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

廖維張，張 偉，田志敏

(1.北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044; 2.中國人民解放軍61517部隊，北京 100044)

近年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役期間各種低速沖擊的事故頻發(fā)，造成了極大的危害和經(jīng)濟(jì)損失。如颶風(fēng)攜帶物的沖擊作用，車禍時汽車撞擊護(hù)欄或建筑物，爆炸事故的碎片沖擊等都屬于事故型低速沖擊[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者對鋼筋混凝土構(gòu)件的抗低速沖擊性能進(jìn)行了大量研究[2-9]，給出了沖擊作用下的破壞形態(tài)、構(gòu)件變形、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力應(yīng)變等變化規(guī)律，同時給出了相關(guān)的理論模型。

為提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，往往采取一些加固措施，現(xiàn)有的加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、粘纖維復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力加固法等。高強鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)是近年來在國內(nèi)外發(fā)展起來的新型加固技術(shù)。高強鋼絞線網(wǎng)作為受力鋼筋，提高原構(gòu)件的配筋量，以聚合物砂漿作為粘結(jié)劑和鋼絞線網(wǎng)保護(hù)層，利用其自身特點達(dá)到粘結(jié)良好、抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能。韓國漢城產(chǎn)業(yè)大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、湖南大學(xué)、清華大學(xué)等單位學(xué)者對此進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析，研究重點主要集中在靜力或地震荷載作用下的加固機(jī)理[10-16]。相關(guān)研究成果應(yīng)用到了中國美術(shù)館[17]，廈門中山南音宮[18]，鄭成功紀(jì)念館[19]等眾多公共建筑物的加固工程中。但該加固后混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能如何，目前相關(guān)研究較少。

為了深入了解高強鋼絞線-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能，本文對7根簡支鋼筋混凝土梁進(jìn)行落錘沖擊試驗研究，其中三根為普通梁，4根為加固梁，通過試驗數(shù)據(jù)的測量與分析，得到了一些高強鋼絞線-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁在落錘沖擊作用下的破壞形態(tài)、變形情況、裂縫開展情況，為該加固方法的應(yīng)用推廣提供了一定的試驗參考。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置及數(shù)據(jù)測量

沖擊試驗采用湖南大學(xué)土木工程學(xué)院的落錘沖擊試驗機(jī)，試驗裝置如圖1所示。梁兩端鉸支，兩支座的距離為2 400 mm。沖擊錘頭為平頭，直徑為200 mm。重錘從跨中沖擊梁，近似集中荷載，通過調(diào)整砝碼的個數(shù)和落錘的高度來改變沖擊能量。在鋼筋混凝土梁內(nèi)部縱筋的跨中及三分點預(yù)埋應(yīng)變片，鋼筋混凝土梁表面及加固梁表面同樣位置布置應(yīng)變片，用于觀測沖擊過程中內(nèi)部鋼筋及構(gòu)件表面的應(yīng)變變化及分布特點。同時，在試驗進(jìn)行中采用高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄。

圖1 試驗裝置圖

1.2 試件設(shè)計

(1) 試驗工況

為了分析不同沖擊能量下的加固效果以及高強鋼絞線配筋率對沖擊性能的影響，制定了以下7種沖擊試驗工況。

表1 試驗工況

(2) 試驗選用材料：

未加固梁選用強度等級為C30的混凝土，縱向鋼筋等級為HRB335級：受拉2φ25；受壓2φ18，箍筋等級為HRB335級：φ8@100，構(gòu)造詳見圖2(a)。

加固梁在未加固梁基礎(chǔ)上加固，內(nèi)部配筋與未加固梁相同，如圖2(a)；外加固層構(gòu)造為：6×7+IWS高強鋼絞線，公稱直徑3.2、4.0 mm，網(wǎng)片受拉主筋間距為30 mm，橫向套箍間距為40 mm，并在網(wǎng)片之間每隔120 mm布置錨固栓釘，再在表面粉刷30 mm厚的M50高性能砂漿(內(nèi)摻入聚丙烯纖維)，詳細(xì)配置如圖2(b)。

(3) 具體構(gòu)件制作：

未加固梁構(gòu)件尺寸：2 800 mm×200 mm×400 mm(l×b×h，凈跨2 400 mm),加固后梁的尺寸為：2 800 mm×260 mm×460 mm(l×b×h，凈跨2 400 mm)，詳見圖2。

圖2 構(gòu)件設(shè)計圖

(3) 試驗破壞模式分析：

由于梁具有橫向鋼筋，在低速沖擊下梁不會發(fā)生震塌和貫穿的局部破壞，只需考慮梁的整體運動，且本試驗沖擊錘頭為平頭沖擊體，消耗在局部破壞上的能量最小，其大部分能量都傳遞給梁的整體運動，整體破壞特征應(yīng)為彎剪破壞模式[1]。

2 試驗過程與分析

(1) 對B-1未加固梁采用質(zhì)量為253 kg的重錘從2 m高度進(jìn)行沖擊，沖擊能量為4 958.8 J。由于沖擊能量相對較小，梁整體沒有破壞，只有少許微裂縫出現(xiàn)，最大裂縫寬度0.4 mm，最終裂縫分布情況如圖3，梁回彈后保持很好的整體性，最終的跨中位移為零。

圖3 B-1梁受沖擊后裂縫分布圖

(2) 對B-2未加固梁和B-5加固梁采用近似相同的沖擊能量作對比沖擊試驗。B-2梁采用253 kg的重錘，從13 m高度下落，而B-5加固梁沖擊重量為383 kg，高度為8.6 m。圖4～圖7分別為B-2梁與B-5梁的裂縫發(fā)展過程及最終破壞形態(tài)。詳細(xì)對比情況見表2。

綜上可見，在此相同沖擊能量下，由最終的裂縫發(fā)展情況可知，鋼絞線網(wǎng)片與高性能砂漿共同作用，不僅提高了整體強度，更起到了很好的抗裂作用。通過對比跨中位移及最終破壞模式，說明該加固工藝對梁的整體抗沖擊性能大幅提高。

表2

圖4 B-2梁裂縫發(fā)展過程

(3) 對B-3未加固梁和B-7加固梁采用同樣質(zhì)量的落錘以及同樣高度進(jìn)行對比試驗，落錘都為383 kg，沖擊高度為4.3 m，以此來檢驗加固效果。同時此沖擊能量近似為B-2、 B-5梁的沖擊能量的一半，同樣可以對比不同沖擊能量下梁的性能變化。圖8～圖11分別為B-3梁 與B-7梁的裂縫發(fā)展過程和最終破壞形態(tài)。詳細(xì)對比情況見表3。

圖5 B-5梁裂縫發(fā)展過程

圖6 B-2梁最終破壞情況

圖7 B-5梁最終破壞情況

表3

通過以上對比可得出：在此相同沖擊能量下，由于鋼絞線網(wǎng)片的作用，在沖擊過程中消耗了大部分沖擊能量，加固梁具有更好的抗彎抗剪能力；高性能砂漿具有更高的抗壓強度及抗裂性，很好地保護(hù)了原梁的性能，減小了裂縫的發(fā)展。

圖8 B-3梁裂縫發(fā)展過程

圖9 B-7梁裂縫發(fā)展過程

圖10 B-3梁最終破壞形態(tài)

圖11 B-7梁最終破壞形態(tài)

(4) 為了對比鋼絞線配筋率的不同對梁抗沖擊性能的影響，選擇了具有相同鋼絞線設(shè)置，但鋼絞線直徑不同的兩根梁，其中B-8梁直徑為3.2 mm，B-6梁直徑為4 mm，兩根加固梁用近似相同的能量進(jìn)行沖擊試驗，所選沖擊能量近似為B-2梁的沖擊能量的1.5倍。圖12，圖13為兩根加固梁最終的破壞形態(tài)。且通過與B-2梁比較，雖然B-6，B-8梁沖擊能量近似為其1.5倍，但加固梁仍然保持了較好的整體性。詳細(xì)對比情況見表4。

綜上，在近似相同的沖擊能量下，由梁的整體破壞形態(tài)，鋼絞線拉斷情況，跨中位移可知，B-8梁破壞情況比B-6梁嚴(yán)重。因此，在橫縱向配置同樣根數(shù)的鋼絞線時，增加鋼絞線的直徑，也即提高鋼絞線的配筋率時，能適當(dāng)提高梁的整體抗沖擊性能。

表4

圖12 B-6梁最終破壞形態(tài)

圖14 B-6梁鋼絞線拉斷情況

圖15 B-8梁鋼絞線拉斷情況

3 結(jié) 論

通過對7根梁的沖擊試驗的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 未加固混凝土梁在沖擊荷載作用下出現(xiàn)典型45°斜剪破壞，當(dāng)沖擊能量相對較小時，只出現(xiàn)一層兩條對稱的主裂縫沿梁縱向發(fā)展并最終匯合成梯形裂縫，此時鋼筋未屈服，梁仍有較好的恢復(fù)能力，回彈后梁仍能保持較好的整體性；隨著沖擊能量的增加，可能會出現(xiàn)兩層對稱的梯形斜裂縫，此時梁頂沖擊區(qū)混凝土骨料基本被完全壓碎，跨中下部骨料也出現(xiàn)大面積剝落，梁喪失工作能力。

(2) 采用高強鋼絞線-高性能砂漿加固的鋼筋混凝土梁，四面圍套的鋼絞線網(wǎng)片不僅起到體外配筋的作用，而且對原構(gòu)件起到捆束作用，大大提高梁的抗彎剪能力及整體的延性。摻加聚丙烯纖維的高性能砂漿不僅提高了沖擊區(qū)的抗壓性能，且增加了梁整體的抗裂性能，減小了破壞性裂縫的發(fā)展。高強鋼絞線與高性能砂漿共同作用下，不僅大幅提高了梁的抗沖擊性能，且使梁受沖擊后的整體延性更好。

(3) 在橫縱向配置同樣根數(shù)的鋼絞線時，增加鋼絞線的直徑，也即提高梁整體鋼絞線配筋率時，能適當(dāng)提高梁的整體抗沖擊性能。實際工程中，可根據(jù)需要適當(dāng)選擇。

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