鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁抗剪試驗研究

摘要：通過對2根對比梁和4根加固的鋼筋混凝土梁的抗剪試驗，研究不同剪跨比和不同受力方式下的RC梁采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固后的抗剪性能。主要分析了各組對比梁及加固試驗梁的破壞形態(tài)，斜裂縫、撓度、應(yīng)變的變化規(guī)律。依據(jù)實(shí)驗結(jié)果，提出了鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC 梁的抗剪承載力計算公式， 計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，可為實(shí)際加固工程設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：鋼纖維水泥砂漿；鋼筋混凝土梁；抗剪；加固

中圖分類號：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Shear behavior of RC beams strengthened by steel fiber ferrocement mortar

BU Liang-tao，Li#8224;， Wei，Zeng Jian

(Civil Engineering College，Hunan University，Changsha，Hunan410082，China )

Abstract: Experimental research on shear test behavior of the different shear -span ratio and different stress modes is carried out through experimental researches of two general beams and four RC beams strengthened with steel fiber ferrocement mortar. Regulation for change of mode of failure， diagonal cracks， deflection and strain have been analyzed in the experiment. According to the test results， the computational formula of the shear load capacity of RC beams strengthened with the steel fiber ferrocement mortar is established. The calculated results fit well with the experimental results， to provide a theoretical reference for actual engineering designs.

Key words: steel fiber ferrocement mortar; reinforced concrete beams; shear behavior;strengthening

隨著我國對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷投入和房地產(chǎn)市場的持續(xù)發(fā)展，各類構(gòu)筑物、建筑物越來越多，建筑結(jié)構(gòu)加固已經(jīng)成為建筑行業(yè)中越來越重要的一個分支，因而對建筑結(jié)構(gòu)加固材料、加固方法以及施工工藝的研究也日益凸現(xiàn)出其重要意義。鋼纖維水泥砂漿加固法是在混凝土構(gòu)件表面綁扎鋼筋網(wǎng)，用鋼纖維水泥砂漿作為保護(hù)和錨固材料，使其共同工作，以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固法在國外已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用[1]。采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固混凝土結(jié)構(gòu)比其他加固方法更具有優(yōu)勢。鋼纖維水泥砂漿是無機(jī)膠凝材料，與混凝土的材性十分接近，有很好的協(xié)調(diào)性和滲透性，另外有很好的耐火性能、耐腐蝕性能及耐久性能，且適用面廣，基本不增加原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量和截面尺寸。國內(nèi)外學(xué)者[2]~[5]在這一加固領(lǐng)域開展了廣泛的試驗研究與理論探索。

為了使鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固法能在土木工程領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固法的抗剪性能，取得了一批有價值的成果。

引言部分.

1試驗方案

1.1試驗梁設(shè)計

本次試驗共制作了6根試件，其中B1、B2為不加固的試驗對比梁，B3、B5為一次受力的試驗梁，B4、B6為二次受力的試驗梁。試驗梁截面尺寸為150mm×300mm，跨度為3200mm，兩端外伸長度為100mm，凈跨為3000mm，混凝土強(qiáng)度設(shè)計值為C30，梁底鋼筋為4 22，梁頂鋼筋為2 20，箍筋為 6@150，試驗梁模板配筋圖及加固方式如圖1所示。

鋼纖維水泥砂漿的組成為p.o.42.5普通硅酸鹽水泥、中砂、鋼纖維和水，配合比為水泥：砂：水為1：1.9：0.45，配合比參見文獻(xiàn)[6]，試驗梁基本參數(shù)如表1所示。試驗梁加固方法為加固箍筋在集中力最大的區(qū)域四面加固，加固長度為支座至集中力處并向遠(yuǎn)端支座延長200mm，非集中力處采用三面加固。加固鋼筋梁側(cè)為 6@100×100，梁底為4 6，四面加固區(qū)域梁頂鋼筋為3 6。

Fig.1 Geometric Details， Strengthening; Configuation of(mm)

Table 1Detail of Test Beam

試件

注：fcu表示原梁混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(N/mm2)；fyv表示原梁箍筋實(shí)測屈服強(qiáng)度(N/mm2)；fm表示鋼纖維砂漿立方體抗壓強(qiáng)度(N/mm2)；fsm表示加固鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度(N/mm2)。

1.2加載方案與測試內(nèi)容

本次試驗采用的加載裝置為杠桿，加載砝碼為混凝土試塊，杠桿放大系數(shù)為5.2倍，試驗時將混凝土試塊放入吊籃中。試驗采用分級加載，對比梁直接分級加載至構(gòu)件屈服破壞；二次受力試驗梁首先加載至預(yù)定比例，在保持荷載不變的情況下對原梁進(jìn)行加固及養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行二次加載直至加固梁屈服破壞。

試驗過程中通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀量測原梁鋼筋、原梁箍筋、加固鋼筋網(wǎng)、混凝土和加固砂漿的應(yīng)變值；使用百分表量測每級荷載下的集中力作用點(diǎn)、跨中及支座撓度；使用裂縫刻度放大鏡觀察裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展情況，裂縫垂直高度以及裂縫最大寬度值。

2試驗結(jié)果及分析

2.1試驗結(jié)果

試驗梁根據(jù)剪跨比的不同分為兩組，試驗梁B1、B3和B4剪跨比為1.6，試驗梁B2、B5和B6剪跨比為2.0。所有試驗梁均加載到承載力極限狀態(tài)，試驗結(jié)果如表2所示，由表可知，與對比梁相比，加固梁的開裂荷載和抗剪承載力均有不同程度的提高，一次受力試驗梁的開裂荷載提高的幅度最小為28.86%，最大為29.20%，抗剪承載力提高幅度最小為45.50%，最大為52.48%；二次受力試驗梁抗剪承載力提高幅度最小為39.81%，最大為47.00%。由以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，抗剪承載力的提高幅度和剪跨比有關(guān)，剪跨比越大的構(gòu)件抗剪承載力提高幅度越大。

注：Pcr1表示開裂荷載試驗值；Pu表示極限荷載的試驗值；△Py 表示開裂荷載實(shí)驗值之差；△Pu 表示極限荷載的試驗值之差。

2.2典型破壞形態(tài)

對比試驗梁B1是典型的鋼筋混凝土梁斜壓破壞，破壞形態(tài)如所示。首先在靠近近端支座截面的構(gòu)件腹部出現(xiàn)若干條大體平行的斜裂縫，方向與集中力作用點(diǎn)和支座的連線近似平行，斜裂縫向兩端進(jìn)一步發(fā)展，試驗梁腹部被分割成幾個傾斜的柱體，隨著荷載的進(jìn)一步增加，試驗梁腹部的混凝土因主壓應(yīng)力的作用而破壞。試件B1、B3、B4均為斜壓破壞。破壞形態(tài)如（a）所示。

二次受力試驗梁B6是典型的鋼筋混凝土梁剪壓破壞。加載過程中首先出現(xiàn)受拉裂縫，裂縫自梁底出現(xiàn)，自下而上延伸。繼續(xù)加載梁腹中部出現(xiàn)幾條微細(xì)的斜裂縫，斜裂縫最大寬度為0.06mm。當(dāng)荷載增大到一定程度時，剪跨段內(nèi)某個受彎裂縫沿向上發(fā)展的方向首先發(fā)生傾斜，并轉(zhuǎn)化為彎剪裂縫，裂縫繼續(xù)延伸，形成臨界斜裂縫，斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，直到斜裂縫頂端的混凝土在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下被壓碎而破壞。試件B2、B5、B6均為剪壓破壞。（a）實(shí)驗梁斜壓破壞的典型破壞形態(tài)1

（b）實(shí)驗梁剪壓破壞的典型破壞形態(tài)2

Fig2Model damage Mode of Specimens

2.3斜裂縫分析

試驗過程中描繪了試件受力后裂縫的開展情況，從試驗可以看出，進(jìn)行抗剪加固后，斜裂縫寬度及裂縫間距變小，數(shù)量增多，開裂荷載大于相應(yīng)的對比梁，說明鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固使構(gòu)件具有良好的抗裂性能，具有良好的使用性能。從裂縫的開展情況可知，相同荷載水平下，加固梁的裂縫寬度一般小于對比梁，加固層很好的限制了斜裂縫的發(fā)展。在相同的裂縫寬度下，試驗梁承受的剪力值由大到小依次為：二次受力試驗梁、一次受力試驗梁、對比梁。荷載增加到一定水平，原梁箍筋和加固箍筋屈服后，斜裂縫的開展速度變大。

2.4撓度分析

試驗中測取了試件的荷載-撓度變化關(guān)系曲線，試驗結(jié)果如圖3所示，由試驗可以發(fā)現(xiàn)，加固構(gòu)件的截面剛度得到了不同程度的提高，加固梁在破壞時延性有一定的改善。

第一組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3（a）所示，第二組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3（b）所示。從圖中可以看出，在相同荷載作用下，加固梁的撓度相對于對比梁有所減小，曲線的斜率有所增大，因此試驗梁的截面剛度得到了提高。二次受力試驗梁在一次受力階段的曲線斜率和對比梁基本吻合，二次受力開始階段，加固梁的曲線斜率明顯增大。一次受力試驗梁進(jìn)行了加固，因此在受力的開始階段剛度就較對比梁和二次受力試驗梁的剛度大，相同荷載作用下?lián)隙绕。诩虞d后期的剛度與二次受力試驗梁接近。加固梁的最大撓度均大于相應(yīng)對比梁，說明與對比梁相比，加固梁破壞時延性有一定程度的提高，但與受彎破壞相比，受剪破壞呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。這是由于鋼纖維水泥砂漿延緩了斜裂縫的開展，構(gòu)件的剛度得到了提高。

（a）第一組試驗梁撓度的比較

（b）第二組試驗梁撓度的比較

2.5應(yīng)變分析

根據(jù)試驗的箍筋應(yīng)變數(shù)據(jù)，對斜裂縫與箍筋相交處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行初步分析。試驗測得的荷載-箍筋應(yīng)變曲線如圖4所示。

對比梁試驗結(jié)果如圖4（a）所示，從圖中可以看出，在斜裂縫未形成前，箍筋應(yīng)變幾乎為零，當(dāng)構(gòu)件有斜裂縫產(chǎn)生時，箍筋的應(yīng)力值會發(fā)生突變。說明試驗梁開裂前，構(gòu)件所承受的荷載基本由混凝土承擔(dān)，當(dāng)斜裂縫穿過箍筋后，箍筋開始承擔(dān)荷載。

一次受力試驗梁荷載-箍筋應(yīng)變曲線如圖4（b）所示。一次受力試驗梁，原梁箍筋與加固箍筋的應(yīng)變曲線變化趨勢基本一致，加固箍筋參與了原構(gòu)件的受力，分擔(dān)了部分荷載，說明加固效果良好，加固箍筋和原構(gòu)件能很好的共同工作。

二次受力試驗梁荷載-箍筋應(yīng)變曲線如圖4（c）所示。在受力開始階段，加固箍筋的荷載-箍筋應(yīng)變曲線與原梁箍筋基本吻合。構(gòu)件出現(xiàn)斜裂縫后，加固箍筋的應(yīng)變增長略微晚于原梁箍筋，因為二次受力加固梁在加固時已有一定應(yīng)力水平，后加固部分的應(yīng)力水平相對于被加固部分存在滯后現(xiàn)象，加載后期曲線變化趨于一致，有良好的協(xié)同工作能力。

（a）對比梁箍筋的應(yīng)變

（b）一次受力試驗梁箍筋的應(yīng)變

（c）二次受力試驗梁箍筋的應(yīng)變

Fig.4Load-Stirrup Strain Curves of Beams

加固箍筋從以下幾方面提高了梁的抗剪承載力：穿過裂縫的加固箍筋承受部分剪力；加固箍筋限制了斜裂縫的發(fā)展，使得更多的未開裂混凝土承擔(dān)壓應(yīng)力；加固箍筋的約束作用限制了斜裂縫在彈性范圍內(nèi)的張開程度，使得由骨料咬合力作用傳遞的剪力得以維持和增強(qiáng)。

3加固梁承載力計算公式

加固梁的破壞形態(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，采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固時，鋼筋網(wǎng)的作用機(jī)理可以認(rèn)為和箍筋相同。加固砂漿層、加固箍筋和加固水平腹筋對加固梁的抗剪承載力均有貢獻(xiàn)。為簡化計算，加固箍筋和加固水平腹筋的作用合為一項。

根據(jù)平衡條件，加固梁抗剪承載力計算公式為

（1）

式中：Vu為原梁的抗剪承載力[7]；Vsm為加固鋼筋網(wǎng)的抗剪承載力; Vf為鋼纖維水泥砂漿的抗剪承載力。

3.1二次受力影響系數(shù)

二次受力試驗梁在加固前已加載，且加固時維持荷載不變，原梁箍筋和混凝土的初始應(yīng)力在加固后保持不變，甚至因荷載的長期作用而有所增大，加固箍筋的應(yīng)力水平相對于原箍筋存在滯后現(xiàn)象，二次受力試驗梁的加固箍筋與一次受力試驗梁的應(yīng)力水平存在一定的差異。由表2試驗數(shù)據(jù)可知，二次受力試驗梁的抗剪承載力低于一次受力試驗梁。

通過以上分析，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，提出二次受力的影響系數(shù)計算公式為

（2）

式中：V0為一次受力時構(gòu)件承受的剪力；Vu為原梁的抗剪承載力。

3.2加固鋼筋項的計算公式

通常計算中不考慮水平加固鋼筋的作用，為了使工程實(shí)際中承載力的計算更為簡單，只考慮加固箍筋項的承載力，加固鋼筋的抗剪承載力記為Vsm，則加固鋼筋計算公式見下：

（3）

式中： sm為加固鋼筋網(wǎng)的間距；fsm為加固鋼筋的屈服強(qiáng)度；λ0為廣義剪跨比；Asm為同一截面上各肢加固鋼筋的面積；h0m為加固后截面有效高度，h0m=h0+t。

3.3 鋼纖維水泥砂漿項的計算公式

鋼纖維水泥砂漿在抵抗剪力作用時，有一定作用，為保持計算方法和現(xiàn)行規(guī)范保持一致，使公式的應(yīng)用較為簡便，參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010提出高性能復(fù)合砂漿層作用的計算公式為

（4）

式中：λ為剪跨比[8]；t為加固層厚度；ftm為鋼纖維水泥砂漿抗拉強(qiáng)度。

3.4 計算值與試驗值比較

計算值和試驗值及其比較結(jié)果見表3。從表中可知加固梁抗剪承載力計算值與試驗值吻合較好。

注：表中為加固鋼筋網(wǎng)的抗剪承載力; 為鋼纖維水泥砂漿的抗剪承載力；為加固梁抗剪承載力計算值； 為加固梁抗剪承載力試驗值。

4結(jié) 論

1）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁，可以在一定程度上提高構(gòu)件的抗剪極限承載力；

2）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固構(gòu)件，加固梁斜裂縫的發(fā)展要滯后于相應(yīng)的對比梁，相對于對比梁，加固梁的斜裂縫呈現(xiàn)出“細(xì)而密”的特點(diǎn)；

3）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁，可在一定程度上提高構(gòu)件的延性；

4）利用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)對RC梁進(jìn)行抗剪加固，加固箍筋和原箍筋的應(yīng)變增長能基本保持一致，說明加固箍筋和原構(gòu)件協(xié)同受力的性能較好。

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