。承載力相對(duì)提高程度隨偏心距的增加先升后降，并在偏心率處于0.1時(shí)，承載力相對(duì)提高程度達(dá)到最大值。

2.2聚合物砂漿的厚度、強(qiáng)度對(duì)正截面承載力的影響

理論分析選取的鋼絞線參數(shù)為：橫向鋼絞線間距為30 mm，鋼絞線面積為74.9 mm2(直徑為3.05 mm)；偏心距為：30 mm(偏心距參數(shù)分析可知在30 mm附近處，砂漿對(duì)正截面承載力提高程度最大)。

表1 聚合物砂漿影響因素分析

從表1數(shù)據(jù)分析可得：聚合物砂漿對(duì)小偏心柱正截面承載力的提高是不容忽視的，其中包括砂漿的強(qiáng)度和厚度2個(gè)影響因素。隨著砂漿的強(qiáng)度、厚度的增加，砂漿對(duì)于正截面承載力的相對(duì)提高程度逐漸提高。聚合物砂漿在高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固機(jī)理中主要作用是：聚合物砂漿高效的滲透性將加固構(gòu)件與鋼絞線緊密結(jié)合，協(xié)同受力，充分發(fā)揮鋼絞線對(duì)混凝土的約束作用，提高約束區(qū)核心混凝土的抗壓強(qiáng)度。聚合物砂漿的強(qiáng)度性能一般在正截面承載力計(jì)算中易被忽略，本文中的分析得出結(jié)論，聚合物砂漿的強(qiáng)度對(duì)承載力提高具有一定程度的提高，不可忽略。

2.3鋼絞線網(wǎng)間距、鋼絞線面積對(duì)聚合物砂漿提高正截面承載力的影響

理論分析選取的鋼絞線參數(shù)：鋼絞線面積為74.9 mm2(直徑為3.05 mm)和104.4 mm2(直徑為3.60 mm)；聚合物砂漿參數(shù)為：砂漿厚度為25 mm，砂漿強(qiáng)度為45 MPa；偏心距為30 mm(偏心距參數(shù)分析可知在30 mm附近處，砂漿對(duì)正截面承載力提高程度最大)。

圖4 正截面承載力-橫向鋼絞線間距曲線(鋼絞線面積74.9 mm2)

圖5 正截面承載力-橫向鋼絞線間距曲線(鋼絞線面積104.4 mm2)

圖4、圖5的曲線分別為鋼絞線面積74.9 mm2(直徑3.05 mm)和104.4 mm2(直徑3.60 mm)，考慮聚合物砂漿強(qiáng)度和忽略砂漿強(qiáng)度對(duì)柱正截面承載力隨橫向鋼絞線間距的變化曲線，2圖中曲線的變化趨勢(shì)基本一致。從圖4、圖5中的曲線比較，圖5中承載力都比圖4中大，原因是橫向鋼絞線的直徑越大，對(duì)混凝土的約束作用越是顯著，從而柱正截面的承載力也就越大。

圖4和圖5中的曲線當(dāng)橫向鋼絞線間距變大時(shí)，承載力也逐漸降低，間距在1～10 mm時(shí)，承載力下降地十分迅速，當(dāng)間距大于10 mm時(shí)，承載力的下降基本趨于平穩(wěn)，2條曲線大致平行。

圖6 正截面承載力相對(duì)提高程度-橫向鋼絞線間距曲線

圖6中曲線分別為選用鋼絞線面積為74.9 mm2(直徑為3.05 mm)和104.4 mm2(直徑為3.60 mm)橫向鋼絞線加固柱，正截面承載力相對(duì)提高程度隨橫向鋼絞線間距的變化曲線。2條曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致，隨著鋼絞線網(wǎng)間距的增加，降低了鋼絞線對(duì)混凝土的約束作用，從而使得聚合物砂漿的強(qiáng)度對(duì)于承載力的提高就得以提升。

2.4加固柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)聚合物砂漿提高正截面承載力的影響

理論分析選取的鋼絞線參數(shù)：鋼絞線面積為74.9 mm2(直徑為3.05 mm)；聚合物砂漿參數(shù)為：砂漿厚度為25 mm，砂漿強(qiáng)度為45 MPa；偏心距為：30 mm(偏心距參數(shù)分析可知在30 mm附近處，砂漿對(duì)正截面承載力提高程度最大)。

表2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)因素影響分析

表2列出了4種強(qiáng)度等級(jí)小偏心柱加固下的分別考慮和忽略聚合物砂漿強(qiáng)度的正截面承載力以及提高程度。由表2中數(shù)據(jù)可以得出：隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，不論是否考慮了砂漿強(qiáng)度的柱，正截面承載力都有所提高；并且隨著柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的提高，聚合物砂漿對(duì)于正截面承載力的相對(duì)提高程度逐漸降低。原因在于，混凝土的抗壓強(qiáng)度越高，聚合物砂漿的強(qiáng)度對(duì)于承載力的貢獻(xiàn)同時(shí)被削弱，故而相對(duì)提高程度在降低，但從表2中所示數(shù)據(jù)顯示降低的程度不大。

2.5主要影響因素分析

綜合以上幾點(diǎn)因素分析可得，偏心距與聚合物砂漿厚度、強(qiáng)度為影響聚合物砂漿提高柱正截面承載力的主要因素。在選定了常規(guī)的加固方式與加固材料的情況下，考慮了砂漿強(qiáng)度的加固柱比忽略時(shí)的加固柱正截面極限承載力提高了40%以上，這可作為一般工程運(yùn)用中的一項(xiàng)指標(biāo)。

3 結(jié)束語

(1)在鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固中，聚合物砂漿對(duì)承載力的提高不可被忽略，通過理論分析，在選定一般加固參數(shù)情況下，考慮了聚合物砂漿強(qiáng)度的柱正截面極限承載力比忽略砂漿強(qiáng)度極限承載力提高了44.2%，這說明聚合物砂漿在加固中不僅發(fā)揮了其強(qiáng)粘結(jié)性、滲透性，其高強(qiáng)抗壓強(qiáng)度對(duì)于截面承載力的提高也是不可忽略的。

(2)影響聚合物砂漿對(duì)承載力相對(duì)提高程度的因素主要有：偏心距、聚合物砂漿厚度、強(qiáng)度、鋼絞線網(wǎng)間距、鋼絞線面積、混凝土強(qiáng)度等級(jí)。在小偏心破壞范圍內(nèi)，隨著偏心距的增加，砂漿對(duì)承載力的相對(duì)提高程度先升高到最大值繼而下降；聚合物砂漿厚度增加、聚合物砂漿強(qiáng)度加大也促進(jìn)著砂漿對(duì)承載力的相對(duì)提高程度；鋼絞線網(wǎng)間距的增加，降低了鋼絞線對(duì)混凝土的約束作用，從而聚合物砂漿的強(qiáng)度對(duì)于正截面承載力的相對(duì)提高程度就得以提升；混凝土的強(qiáng)度等級(jí)也影響砂漿對(duì)承載力的相對(duì)提高，強(qiáng)度等級(jí)越高，砂漿對(duì)于承載力的貢獻(xiàn)隨之降低，但下降地不顯著。

(3)綜合以上影響因素分析，該技術(shù)加固下的偏心柱，在選定了一般常規(guī)的加固方式和加固材料的情況下，考慮了砂漿強(qiáng)度的極限承載力比忽略的可提高40%左右，可作為工程運(yùn)用的參考依據(jù)。

[1] 曹忠民,李愛群,王亞勇.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2007,(6):415-418.

[2]王嘉琪.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿約束混凝土柱受力性能研究[D].南昌:華東交通大學(xué),2012.

[3]潘曉峰.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固小偏心受壓混凝土柱的試驗(yàn)研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2007.

[4]劉偉慶,潘曉峰,王曙光.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固小偏心受壓混凝土柱的極限承載力分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,(1):1-6.

[5]張立峰,姚秋來,程紹革,等.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固偏壓柱的試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2007,(S1):146-152.

[6]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

AnalysisoftheEffectofPolymerMortarintheRCColumnsStrenghenedbyWireMeshandPolymerMortaronSmallEccentricLoading

GE Chao,CAO Zhong-min,GAO Chun

(College of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Jiangxi Nanchang 330013 PRC)

The composite cover combined with high strength wire mesh and polymer mortar is a new strengtheing technique and the technology is being used in the reinforced concrete structure engineering increasingly.Calculate the bearing capacity of the eccentrically loaded RC columns by the new technique under two conditions which considering and neglecting the polymer mortar strength.The results shows that the polymer mortar strength can not be ignored in the reinforcement and summarise the factors.Following are the main influencing factors:eccentricity,thickness and strength of polymer mortar,spacing of the wire mesh and area of steel wire,strength grade of concrete.

Strengh wire cable mesh,Polymer mortar,Structural reinforcement,Reinforced concrete columns,Bearing capacity

2013-12-04;

2014-01-03

葛 超(1990-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加固與鑒定改造。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51368019)。

1001-3679(2014)01-0078-05

TU746.3

A