聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固RC結構試驗研究

楊山波 陳 欣（湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽413000）

一、引言

建筑主體中的鋼筋混凝土梁的加固對于提高建筑的整體質量和抗震性能具有重要意義。聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固方法中使用的聚合砂漿為無機材料，因此具有優良的耐久和耐火性能，同時鋼筋網具有較高的強度可以保證加固質量。為了對于這種新型加固方式下RC結構受彎性能設計計算提供科學依據，推廣其在加固領域中的應用，本文對聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固RC梁的受彎承載力、剛度和裂縫進行研究。

二、試驗設計及實驗過程簡介

(一) 實驗RC梁的設計

此次實驗設計使用RC梁試件7根進行對比試驗。其中RCBF-1為未作加固的對照試件，其余六根為使用聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固的試件。其中1至5號的配筋相同，受拉鋼筋均為4Φ12，6號和7號受拉鋼筋為5Φ12。實驗梁均采用C30混凝土。實驗梁截面尺寸均為200mm×300mm，長3200mm，凈跨3000mm，如圖1所示。其中2至5號梁為無端部錨固措施的加固梁，如圖1所示。6號和7號為有端部錨固措施的加固梁。其加固范圍及錨固方式如圖2所示。

試驗中RC梁試件的加固步驟是：首先對梁體的被加固面進行打磨對加固用鋼筋進行錨固。在噴涂界面劑后涂抹聚乙烯醇纖維水泥砂漿，然后進行養護。

圖1 無端部錨固措施的加固梁示意圖

圖2 有端部錨固措施的加固梁示意圖

表1 試件參數

(二) 實驗中的加載方式

此次試驗中取梁的三分點為實驗載荷加載點。為了使實驗數據和結果貼近實際、具有現實指導價值，因此在實驗中對于各實驗梁體采用了不同的加載方式。對于一號對比試件采用加載直至發生破壞到的加載方式。2、3號梁為一次加固實驗梁，在對實驗梁進行加固并完成養護與1號相同加載至試件破壞。4、5號梁為卸載二次受力實驗梁，試驗過程中先預加載至最大撓度達到跨度的1/300時卸載，然后對梁利用聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網進行加固和養護，然后重新進行試驗加載直至破壞。最后6、7號梁為不卸載加固的二次受力實驗梁，實驗方式為首先對梁進行加載至裂縫寬度在0.2左右，然后保持荷載的情況下進行加固和養護，養護完成繼續進行加載實驗直至破壞。

三、試驗結果及數據分析

加載實驗的實測特征荷載記錄如表2。其中Mcr表示實驗梁體開始開裂時的跨中彎矩值、My表示實驗梁的受拉縱筋開始屈服時的跨中彎矩實測值、Mu表示跨中極限彎矩實測值，αy、表示實驗梁的屈服承載力與1號梁的對應值的比值、αu表示實驗梁的極限承載力與1號梁的對應值的比值，M0.2、M0.3分別表示實驗梁在實驗過程中裂縫達到最大寬度時對應的跨中彎矩值，MLo/200表示跨中撓度為Lo/200時的跨中彎矩值。Δy、Δu分別表示對應鋼筋屈服和極限彎矩時的跨中撓度。

表2 主要試驗結果

從實驗結果看，I類加固實驗梁在實驗過程中的裂縫間距平均值約10mm，這一數值與1號對比梁相比明顯要小，聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固層裂縫的間距平均值約60mm，說明新型加固材料與實驗梁體有較好的粘結性。實驗過程中2號實驗梁的在加載后期才出現水平裂縫，直荷載達到124.9kN時，一根加固鋼筋才被拉斷。通過實驗發現加載對梁的破壞主要有兩種形式：一是在加固層與梁體剝離、脫落；二是加固層剝離時連帶下大塊梁體甚至露出梁體拉筋。這一現象也說明新型材料與原混凝土之間具有良好的粘結性。

Ⅱ類加固梁的實驗現象與I類加固實驗梁基本相同，4號梁在加載后期，跨中截面鋼筋被拉斷，實驗梁的梁端部加固層與梁體之間具有良好的粘結。

I類加固梁在進行加固后實際與截面較大的RC梁相當，由于I類加固梁采用的是直接進行加載實驗，所以試驗曲線與普通RC梁一致。其荷載-撓度曲線可分為開裂前、帶裂縫工作階段、鋼筋屈服后三個階段：開裂前跨中撓度與荷載呈的直線斜率大于對比梁。隨由于截面開裂后造成的剛度降低，因此撓度增長較快。隨著鋼筋屈服現象的出現，曲線再次出現轉折，但是曲線得斜率依然很大。

Ⅱ類加固梁在加固前已經進行了加載實驗并且鋼筋已經接近屈服，所以在加載實驗的第一階段，截面剛度比對比梁的截面剛度要小，在加固層開裂前曲線的斜率小于對比梁。在第二和第三階段和I類加固梁曲線較為接近，都收到了比較良好和穩定的加固效果。

Ⅲ類加固梁主要實驗目的是裂縫控制，加固后試驗時沒有出現新的裂縫。加固后的剛度提高不如一次加固梁。

四、抗彎加固承載力計算

基于試驗結果實驗梁的截面應力分布可簡化為如圖3所示。AW表示加固層的縱向鋼筋的截面總面積；η1表示加固鋼筋的應力發揮系數；h＋δ表示加固鋼筋和RC梁上表面的距離。

由平衡條件可得：

圖3 梁截面應力分布圖

由于建筑施工中各種客觀條件的限制，完全卸載是不可能實現的。因此加固鋼筋強度很難達到設計值，所以我們有必要引入加固鋼筋與RC梁的共同工作系數η2對承載力公式進行修正。修正后的加固承載力公式可表示為：

式中，fW表示加固鋼筋的抗拉強度值；η1表示加固鋼筋的應力發揮系數。η2表示加固鋼筋與原梁共同工作系數。

五、受彎裂縫分析

（一）加固措施的影晌

前兩類加固梁可直接測量最大裂縫寬度；Ⅲ類加固梁由于存在應力滯后現象會導致加固砂漿和被加固梁的裂縫寬度不一致。采取加固措施可以提高梁的安全系數，在最大裂縫寬度相同的情況下加固梁的截面彎矩要更高一些，因此加固措施對于裂縫的發展起到了明顯的抑制作用。

（二）施工中最大裂縫寬度計算

（1）簡化計算

由實驗數據我們可以由下面公示進行加固梁最大裂縫寬度的粗略計算。

其中，Wmax表示梁在加固前計算的裂縫寬度最大值；α表示加固措施的形響系數。

（2）精確計算

把加固梁看作雙層配筋的普通鋼筋混凝土梁，計算公式如下

其中，c表示縱向受拉鋼筋到底邊的距離；d′表示鋼筋直徑，d′等于受拉鋼筋總面積／受拉鋼筋總周長；ρte表示加固后受拉鋼筋總面積／加固后截面面積的一半；Wm表示平均裂縫寬度。

表3 加固梁量大裂縫寬度實測值與理論值的比較

從表3可以看出，裂縫寬度的實測值和計算值比較接近，具有較好的吻合度。對前兩類類加固梁的最大裂縫寬度指的是加固層砂漿的最大裂縫寬度；對Ⅲ類加固梁則指加固層砂漿和被加固梁混凝土裂縫寬度的最大值。考慮到二次受力加固梁加固層最大裂縫寬度實測值遠小于計算值，所以上述方法計算的結果是能夠保證安全的。

六、結論

通過實驗可以得到聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固RC的整體性能良好。首先利用這一技術對RC梁進行抗彎加固可以明顯提高梁的剛度，其次加固以后可以對裂縫的產生和發展產生良好的限制。最后通過實驗可以得到這種加固技術能滿足二次受力加固的要求。最后本給出了承載力和最大裂縫寬度的計算公式并進行了實際驗證。

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