高強鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固技術(shù)研究進展

胡曉佳　王銀輝　鄒毅松

摘 要：高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固作為一種新型的加固工藝，已被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固中。結(jié)合國內(nèi)外研究的最新成果，該文對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固研究的最新成果作出了評述，并對當(dāng)前的研究問題和未來的研究方向進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 鋼絞線網(wǎng) 聚合物砂漿 加固

中圖分類號：TV332.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0055-04

Abstract：As a new type of strengthening technique，high strength steel wire mesh and polymer mortar has been widely used in the strengthening of concrete structures.Based on the latest research results，in this paper，the latest research achievements of high strength steel wire mesh and polymer mortar are reviewed，and the current research problems and future research directions are summarized and prospected.

Key Words：Reinforced concrete structure；Steel wire mesh；Polymer mortar；Strengthening

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有強度高、耐久性好、成本相對較低等特點，是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。但由于工程結(jié)構(gòu)自身材料特點以及在設(shè)計、施工、使用中對結(jié)構(gòu)造成的不同程度的損傷，混凝土結(jié)構(gòu)維修加固繼結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造之后，成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。

高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固是一種將鋼絞線網(wǎng)作為體外配筋，用聚合物砂漿作為粘結(jié)材料和保護層，使加固層和加固構(gòu)件形成整體而共同工作，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力的一種新型加固方法。一般加固層厚度只有2～3 mm，施工方便，加固后對結(jié)構(gòu)自重增加少，不影響結(jié)構(gòu)外觀和凈空。高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固具有粘結(jié)性好、抗腐蝕、耐高溫等特性[1-2]。

高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固作為一項新型的加固技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量的研究工作。韓國學(xué)者金成勛[3-4]等對砂漿和鋼絞線網(wǎng)等加固材料性能進行了大量試驗。清華大學(xué)聶建國[2，5-7]等率先對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)做了初步試驗研究。東南大學(xué)黃華[8]等對加固層界面行為、粘結(jié)性能、剝離特性等進行了深入分析。該文從理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬3個方面對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固研究的最新進展進行了歸納，對當(dāng)前研究遇到的問題作了分析，并進行了展望。

1 理論分析

理論公式的推導(dǎo)是加固設(shè)計的重要依據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固理論計算公式的研究基于平截面假定，并且假設(shè)各材料間協(xié)同變形，不考慮材料之間的粘結(jié)。高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固理論的研究已經(jīng)較為成熟，所提出的計算公式與試驗結(jié)果也能較好地吻合。

2 加固試驗研究

高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿的加固試驗主要集中在對混凝土梁、板、柱的加固研究。研究的主要方向可分為以下幾類。

（1）抗彎性能研究；

（2）抗剪性能研究；

（3）加固界面粘結(jié)性能研究。

2.1 加固混凝土梁研究

林于東[11]等對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的6片RC梁和5片PRC梁進行了抗彎靜載試驗研究。試驗采用對混凝土梁底面和側(cè)面進行三面U型加固的方式，對不同初始損傷條件下梁的加固效果進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，該加固技術(shù)能有效提高加固梁的抗彎承載能力和抗彎剛度；構(gòu)件的初始損傷程度對加固梁的抗彎承載能力影響較小；三面U型加固能夠?qū)α后w形成較好的組合和套箍作用，能有效抑制裂縫的發(fā)展。

曾令宏[12]等通過等幅疲勞試驗對加固的混凝土梁進行了疲勞性能測試。試驗結(jié)果表明：加固后的混凝土梁疲勞性能得到有效提升，疲勞變形比未加固構(gòu)件有所減小，疲勞抗裂性能有較大提升。在試驗基礎(chǔ)上通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，推導(dǎo)了疲勞荷載作用下構(gòu)件的混凝土疲勞變形模量、疲勞剛度和正截面疲勞強度驗算公式。

聶建國[13]等通過對預(yù)應(yīng)力高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的RC梁進行抗彎試驗研究，試驗結(jié)果得出加固構(gòu)件整體工作性能良好，加固梁的抗彎剛度有一定程度地提高，加固對裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展具有良好的約束作用。并給出了預(yù)應(yīng)力高強不銹鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿加固的抗彎承載能力計算方法。

2.2 加固柱及其他結(jié)構(gòu)試驗研究

郭俊平[14]等對預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固混凝土柱進行了軸壓性能研究。試驗以鋼絞線網(wǎng)間距、預(yù)應(yīng)力水平為變量，研究了加固構(gòu)件不同變量條件下對加固效果的影響。并以Mander模型為基礎(chǔ)，考慮鋼絞線間距的影響，并結(jié)合加固柱的特點，建立了兩種應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€關(guān)系模型。理論模型與試驗結(jié)果吻合良好。

黃群賢[15]等進行了7個RC框架柱加固構(gòu)件以及2個對比構(gòu)件在水平低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗。研究了鋼絲繩配筋率、預(yù)應(yīng)力張拉水平、聚合物砂漿面層設(shè)置等變量對加固RC框架柱節(jié)點抗震性能的影響。

試驗結(jié)果表明加固構(gòu)件極限承載能力提高超過10%，加固構(gòu)件破壞形態(tài)發(fā)生改變，延性系數(shù)和耗能能力均有明顯提升。

郭彤[16]等對高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的混凝土薄壁箱梁縮尺試件進行了純彎加載試驗，檢驗了該加固技術(shù)在橋梁加固中的可行性。試驗利用分布式傳感器對不同荷載下鋼筋與混凝土的分布式應(yīng)變進行了測試，測得的應(yīng)變分布表明箱梁呈現(xiàn)明顯的剪力滯效應(yīng)。

張蔚[17]等對建筑磚墻使用高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿進行了加固。研究采用擬靜力試驗，對加固后的墻體進行低周反復(fù)荷載試驗，對加固前后構(gòu)件的滯回曲線、骨架曲線和剛度曲線進行了對比。結(jié)果表明，加固可以增強磚墻的整體性，有效提高建筑磚墻的抗震性能，但是對鋼絞線網(wǎng)材料的利用率較低，建議對墻體加固前要對勾縫進行補強，以提升加固效率。

廖維張[18]等分別對3根普通鋼筋混凝土梁和4根加固梁進行了落錘沖擊試驗，研究了高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固對混凝土梁抗沖擊性能的提升效果。試驗采用四面環(huán)包加固，使用質(zhì)量為253 kg的重錘對梁跨中位置施加沖擊荷載，對混凝土梁的承載力、破壞形態(tài)和裂縫發(fā)展過程進行了研究分析。結(jié)果顯示，該加固方法能有效提高混凝土梁的整體性能，梁的延性得到了改善，抗沖擊能力顯著提升。

2.3 界面行為研究

M.Matana[19]等對24組加固后的混凝土構(gòu)件做了直剪試驗，研究了聚合物砂漿加固層與混凝土界面的黏結(jié)錨固性能，主要考慮了混凝土表面粗糙程度和粘結(jié)長度對粘結(jié)性能的影響。

兩式中：為有效粘結(jié)長度；為最大應(yīng)變；為極限荷載；為鋼絞線配筋面積；為鋼絞線彈性模量；為應(yīng)變沿長度方向的變化率。

黃華[20]等分別通過正拉黏結(jié)強度試驗、剪切黏結(jié)強度試驗和界面剝離破壞試驗對聚合物砂漿與混凝土界面的黏結(jié)性能進行了研究，對黏結(jié)性能及其主要影響因素進作了深入分析。并提出了正拉黏結(jié)強度和剪切黏結(jié)強度的計算模型。

曹俊[21]等通過拉拔試驗，討論了鋼絞線在聚合物砂漿中的黏結(jié)錨固性能，并給出了常規(guī)鋼絞線的臨界錨固長度，建議設(shè)計錨固長度要大于100 mm。通過9根加固梁的黏結(jié)錨固試驗，對加固層與混凝土梁的黏結(jié)性能和黏結(jié)破壞形態(tài)作了分析，認為加固受彎構(gòu)件時，聚合物砂漿與混凝土的基本黏結(jié)錨固長度應(yīng)大于等于300 mm。

3 數(shù)值模擬

有限元軟件作為工程試驗的主要輔助手段，為高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固計算提供了強大的線性和非線性的計算幫助。對裂縫的發(fā)展規(guī)律、應(yīng)力分布等進行模擬，與試驗數(shù)據(jù)做對比驗算，為工程試驗提供數(shù)據(jù)參考。伴隨著加固材料本構(gòu)關(guān)系的完善、破壞準則的建立和界面模擬手段的不斷優(yōu)化，數(shù)值模擬為加固技術(shù)的研究與加固效果的預(yù)測提供了強有力的技術(shù)支持。

徐明剛[22]等利用ANSYS有限元分析軟件，數(shù)值分析了高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的混凝土梁的受剪性能。通過設(shè)置單元生死，模擬加固構(gòu)件的二次受力。分析結(jié)果表明：該模型能夠較好地模擬混凝土、鋼絞線等材料的應(yīng)力變化規(guī)律，對加固構(gòu)件的開裂荷載、極限荷載等數(shù)據(jù)進行了分析，與試驗結(jié)果相比，能較好地吻合。

黃華[23]等以粘鋼加固和FRP加固的粘結(jié)-滑移為研究基礎(chǔ)，并結(jié)合高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固剝離破壞特性，通過數(shù)值模擬對加固層的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型進行了推導(dǎo)。模擬結(jié)果顯示：應(yīng)力在加載端產(chǎn)生集中現(xiàn)象，且應(yīng)力值最大；在剝離破壞發(fā)生前，自由端產(chǎn)生滑移。研究得到了加固層剝離破壞的裂縫發(fā)展及分布規(guī)律，對加固層的粘結(jié)滑移特征進行了分析，認為加固層寬度對粘結(jié)性能影響不大，可以忽略。

卜良桃[24]等使用3D彈塑性單元模擬鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土梁，主要研究了不同配筋率、配箍特征值、混凝土梁高寬比對加固性能的影響。分析結(jié)果得出，配筋率較小的構(gòu)件加固后的承載能力提升幅度更高。通過等效假定，建立了加固梁的受彎承載力計算公式，且公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

4 結(jié)語

對鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究日益完善，特別是針對混凝土梁、板、柱加固的研究，在理論計算、加固方法和加固效果方面都有了顯著的成果。

鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域還有很大的發(fā)展和研究空間，也有一些加固理論和加固方法上的問題也有待討論和完善。該文認為可以在以下幾個方面作進一步的研究。

（1）對加固混凝土受壓柱的研究已經(jīng)有了一定進展，但對于橋墩、拱等尺寸較大受力較為復(fù)雜的受壓構(gòu)件的加固還缺乏系統(tǒng)地研究。應(yīng)著手開展對鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固在大尺寸、復(fù)雜受力狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的加固研究。

（2）國內(nèi)外針對加固界面的研究主要集中在討論粘結(jié)長度、界面粗糙度和界面構(gòu)造等因素的影響。建議對界面受力特性、界面剝離破壞特征等課題進行研究。

（3）針對加固構(gòu)件的耐久性能的研究相對缺乏。應(yīng)針對耐久性問題對鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固構(gòu)件在不同環(huán)境中的適用性能做進一步試驗，研究該加固技術(shù)的抗凍、抗腐蝕等耐久性能。

（4）對鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的數(shù)值模擬能較好地對構(gòu)件的承載能力和破壞特征進行預(yù)測，但在參數(shù)的選擇和關(guān)鍵節(jié)點的模擬上還存在一定局限性。應(yīng)建立合適的聚合物砂漿材料的本構(gòu)關(guān)系以及破壞準則。

參考文獻

[1] 曹忠民，李愛群，王亞勇.高強鋼絞線網(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] 聶建國，王寒冰，張?zhí)焐?，?高強不銹鋼絞線網(wǎng)-滲透性聚合砂漿抗彎加固的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005（2）：1-9.

[3] 金成勛，金成秀，劉成權(quán)，等.滲透性聚合砂漿（RC-A0401）的性能分析[R].韓國漢城產(chǎn)業(yè)大學(xué)，2001.

[4] 金成勛.不銹鋼絲網(wǎng)抗拉強度試驗結(jié)果[R].韓國漢城產(chǎn)業(yè)大學(xué)建設(shè)技術(shù)研究所，2000.

[5] 周孫基.高強不銹鋼絞線加固鋼筋混凝土板的研究[D]. 清華大學(xué)，2004.

[6] 陳亮.高強不銹鋼絞線網(wǎng)用于混凝土柱抗震加固的試驗研究[D].清華大學(xué)，2004.

[7] 胡新舒.高強鋼絞線加固鋼筋混凝土梁抗彎疲勞性能的試驗研究[D].清華大學(xué)，2004.

[8] 黃華.高強鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固鋼筋混凝土梁式橋試驗研究與機理分析[D].長安大學(xué)，2008.

[9] 邢國華，付國，劉伯權(quán).鋼絞線（絲）網(wǎng)-聚合砂漿加固鋼筋混凝土梁受彎性能研究[J].工程力學(xué)，2013（1）：359-364.

[10] 黃華，劉伯權(quán)，吳濤.高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固RC梁的端部剝離破壞研究[J].中國公路學(xué)報，2012（1）：101-106.

[11] 林于東，宗周紅，林秋峰.高強鋼絞線網(wǎng)—— 聚合物砂漿加固混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗彎性能試驗研究[J]. 工程力學(xué)，2012（9）：141-149.

[12] 曾令宏，尚守平，萬劍平，等.復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁靜力和疲勞性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008（1）：83-89.

[13] 聶建國，陶巍，張?zhí)焐?預(yù)應(yīng)力高強不銹鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿抗彎加固試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2007（8）：1-7.

[14] 郭俊平，鄧宗才，林勁松，等.預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固混凝土圓柱的軸壓性能[J].工程力學(xué)，2014（3）：129-137.

[15] 黃群賢，郭子雄，崔俊，等.預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固RC框架節(jié)點抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2015（6）：1-8.

[16] 郭彤，李愛群，姚秋來，等.鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土箱梁試驗[J].中國公路學(xué)報，2010（2）：36-42.

[17] 張蔚，李愛群，姚秋來，等.高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿抗震加固既有建筑磚墻體試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2009（4）：55-60.

[18] 廖維張，張偉，田志敏.高強鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁抗沖擊性能試驗研究[J].振動與沖擊，2014（12）：200-206.

[19] M.Matana.BOND PERFORMANCE OF STEEL REINFORCED POLYMER AND STEEL REINFORCED GROUT[J].Lokeswarappa Dharani，2005.

[20]黃華，劉伯權(quán)，劉衛(wèi)鐸.高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固層與RC結(jié)構(gòu)黏結(jié)面性能試驗[J].中國公路學(xué)報. 2009（3）：70-75.

[21] 曹俊.高強不銹鋼絞線網(wǎng)—聚合砂漿粘結(jié)錨固性能的試驗研究[D].清華大學(xué)，2004.

[22]徐明剛，傅傳國，邱洪興，等.高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固混凝土梁的非線性分析[J].工程抗震與加固改造，2008（2）：87-90.

[23]黃華，劉伯權(quán)，劉衛(wèi)鐸.高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固層粘結(jié)滑移[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（5）：71-75.

[24]卜良桃，王月紅，尚守平.復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固抗彎RC梁的非線性分析[J].工程力學(xué)，2006（9）：125-130.