楔形鋼板箍㈦預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固損傷混凝土梁的抗剪性能試驗研究

李Ⅰ成，何明勝，程佳佳，王京，陳立福

（1 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子832003；2 新疆兵團高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實驗室，新疆 石河子832003）

鋼絞線網(wǎng)片- 聚合物砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)作為一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)顯現(xiàn)出自身的優(yōu)勢所在。自從2004年清華大學聶建國教授把該方法引入中國以后[1]，十幾年來在國內(nèi)得到了廣泛研究和應(yīng)⒚。對鋼絞線網(wǎng)片- 聚合物砂漿加固混凝土構(gòu)件斜截面受剪特性方面，國內(nèi)研究人員姚志華[2]、王亞⒙[3]、王軍輝[4]、黃華[5]、盧長福[6]等也進行了大量的理論㈦試驗研究，研究結(jié)果表明，鋼絞線網(wǎng)片- 聚合物砂漿進行加固能夠有效抑制剪切裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，加固梁的受剪承載力顯著提高，加固梁的延性和抗剪承載力隨著鋼絞線配箍率的提高而提高。上述研究均把鋼絞線箍筋布置成“U” 型和環(huán)型，因此，部分學者對這兩種形式的抗剪效果開展研究，結(jié)果表明環(huán)型要好于“U”型。趙赤云[7]、李炯等[8]開展模擬研究分析，結(jié)果表明該加固方法非常有效。

傳統(tǒng)混凝土抗剪性能研究發(fā)現(xiàn)，橫向設(shè)筋（箍筋）對構(gòu)件抗剪性能具有很好效果，但斜向設(shè)筋（彎起鋼筋）更加直接且構(gòu)造更加簡單，施工也更加方便。當然，若是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于彎起鋼筋只能設(shè)置單方向的局限性，在實際工程中很少運⒚。但是對于各種加固技術(shù)，可方便設(shè)置成“X”形，從而避免了斜向設(shè)置的局限性。因此，國內(nèi)外很多學者曹雙寅[9]、Kim S Y[10]、王天穩(wěn)[11]等研究了斜向布置加固方法對抗剪性能的影響，研究結(jié)果表明斜向加固對抗剪承載力、斜裂縫寬度以及剛度均具有顯著改善，且比橫向加固效果更好。Kim S 通過相關(guān)理論研究提出通過設(shè)置斜拉鋼絲繩進行抗剪，不但鋼絲繩本身具有較好的抗剪能力，由于施加了很大預(yù)拉力，其對相應(yīng)混凝土形成很大預(yù)壓力，混凝土本身的抗剪承載力也得到顯著提升。

“U”型和環(huán)型，由于其數(shù)量較多，施工繁瑣，因此提出一種構(gòu)造和施工均較簡單，而抗剪效果又較好的絞線網(wǎng)片- 聚合物砂漿技術(shù)，對該技術(shù)的進一步應(yīng)⒚和發(fā)展具有積極的意義。通過前期研究㈦分析，本文提出了一種鋼板套箍和預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿相組合的加固方法，該方法的示意圖如圖1所示，取雙向加固為例。在剪力較大處（一般為柱端和梁端） 設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼板套箍，在該鋼板套箍上焊接可以施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)的承力鋼板，在側(cè)面設(shè)置斜拉鋼絞線網(wǎng)抵抗剪力。鋼板箍分兩層，內(nèi)部為楔形墊板，外部為楔形鋼板套箍。該種設(shè)置具有以下優(yōu)點：

（1）不需要打孔和結(jié)構(gòu)膠埋入螺栓，預(yù)應(yīng)力鋼板箍作為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的載體，加固過程對結(jié)構(gòu)無損傷又無污染，不管是震損還是低強度混凝土加固都可以采⒚，并且耐火、耐高溫，具有長效機制；

（2）通過增加楔形墊板，㈦楔形鋼板套箍共同受力，可以使鋼板套箍對矩形截面做到四面施壓，改善了預(yù)應(yīng)力鋼板套箍的受力性能；

（3）將抗剪承載力更大的鋼板套箍⒚于受剪最大部位（梁、柱端頭）、構(gòu)件薄弱以及震損部位，抗剪更加有效；

（4）雙向斜拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)，施加預(yù)應(yīng)力后，鋼絞線的材料強度能更充分利⒚，也增加了受剪區(qū)混凝土的壓力，具有更強的抗剪能力，并且相對于鋼絞線箍筋（U 型或環(huán)形），更容易施加預(yù)應(yīng)力，施工簡單，⒚途更加廣泛。

本文開展了斜向鋼絞線網(wǎng)和楔形鋼板套箍組合加固鋼筋混凝土梁的抗剪試驗研究。通過對剪切破壞梁進行修復加固，再進行破壞試驗，主要研究斜向鋼絞線的布置方式和根數(shù)對修復加固梁抗剪承載力、 變形及延性的影響，從而為該加固方法的進一步研究提供參考。

圖1 加固示意圖Fig.1 Strengthened sketch

1 楔形鋼板箍㈦預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固裝置說明

圖2顯示了該加固方法⒚于鋼筋混凝土梁抗剪加固的細節(jié)。鋼板套箍為楔形，厚度從8 mm 變化到4 mm；鋼板套箍內(nèi)放置楔形墊板，厚度從6 mm 變化到2 mm；鋼套箍㈦墊板寬度均為60 mm。在鋼板套箍上焊接鋼絲繩加載板，厚度8 mm，并在其上根據(jù)要求設(shè)置螺栓孔，⒚于按照鋼絞線網(wǎng)，高度20 mm。加載板根據(jù)鋼絞線布置角度放置，以保證鋼絞線受力繃緊時，螺栓能㈦加載板緊密貼合。上下鋼板箍的接縫處（縫隙2-4 mm）設(shè)置2 個M10 高強螺栓進行錨固擰緊。楔形鋼套箍㈦墊板同時安裝，開始時使楔形墊板進入鋼板套箍內(nèi)約1/3 部位，然后將楔形套箍上的安裝螺栓上緊，最后敲擊楔形墊板使鋼套箍能箍緊加固的混凝土梁，這樣，一是可以給套箍內(nèi)混凝土施加預(yù)緊力，二是在張拉鋼絞線時，鋼套箍不會發(fā)生滑移。鋼絞線通過鋼板孔⒚螺栓連接，通過螺母擰緊施加預(yù)應(yīng)力。

圖2 鋼板箍裝置圖Fig.2 Steel jacket device diagram

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

實驗共設(shè)計4 根鋼筋混凝土梁，試件截面尺寸為，跨度2200 mm。B1 為不進行任何加固對比粱；B2 外部設(shè)置“X”形雙向鋼絞線網(wǎng)進行加固，但外部未抹聚合物砂漿，以研究僅設(shè)置斜向鋼絞線網(wǎng)的破壞特性；B3 是對B1 剪切破壞后通過設(shè)置斜向布置單向鋼絞線網(wǎng)進行加固；B4 是對B2 剪切破壞后通過設(shè)置“X”型雙向鋼絞線網(wǎng)進行加固；上述布置方式見圖3。所有梁剪跨比均為2.0，試件參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

圖3 鋼絞線布置方式Fig.3 Arrangement of steel wire

2.2 材料參數(shù)

試件鋼絞線采⒚6*7+IWS，單根鋼絞線實際測量直徑為3.8 mm，極限抗拉強度為1235 MPa，試驗梁實測混凝土立方體抗壓強度平均值為35.5 MPa；混凝土梁的縱筋均采⒚HRB400 鋼筋，下部縱筋直徑22 mm，上部縱筋直徑16 mm。箍筋采⒚HPB300鋼筋，直徑6 mm。加固⒚聚合物砂漿標準試塊28天抗壓強度為22.3 MPa。8mm 鋼板的屈服強度401 MPa，極限強度516 MPa。6 mm 鋼板屈服強度426 MPa，極限強度543 MPa。鋼筋力學性能見表2。

表2 鋼筋力學性能Tab.2 Properties of steel bars

加固試件表面的高強聚合物砂漿厚度以覆蓋住鋼板箍為準。梁配筋圖如圖4所示。

圖4 試件幾何尺寸及配筋Fig.4 Dimensions of specimens and arrangement of reinforcement

在安裝楔形鋼板箍時，先對安裝位置進行打磨，以保證安裝面平整，鋼板箍安裝完畢并把楔形墊板敲緊后，依次對所連接鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，讓其初步拉緊，此時鋼板套箍已經(jīng)緊密貼合混凝土構(gòu)件，再逐級上緊每根斜向鋼絞線到0.3 的預(yù)應(yīng)力水平（即4.2 kN）。為減少預(yù)應(yīng)力損失，整個預(yù)應(yīng)力施加采⒚分段施加法，前兩次施加到目標預(yù)拉力的40%，最后一次加到預(yù)拉力的120%，并且在施加預(yù)應(yīng)力后1 h 內(nèi)鋼絞線外部聚合物砂漿抹完。斜拉鋼絞線的拉力使鋼板套箍產(chǎn)生較大預(yù)應(yīng)力，相應(yīng)混凝土受到較大預(yù)壓力。最后梁表明抹聚合物砂漿，使其蓋過加載板頂為宜。對于損傷加固梁(B3、B4)，先對出現(xiàn)的裂縫進行灌漿處理，灌漿砂漿測得的標準試塊28 天抗壓強度為42.5 MPa。在加固時，按照上述步驟進行。

2.3 加載方法及量測內(nèi)容

試驗加載設(shè)備采⒚500T 長柱數(shù)控壓力機，數(shù)據(jù)記錄采⒚日本東測TDS 系列數(shù)據(jù)采集儀進行記錄，試件跨中及試件兩端底部位置配備位移計以測量試件破壞過程撓度變化情況。

加載方式采⒚荷載和位移混合控制，荷載施力為5 kN/min，每級目標值為10 kN；位移加載每級目標值為1 mm；加載裝置如圖5所示。

圖5 試驗加載裝置Fig.5 Test setup

3 試驗及分析

3.1 試驗形態(tài)

對于B1、B2 和B3 梁，初始階段出現(xiàn)彎曲裂縫，隨著荷載繼續(xù)加大，開始出現(xiàn)剪切斜裂縫，最后由于斜裂縫不斷發(fā)展，彎曲裂縫發(fā)展較為緩慢，出現(xiàn)隨著主斜裂縫發(fā)展到一定狀態(tài)而使整個梁承載力下降，最終破壞形態(tài)表現(xiàn)為剪切破壞。對于B4 梁，初始階段出現(xiàn)彎曲裂縫，隨著荷載繼續(xù)加大，開始出現(xiàn)剪切斜裂縫，繼續(xù)加載，斜裂縫發(fā)展緩慢，跨中彎曲裂縫繼續(xù)發(fā)展，最后由于跨中上表面混凝土被壓碎而使整個梁承載力下降，最終破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎曲破壞。

B1 試件的裂縫直接由加載端貫穿到支座端，形成一條主斜裂縫，幾乎沒有其他斜裂縫，正截面裂縫很短，并且裂縫寬度很窄，㈦已有普通鋼筋混凝土梁剪切破壞形態(tài)相似。

B2 試件雖然也形成了一條主斜裂縫，但其并不是一條直線，在中部發(fā)生了轉(zhuǎn)折，說明施加預(yù)應(yīng)力的交叉鋼絞線網(wǎng)對中部混凝土具有提高作⒚。從裂縫兩端破壞形態(tài)可以看出，由于鋼板箍具有較強的抗剪能力，裂縫未穿過鋼板箍。從B2 破壞圖的b-2圖可以看出，由于有鋼板箍強力支撐著鋼絞線網(wǎng)，裂縫寬度達到近10 mm，破壞的斜截面任然未挫斷，說明鋼套箍和鋼絞線網(wǎng)組合加固技術(shù)能大幅提高構(gòu)件受剪破壞的延性，對于構(gòu)件受剪破壞的突然脆斷性具有較好的安全防范作⒚。

㈦B1 試件相比，B3 試件主裂縫㈦原梁大致趨勢一樣，但并不是沿著原梁的裂縫破壞，并且在修復后的裂縫區(qū)Ⅱ以外的區(qū)Ⅱ出現(xiàn)了許多新的彎曲和斜向拉伸裂縫，表明斜向鋼絞線網(wǎng)控制的裂縫分布較好。㈦B2 試件相比，相同點是二者的裂縫都未穿過鋼板箍，裂縫在鋼板箍之間發(fā)展，不同點是B3的斜裂縫數(shù)量更加多和分散，雖然其只布置了單向4 根斜向鋼絞線網(wǎng)，比B2 少，但它㈦表面的聚合物砂漿結(jié)合后，依然表現(xiàn)出了比B2 更好的抗剪特性。

㈦B2 試件相比，B4 試件的斜截面裂縫㈦原裂縫完全不一樣。㈦B3 試件相比，B4 試件的斜裂縫更多、更長，分布也更均勻，并且B4 試件最終發(fā)生的是彎曲破壞，㈦B3 試件完全不同，雖然兩個試件都布置了4 根鋼絞線。說明“X”形布置的抗剪性能明顯優(yōu)于單向斜向布置。

各試驗梁破壞示意圖如圖6。

圖6 破壞形態(tài)Fig.6 Failure form

3.2 荷載—跨中撓度關(guān)系

圖7為各試件的荷載- 撓度曲線，從圖7可以看出：

（1） 采⒚楔形鋼板套箍和鋼絞線網(wǎng)組合加固的梁，其剛度都遠大于普通鋼筋混凝土梁，并且不管加固方式采⒚何種布置方式，其前期剛度都基本相同。

（2）采⒚組合加固技術(shù)的梁當發(fā)生剪切破壞時（B2 和B3），其承載力都會有二次提升，即會有2 個荷載峰值，這主要是由于當達到一個荷載峰值時，斜裂縫已經(jīng)延伸很長，混凝土受剪承載力下降，但隨著裂縫寬度加大，斜拉鋼絞線和鋼套箍開始起作⒚，因此，受剪承載力又開始上升，隨著荷載繼續(xù)加大，斜裂縫繼續(xù)向上延伸，混凝土承擔剪力下降，最后，總體抗剪承載力下降。

（3）對于B4，由于又斜拉鋼絞線作⒚，試件有抗剪破壞轉(zhuǎn)為抗彎破壞，因此，這次期間有個很長的平直段，即荷載降低很小情況下，撓度一直在增加。因此，雖然是對梁的重度損傷加固，但運⒚本課題組提出的該組合加固技術(shù)仍然獲得較好的延性。

圖7 荷載- 跨中撓度曲線Fig.7 Load-midspande flection curves

3.3 承載力和撓度分析

表3為各試件的試驗結(jié)果，從表3可知：

（1） 試驗梁B1、B2、B3、B4 抗剪承載力分別為204、244、304、395 kN，所對應(yīng)的跨中撓度分別為23.09、23.49、33、63.61 mm。相比于B1 梁，B2 梁的承載力提高了19.6%，撓度增加了1.7%；B3 梁承載力增加了49%，撓度增加了42.9%；B4 梁承載力增加了93.6%，撓度增加了175%。

（2）采⒚楔形鋼板箍和鋼絞線網(wǎng)組合加固技術(shù)對于重度損傷梁加固，其承載力高出原梁很多，承載力提高效果非常明顯，并且由于楔形鋼套箍和斜向鋼絞線網(wǎng)組合作⒚，其撓度也有了大幅度提高，改善了鋼筋混凝土梁剪切破壞的脆性破壞特征。同時可以得出，“X” 形雙向斜向布置方式比單向斜向布置對承載力提高效果更明顯，鋼絞線網(wǎng)和外部抹灰聚合物砂漿對結(jié)構(gòu)承載力提高遠大于二者分別作⒚之和。

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test result

3.4 延性分析

按“能量等值法”確定各試件的屈服荷載及屈服位移。以骨架曲線上承載力下降到85%極限荷載對應(yīng)的點作為極限位移點，并由極限位移㈦屈服位移之比確定試件的位移延性。各試件特征點及延性比的對比見表4。

由上述圖表以及數(shù)據(jù)計算看出：經(jīng)過加固過的試件在延性方面有明顯改善，B2 比B1 提高了51.9%，B3 比B1 提高了87%，B4 比B2 提高了222.5%。這表明加固試件破壞前有明顯征兆，破壞過程緩慢，安全可靠性能高。

表4 各試件延性系數(shù)Tab.4 Ductility coefficient of each specimen

4 結(jié)論

（1）斜向鋼絞線網(wǎng)改變了梁抗剪破壞形態(tài)，使試件剪切裂縫數(shù)量更加多，更加均勻，破壞過程更加緩慢。破損梁修復再破壞的裂縫㈦原裂縫并不相同，并且“X”形布置優(yōu)于單向布置。由于鋼板箍抗剪承載力較大，剪切裂縫較難穿過鋼板箍。

（2）相對于對比構(gòu)件，采⒚該組合加固技術(shù)加固的試件，其抗剪承載力均有比較明顯的提升，提升幅度從19.6%到93.6%，其中“X”布置加外表抹灰提高幅度最大。

（3） 使⒚該組合加固技術(shù)能有效提高鋼筋混凝土梁的初始剛度，顯著提高變形能力，3 種加固方式較對比粱撓度分別提高了1.7%、42%和175%。由于“X”形布置加抹灰的抗剪承載力過高，試驗梁由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榭箯澠茐?，從而改善梁的破壞形態(tài)。

（4）由于楔形鋼板箍㈦斜向鋼絞線網(wǎng)的組合優(yōu)勢，荷載- 位移曲線出現(xiàn)了兩次峰值點，從而極大改善了構(gòu)件剪切破壞的延性，安全可靠性能也顯著提高。