鋼筋鋼絲網(wǎng)砂漿加固RC梁的抗剪試驗(yàn)

孫延華，陳秋冬，熊光晶，劉金偉

（汕頭大學(xué) 土木工程系，廣東 汕頭 515063）

近年來，鋼筋網(wǎng)砂漿（SM）或鋼絲網(wǎng)砂漿（WM）加固混凝土構(gòu)件的研究與應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展［1－4］.由于鋼筋直徑遠(yuǎn)大于鋼絲直徑，故SM 加固可有效提高被加固構(gòu)件的承載力；而WM 的優(yōu)越配筋分散性可有效提高被加固構(gòu)件的延性，控制裂縫的發(fā)生與開展.Xiong等［5］提出了鋼筋鋼絲網(wǎng)砂漿（SWM）加固混凝土構(gòu)件的設(shè)想，并進(jìn)行了加固梁的抗彎試驗(yàn)研究，以期在大幅度提高被加固構(gòu)件承載力的同時(shí)，顯著提高其延性，并有效控制裂縫的發(fā)展.

為提高抗剪加固效率，本文采用SWM 加固鋼筋混凝土梁，并進(jìn)行抗剪試驗(yàn)研究，以期有效控制斜裂縫的發(fā)生與發(fā)展，提高斜裂縫兩側(cè)骨料的咬合效應(yīng)，從而有效提高加固梁的抗剪承載力.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

混凝土配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）＝1.00∶1.50∶2.41∶0.44，其實(shí)測28d立方體抗壓強(qiáng)度為38.8 MPa.外抹砂漿配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶2.0∶0.4，其實(shí)測28d立方體抗壓強(qiáng)度為25.7 MPa.鋼筋和市售鍍鋅鋼絲網(wǎng)（網(wǎng)絲間距11 mm）的材料特性見表1.

表1 鋼筋和鋼絲網(wǎng)的材料特性Table 1 Material properties of steel bar and wire mesh

1.2 試件制作與加固

澆筑鋼筋混凝土原梁構(gòu)件9 根，截面尺寸為180mm×300mm，梁長l＝1 800mm，凈跨度l0＝1 500mm.構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)如圖1所示，其橫截面如圖2（a）所示.其中，受拉鋼筋采用3根直徑25mm的鋼筋，體積配筋率為3.03%，受壓鋼筋采用2 根直徑18 mm 的鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm 的鋼筋，其間距為200mm.

圖1 原梁設(shè)計(jì)Fig.1 Sketch of control RC beam（size：mm）

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，取3根原梁進(jìn)行SM 加固（分別標(biāo)記為SM1，SM2 和SM3），另取3 根原梁進(jìn)行SWM 加固（分別標(biāo)記為SWM1，SWM2和SWM3），其余3根未經(jīng)加固處理的原梁作為對比梁（分別標(biāo)記為P1，P2和P3）.加固前先將原梁表面鑿毛并洗凈、風(fēng)干.為保證加固砂漿與原混凝土黏結(jié)牢固，壓抹砂漿前在鑿毛的原梁表面涂一道素水泥漿作為界面劑.對于SM 加固梁，將U 型加固鋼筋與梁澆筑時(shí)的預(yù)留鋼筋（實(shí)際工程需植筋）焊接形成鋼筋網(wǎng)，如圖2（b）所示.對于SWM 加固梁，需在鋼筋網(wǎng)外側(cè)再綁扎“L”型鋼絲網(wǎng)片，然后植入膨脹螺栓將鋼絲網(wǎng)固定于梁的側(cè)面，如圖2（c）所示.采用雙“L”型鋼絲網(wǎng)片，可避免鋼絲網(wǎng)在梁底及兩側(cè)的外鼓，保證施工質(zhì)量.在梁側(cè)面植入了膨脹螺栓，既能起到固定鋼絲網(wǎng)以免其起鼓導(dǎo)致凸凹不平的作用；又能作為防止加固層與原梁發(fā)生滑移的第2道防線.加固后壓抹砂漿，并繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90d.

圖2 各梁橫截面Fig.2 Cross sections of RC beams（size：mm）

1.3 試驗(yàn)加載與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)加載示意圖如圖3 所示，采用MTS電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行加載.試驗(yàn)前先進(jìn)行一次預(yù)加載試驗(yàn)（預(yù)加載至20kN 后卸載），檢測各儀器、采集系統(tǒng)是否工作正常.正式加載時(shí)，首先采用荷載控制加載，荷載超過100kN 后改為位移控制加載（0.003mm／s）.

圖3 加載與測點(diǎn)布置圖Fig.3 Loading and measuring points arrangement（size：mm）

通過預(yù)埋電阻應(yīng)變片（具體的測點(diǎn)布置如圖3所示）測量構(gòu)件受拉鋼筋、箍筋和加固鋼筋的應(yīng)變，通過位移計(jì)測量構(gòu)件跨中位移.上述數(shù)據(jù)均采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，自動采樣速度為1次／s.試驗(yàn)過程中，使用刻度放大鏡觀察裂縫的發(fā)生、走向及發(fā)展情況，并測定斜裂縫寬度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 開裂荷載與極限荷載

試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，其中ρsv表示原梁配箍率；ρss表示加固鋼筋配箍率；ρsw表示加固鋼絲網(wǎng)配箍率；Vcr表示構(gòu)件開裂荷載；Vum表示構(gòu)件實(shí)測抗剪承載力（即力傳感器輸出值）；V0.2，V0.5分 別表示斜裂縫寬度為0.20，0.50mm 時(shí)對應(yīng)的荷載；ˉV0.5表示斜裂縫寬度為0.50 mm 時(shí)對應(yīng)的荷載平均值；Vsm－c表示加固鋼筋網(wǎng)承受的剪力計(jì)算值；Vwm－c表示加固鋼絲網(wǎng)承受的剪力計(jì)算值.由表2 可見，SM 加固梁的裂縫抑制能力Vcr和實(shí)測抗剪承載力Vum相對于對比梁均有所提高.與SM 加固梁相比，SWM 加固梁的配箍率提高了25%，但平均開裂荷載比SM 加固梁提高了68%.這是因?yàn)殇摻z網(wǎng)具有良好的配筋分散性，導(dǎo)致SWM 加固梁中初始裂縫的出現(xiàn)時(shí)間被明顯推后.

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

為方便比較，將參照文獻(xiàn)［6－8］計(jì)算的破壞斜截面上的加固鋼筋網(wǎng)和鋼絲網(wǎng)的抗剪承載力Vsm－c和Vwm－c（假定斜截面上鋼筋和鋼絲均屈服）也列入表2.由表2 還可見，SWM 加固梁的計(jì)算抗剪承載力僅比SM 加固梁提高了33.31kN，而實(shí)測SWM 加固梁的平均抗剪承載力卻比SM 加固梁提高了105.11kN.這是因?yàn)殇摻z網(wǎng)優(yōu)越的配筋分散性抑制了斜裂縫的開展，從而增大了斜裂縫頂部混凝土的剩余截面高度，導(dǎo)致生成斜裂縫的數(shù)量較多、寬度較小，因而斜裂縫兩側(cè)的骨料間咬合作用增強(qiáng)；鋼絲網(wǎng)還延緩了混凝土沿縱筋的撕裂破壞，增強(qiáng)了縱筋的銷栓作用.

2.2 破壞過程

3種構(gòu)件的典型破壞過程與特征如下：

（1）P1對比梁：加載過程中彎剪區(qū)首先在梁底出現(xiàn)垂直于梁縱軸的受彎裂縫；繼續(xù)加載，受彎裂縫向上延伸，且傾角減小，逐漸形成4條斜裂縫；荷載進(jìn)一步增大，裂縫不斷伸展形成1條臨界斜裂縫；最終斜裂縫上端的混凝土在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下發(fā)生破壞，屬于典型的剪壓破壞（如圖4（a）所示）.

（2）SM1加固梁：隨著荷載的增加，在彎剪區(qū)相繼出現(xiàn)幾條微小的垂直裂縫，它們沿豎向延伸一小段后，接著斜向延伸成4條斜裂縫，而后形成1條貫穿的較寬的臨界斜裂縫，并不斷向加載點(diǎn)處發(fā)展，最終導(dǎo)致加載點(diǎn)處混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，屬于剪壓破壞（如圖4（b）所示）.

（3）SWM1加固梁：荷載加載至開裂荷載后，首先在梁底出現(xiàn)受拉垂直裂縫，裂縫自下向上延伸；繼續(xù)加載，裂縫走向發(fā)生傾斜，并轉(zhuǎn)化為6條彎剪斜裂縫，但裂縫擴(kuò)展緩慢；隨著裂縫寬度增大，幾條斜裂縫交匯在一起形成1條臨界斜裂縫；最后，與臨界斜裂縫相交的箍筋和鋼絲網(wǎng)達(dá)到屈服強(qiáng)度，剪壓區(qū)混凝土破壞，也屬于典型的剪壓破壞（如圖4（c）所示）.

SWM 加固梁在斜裂縫寬度為0.5mm 時(shí)對應(yīng)的荷載平均值分別是對比梁和SM 加固梁的2.01和1.21倍，顯示出鋼絲網(wǎng)良好的裂縫控制能力；SWM加固梁的實(shí)測抗剪承載力也因此顯著提高（見表2）.構(gòu)件SWM1的加固層被剝開后如圖4（d）所示，可見砂漿裂縫位置和走向與內(nèi)部混凝土裂縫位置和走向一致，說明加固層與芯梁共同受力，抗剪性能均良好.

2.3 荷載－撓度曲線

圖4 各梁破壞模式Fig.4 .Failure mode of different beam

圖5 荷載－跨中撓度曲線Fig.5 Load－deflection curves

圖5為各構(gòu)件的荷載－跨中撓度曲線.由圖5可見，在相同荷載水平下，相對于對比梁，各加固梁構(gòu)件的跨中撓度值均較小.圖5中加固梁構(gòu)件的曲線斜率都有不同程度的增大，可見其剛度都得到了不同程度的提高.從圖5還可知，各梁的荷載－跨中撓度曲線均呈“雙線性”，這表明無論是SM 加固方法，還是SWM 加固方法都不能改變原梁的脆性破壞模式.需要指出的是，由于RC 梁抗剪問題的復(fù)雜性，導(dǎo)致其抗剪承載力和跨中撓度值均有較大的離散性，這與其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)論相似［6，9］，因此圖5中各荷載－跨中撓度曲線相差較大.

3 加固梁抗剪承載力的計(jì)算

3.1 加固梁抗剪承載力的計(jì)算公式

加固梁截面和配筋率滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》最小截面尺寸和最小配箍率要求，加固梁剪跨比為2.8，其破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土梁相似，可以用靜力平衡法分析其抗剪承載力.假定加固砂漿層與原構(gòu)件混凝土黏結(jié)良好，界面間無滑移.計(jì)算時(shí)在原梁抗剪承載力的基礎(chǔ)上，增加加固鋼筋網(wǎng)、加固鋼絲網(wǎng)和加固砂漿層對加固梁抗剪承載力的貢獻(xiàn)［10－11］，并認(rèn)為鋼筋網(wǎng)和鋼絲網(wǎng)的作用機(jī)理與箍筋相同.

根據(jù)平衡條件，加固梁全截面抗剪承載力Vum－c計(jì)算公式為：

式中：Vu為原梁的抗剪承載力；Vm－c為加固砂漿承受的剪力.其中Vsm－c的計(jì)算參照卜良桃等［6］的研究，計(jì)算時(shí)不考慮水平加固鋼筋的作用，只考慮加固箍筋的貢獻(xiàn)：

式中：η1 為加固體與原梁之間的共同工作系數(shù)，對于U 型加固η1＝0.9；λ0為廣義剪跨比；fsm為加固鋼筋網(wǎng)的屈服強(qiáng)度；sm為加固鋼筋網(wǎng)的間距；Asm為同一截面上各肢加固箍筋的總面積；hom為加固后截面有效高度.

Vwm－c的計(jì)算只考慮垂直鋼絲的貢獻(xiàn)：

式中：fsw為加固鋼絲網(wǎng)的屈服強(qiáng)度；sw為加固鋼絲網(wǎng)的間距；Asw為同一截面上各肢加固鋼絲的總面積.

Vm－c的計(jì)算參考GB 50010—2010 規(guī)范的相關(guān)公式：

式中：λ 為剪跨比；ftm為加固砂漿抗拉強(qiáng)度；t為加固層厚度.

3.2 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

按式（1）～（4）計(jì)算的結(jié)果見表3.從表2可知，對比梁、SM 加固梁及SWM 加固梁平均實(shí)測抗剪承載力分別為349.97，397.86及502.97kN.可見，原梁采用鋼筋網(wǎng)加固后其平均實(shí)測抗剪承載力提高了47.89kN，該提高值與表3中鋼筋網(wǎng)加固項(xiàng)Vsm－c計(jì)算值很接近，表明了式（2）的合理性.從表3可知，SWM加固梁抗剪承載力計(jì)算值均低于實(shí)測值，這表明在SM 加固梁基礎(chǔ)上再采用鋼絲網(wǎng)砂漿加固后，加固梁的抗剪承載力的提高超越了鋼絲網(wǎng)和砂漿層的直接貢獻(xiàn).其原因已在2.1節(jié)討論，此處不再復(fù)述.

表3 加固梁抗剪承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Table 3 Comparison between theoretical and experimental values of shear capacity of the reinforced beems

4 SWM 加固梁斜裂縫寬度計(jì)算公式

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，參照文獻(xiàn)［12］給出SWM 加固梁斜裂縫寬度Wd，max－c的計(jì)算公式：

式中：V 為原梁實(shí)測抗剪承載力；Vc為加固梁斜向開裂時(shí)的荷載值；a為鋼絲網(wǎng)配筋分散影響系數(shù)，取a＝1.3；Asv，Ass分別為同一截面內(nèi)各肢原配箍筋、加固鋼筋的截面面積總和；Esv，Ess，Esw分別為原配箍筋、加固鋼筋和鋼絲網(wǎng)的彈性模量；As為被加固構(gòu)件原配箍筋間距s范圍內(nèi)的換算箍筋面積，按下式計(jì)算：

表4給出了加固梁斜裂縫寬度的理論計(jì)算值與實(shí)測值Wd，max.由表4 可看出，在正常使用狀態(tài)下，斜裂縫寬度的計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好.

表4 加固梁斜裂縫寬度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Table 4 Comparison between theoretical and experimental values of diagonal crack width

5 結(jié)論

（1）SWM 加固方法可以大幅度提高加固RC 梁的開裂荷載，在配箍率提高25%的前提下，開裂荷載比SM 加固提高了68%.

（2）SWM 加固可有效控制加固RC梁的斜裂縫寬度，在斜裂縫寬度達(dá)到0.5mm 時(shí)，SWM 加固RC梁對應(yīng)的荷載平均值為對比梁的2.01倍.

（3）采用給出的加固梁抗剪承載力和斜裂縫寬度公式所得的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

［1］VIDIVELLI B，JEYASEHAR C，SRIVIDYA P R.Repair and rehabilitation of reinforced concrete beams by ferrocement［J］.Journal of Ferrocement，2004，34（3）：410－415.

［2］NASSIF H H，NAJM H.Experimental and analytical investigation of ferrocement－concrete composite beams［J］.Cement and Concrete Composites，2004，26（7）：787－796.

［3］KONDRAIVENDHAN B，PRADHAN B.Effect of ferrocement confinement on behavior of concrete［J］.Construction and Building Materials，2009，23（3）：1218－1222.

［4］尚守平，羅杰，余德軍.高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC受剪梁的高溫性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26（5）：74－80.SHANG Shouping，LUO Jie，YU Dejun.Experimental study of high－temperature behavior of RC shear beam retrofitted with high－performance ferrocement laminate［J］.Journal of Building Structures，2005，26（5）：74－80.（in Chinese）

［5］XIONG G J，YE S，ZHU Z.Moment capacity and ductility of reinforced concrete beams strengthened with ferrocement including steel bars［J］.Advanced Science Letters，2011，4（8／9／10）：3249－3255.

［6］卜良桃，曾堅(jiān)，李為.鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC 梁抗剪試驗(yàn)研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，39（2）：7－11.BU Liangtao，ZENG Jian，LI Wei.Shear behavior of RC beams strengthened by steel fiber ferrocement mortar［J］.Journal of Hunan University：Natural Science，2012，39（2）：7－11.（in Chinese）

［7］劉沐宇，尹華泉，胡曙光.高強(qiáng)輕集料鋼筋混凝土梁抗剪承載力計(jì)算［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（3）：46－49.LIU Muyu，YIN Huaquan，HU Shuguang.Calculation of the shear resistance of the reinforced high－strength lightweight concrete beams［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology：Natural Science，2008，36（3）：46－49.（in Chinese）

［8］GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB 50010—2012 Code for design of concrete structures［S］.（in Chinese）

［9］黃華，劉伯權(quán)，賀拴海，等.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)加固RC梁抗剪剝離承載力計(jì)算［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2013，26（2）：102－109.HUANG Hua，LIU Boquan，HE Shuanhai，et al.Calculation of shear debonding capacity of RC beams strengthened with high strength steel wire mesh［J］.China Journal of Highway and Transport，2013，26（2）：102－109.（in Chinese）

［10］ARDUINI M.Parametric study of beams with externally bonded FRP reinforcement［J］.ACI Structure Journal，1997，94（5）：465－482.

［11］CHEN J F，TENG J G.Shear capacity of FRP strengthened RC beams：Fiber reinforced polymer rupture［J］.Journal of Structural Engineering，2003，129（5）：615－625.

［12］NIE Jianguo，CAI Chun S.Deflection of cracked RC beams under sustained loading［J］.Journal of Structural Engineer－ing，2000，126（6）：708－716.