復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

孫佳佳，楊 春

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000)

框架梁是典型的受彎構(gòu)件，在實(shí)際工程中，勘察設(shè)計(jì)施工失誤或自然災(zāi)害會造成建筑結(jié)構(gòu)承載力下降，此時(shí)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固就顯得很有必要［1-3］。目前我國常用的結(jié)構(gòu)加固方法有粘纖維復(fù)合材料加固法、粘鋼加固法、植筋加固法、置換混凝土加固法等，這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)［4-7］，與它們相比，復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固法施工工藝簡單，操作方便，且造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益高，有良好的加固效果。目前這項(xiàng)加固技術(shù)在國內(nèi)多用于裂縫的控制［8］，對加固構(gòu)件受彎承載力以及加固效果影響因素的研究卻很少。針對上述問題，本文對不同加固形式的梁進(jìn)行了抗彎承載力試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了7根矩形截面梁。其中用于一次受力的加固梁3根，用于二次受力的加固梁3根，未加固的對比梁1根。一次受力加固梁是指在澆筑完成并達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值以后未進(jìn)行受荷試驗(yàn)的情況下即對其進(jìn)行加固的梁，二次受力加固梁是指對澆筑完成梁進(jìn)行兩點(diǎn)集中力加載，達(dá)到其極限強(qiáng)度后卸載再進(jìn)行加固的梁。試驗(yàn)梁采用的是有明顯屈服臺階的熱軋鋼筋，其極限狀態(tài)標(biāo)志是受拉主筋達(dá)到屈服，跨中最大裂縫寬度達(dá)到1.5 mm或撓度達(dá)到1/50的跨度［9］。

框架梁的設(shè)計(jì)截面尺寸b×h=100 mm×200 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，框架梁凈垮Ln=1800 mm。加固鋼絲網(wǎng)為兩種不同規(guī)格的編織鋼絲網(wǎng)，規(guī)格a鋼絲直徑1.0 mm，網(wǎng)格4 mm×4 mm，面積配筋率為0.098%;規(guī)格 b鋼絲直徑1.3 mm，網(wǎng)格9 mm×9 mm，面積配筋率為0.074%。外抹砂漿強(qiáng)度有M40和M45兩種。單筋矩形梁截面尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 梁截面及配筋

采用圖2所示的鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)裝置進(jìn)行加載。采用單調(diào)分級加載機(jī)制，按力控制進(jìn)行加載，每級荷載增量為1.5 kN，每次加載后持荷15 min。在正式加載前，為檢查儀器儀表讀數(shù)是否正常以及減小儀器與構(gòu)件之間的空隙，需要預(yù)加載，預(yù)加載所用的荷載是分級荷載的前兩級［10－11］。鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)加載設(shè)備及等效加載簡圖如圖2所示。

圖2 加載設(shè)備及等效加載簡圖

1.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果

豎向兩點(diǎn)集中荷載作用下，試件分組及靜力試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由普通鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算方法易求得未加固梁理論開裂荷載Pcrk=7.03 kN，極限荷載Puk=33.1 kN。

表1 試件分組及靜力試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，各梁的極限荷載均有提高，普通鋼筋混凝土梁L1試驗(yàn)結(jié)果比理論值略高，這是因?yàn)楣街低茖?dǎo)基于理想的彈塑性模型，不考慮外界環(huán)境、尺寸效應(yīng)、加載速度及持續(xù)時(shí)間等因素的影響，而這些影響在試驗(yàn)過程中無法完全避免的。一次受力加固梁的極限承載力提高幅度分別為58.6%、60.4%和70.1%，二次受力加固梁的極限承載力提高幅度分別為59.5%、69.2%和79.2%，各加固梁極限荷載提高幅度比較穩(wěn)定，說明復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固法是一種有效可行的加固方法。各框架梁的開裂荷載亦均有提高，說明復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固可以有效約束裂縫的開展，但提高的幅度卻表現(xiàn)出較大的離散型，從6.7% ～113.4%不等，主要原因有：

(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的誤差。由于開裂荷載是用肉眼借助放大鏡根據(jù)第一條裂縫的出現(xiàn)來確定的，盡管是多人同時(shí)觀測，此部分誤差也難避免;

(2)開裂荷載理論值Pcrk較小，故ΔPcr/Pcrk表現(xiàn)較大離散性。

2 試驗(yàn)分析

2.1 復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固梁極限承載力

復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固梁極限承載力公式的推導(dǎo)基于以下假設(shè)［12］：

(1)平截面假設(shè)。構(gòu)件全截面保持平截面變形，即混凝土、鋼筋以及鋼絲網(wǎng)之間無相對滑移，它們的平均應(yīng)變符合線性變化。

(2)不考慮混凝土和砂漿的抗拉強(qiáng)度，即認(rèn)為全部拉力由受拉鋼筋和鋼絲網(wǎng)承擔(dān)。

(3)復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固層同原構(gòu)件之間可靠粘結(jié)，共同受力協(xié)調(diào)變形，不考慮剝離破壞。

(4)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線和鋼絲網(wǎng)應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示，圖中各符號和國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］中的規(guī)定一致。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

參考鋼筋混凝土單筋矩形截面梁正截面承載力計(jì)算公式，對受壓區(qū)混凝士合力點(diǎn)取矩，可推導(dǎo)出正截面極限抗彎承載力。其計(jì)算簡圖如圖4所示。

混凝土受壓區(qū)高度x按式(2)確定

混凝土受壓區(qū)高度x應(yīng)滿足：

式中：M—構(gòu)件加固后的彎矩設(shè)計(jì)值;fy—原構(gòu)件鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As—原構(gòu)件縱向受拉鋼筋截面積;fym—梁底鋼絲網(wǎng)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asm—梁底受拉鋼絲網(wǎng)截面面積;fc—原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b—原構(gòu)件截面寬度;h—原構(gòu)件截面高度;h1—加固后構(gòu)件的截面高度;h0—原構(gòu)件的截面有效高度;hm0—加固后構(gòu)件的截面有效高度;x—加固梁混凝土受壓區(qū)高度;t—梁底砂漿保護(hù)層厚度;ξb—縱向受拉鋼筋屈服與受壓區(qū)混凝土破壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的相對界限受壓區(qū)高度系數(shù)，取

圖4 計(jì)算簡圖

加固梁極限承載力公式值Pc與試驗(yàn)值Pu比較如表2所示。由表2可以看出，一次受力加固梁抗彎極限承載力試驗(yàn)值要略大于按式(1)～式(3)求得的理論值，也就是說該公式對一次受力梁具有一定的安全系數(shù);在常溫下對鋼筋冷拉，鋼筋內(nèi)部的金屬晶粒因畸變和位移變化會增大抗阻力，從而使鋼筋屈服強(qiáng)度提高，提高比例約為20%～35%［14］，復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固混凝土二次受力梁的第一次受力相當(dāng)于對受拉鋼筋進(jìn)行了冷拉，計(jì)算極限荷載時(shí)采用的鋼筋屈服強(qiáng)度也應(yīng)是提高以后的，即取

因此二次受力梁的試驗(yàn)值和公式值吻合較好。在實(shí)際工程應(yīng)用中，建筑在使用一定年限后或局部發(fā)生破壞的情況下才會考慮加固，一般不會對新建結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固，因此二次受力試驗(yàn)更接近構(gòu)件的實(shí)際受力狀態(tài)，所以該計(jì)算方法對工程有借鑒意義。

2.2 鋼絲網(wǎng)配筋率及砂漿強(qiáng)度的影響

由式(1)、式(2)可以看出，復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固梁的正截面抗彎極限承載力與鋼絲網(wǎng)配筋率呈正相關(guān)(鋼絲網(wǎng)配筋率在最大限值和最小限值之間取值時(shí))，由表1可以看出，梁底配鋼絲網(wǎng)b的構(gòu)件極限承載力略小于梁底配鋼絲網(wǎng)a的構(gòu)件，說明理論與試驗(yàn)吻合較好。

在上節(jié)理論分析時(shí)并不考慮砂漿的抗拉強(qiáng)度，因此砂漿的強(qiáng)度對梁極限承載力沒有影響，從表1可以看出外抹砂漿強(qiáng)度為M40的一次受力梁開裂荷載反而大于砂漿強(qiáng)度為M45的梁，說明并非砂漿強(qiáng)度越高加固梁越難開裂，因此工程中一味追求高強(qiáng)度砂漿的意義并不大，應(yīng)該采用抗裂性較好的復(fù)合砂漿。

表2 公式值Pc與試驗(yàn)值Pu比較

3 結(jié)論

根據(jù)上述對豎向兩點(diǎn)集中荷載作用下各框架梁開裂荷載、極限荷載的分析以及復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固混凝土梁極限承載力計(jì)算公式的推導(dǎo)，可得出如下結(jié)論：

(1)復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固能明顯提高梁的極限承載力。

(2)本文推導(dǎo)的復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)極限承載力公式應(yīng)用于二次受力加固構(gòu)件時(shí)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，該算法可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

(3)在一定范圍內(nèi)，鋼絲網(wǎng)配筋率越大，加固梁極限承載力提高幅度越大，即復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固效果越明顯。外抹砂漿的強(qiáng)度不影響加固梁的極限承載力，工程中應(yīng)采用抗裂性較好的復(fù)合砂漿而非高強(qiáng)砂漿。

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