鋼筋鋼絲網砂漿加固RC梁的抗剪試驗

孫延華，陳秋冬，熊光晶，劉金偉

（汕頭大學 土木工程系，廣東 汕頭 515063）

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

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

1 試驗

1.1 試驗材料

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，其實測28d立方體抗壓強度為38.8 MPa.外抹砂漿配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶2.0∶0.4，其實測28d立方體抗壓強度為25.7 MPa.鋼筋和市售鍍鋅鋼絲網（網絲間距11 mm）的材料特性見表1.

表1 鋼筋和鋼絲網的材料特性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件9 根，截面尺寸為180mm×300mm，梁長l＝1 800mm，凈跨度l0＝1 500mm.構件的配筋設計如圖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 原梁設計Fig.1 Sketch of control RC beam（size：mm）

標準養護28d后，取3根原梁進行SM 加固（分別標記為SM1，SM2 和SM3），另取3 根原梁進行SWM 加固（分別標記為SWM1，SWM2和SWM3），其余3根未經加固處理的原梁作為對比梁（分別標記為P1，P2和P3）.加固前先將原梁表面鑿毛并洗凈、風干.為保證加固砂漿與原混凝土黏結牢固，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的預留鋼筋（實際工程需植筋）焊接形成鋼筋網，如圖2（b）所示.對于SWM 加固梁，需在鋼筋網外側再綁扎“L”型鋼絲網片，然后植入膨脹螺栓將鋼絲網固定于梁的側面，如圖2（c）所示.采用雙“L”型鋼絲網片，可避免鋼絲網在梁底及兩側的外鼓，保證施工質量.在梁側面植入了膨脹螺栓，既能起到固定鋼絲網以免其起鼓導致凸凹不平的作用；又能作為防止加固層與原梁發生滑移的第2道防線.加固后壓抹砂漿，并繼續標準養護90d.

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

1.3 試驗加載與數據采集

試驗加載示意圖如圖3 所示，采用MTS電液伺服加載系統進行加載.試驗前先進行一次預加載試驗（預加載至20kN 后卸載），檢測各儀器、采集系統是否工作正常.正式加載時，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 加載與測點布置圖Fig.3 Loading and measuring points arrangement（size：mm）

通過預埋電阻應變片（具體的測點布置如圖3所示）測量構件受拉鋼筋、箍筋和加固鋼筋的應變，通過位移計測量構件跨中位移.上述數據均采用IMP數據采集系統獲得，自動采樣速度為1次／s.試驗過程中，使用刻度放大鏡觀察裂縫的發生、走向及發展情況，并測定斜裂縫寬度值.

2 結果與討論

2.1 開裂荷載與極限荷載

試驗結果如表2 所示，其中ρsv表示原梁配箍率；ρss表示加固鋼筋配箍率；ρsw表示加固鋼絲網配箍率；Vcr表示構件開裂荷載；Vum表示構件實測抗剪承載力（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 時對應的荷載；ˉV0.5表示斜裂縫寬度為0.50 mm 時對應的荷載平均值；Vsm－c表示加固鋼筋網承受的剪力計算值；Vwm－c表示加固鋼絲網承受的剪力計算值.由表2 可見，SM 加固梁的裂縫抑制能力Vcr和實測抗剪承載力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%.這是因為鋼絲網具有良好的配筋分散性，導致SWM 加固梁中初始裂縫的出現時間被明顯推后.

表2 試驗結果Table 2 Test results

為方便比較，將參照文獻［6－8］計算的破壞斜截面上的加固鋼筋網和鋼絲網的抗剪承載力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 加固梁的計算抗剪承載力僅比SM 加固梁提高了33.31kN，而實測SWM 加固梁的平均抗剪承載力卻比SM 加固梁提高了105.11kN.這是因為鋼絲網優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，導致生成斜裂縫的數量較多、寬度較小，因而斜裂縫兩側的骨料間咬合作用增強；鋼絲網還延緩了混凝土沿縱筋的撕裂破壞，增強了縱筋的銷栓作用.

2.2 破壞過程

3種構件的典型破壞過程與特征如下：

（1）P1對比梁：加載過程中彎剪區首先在梁底出現垂直于梁縱軸的受彎裂縫；繼續加載，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力和剪應力的共同作用下發生破壞，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，在彎剪區相繼出現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，并不斷向加載點處發展，最終導致加載點處混凝土達到極限強度而破壞，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，首先在梁底出現受拉垂直裂縫，裂縫自下向上延伸；繼續加載，裂縫走向發生傾斜，并轉化為6條彎剪斜裂縫，但裂縫擴展緩慢；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達到屈服強度，剪壓區混凝土破壞，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 時對應的荷載平均值分別是對比梁和SM 加固梁的2.01和1.21倍，顯示出鋼絲網良好的裂縫控制能力；SWM加固梁的實測抗剪承載力也因此顯著提高（見表2）.構件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，各加固梁構件的跨中撓度值均較小.圖5中加固梁構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 梁抗剪問題的復雜性，導致其抗剪承載力和跨中撓度值均有較大的離散性，這與其他學者的試驗結論相似［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算

3.1 加固梁抗剪承載力的計算公式

加固梁截面和配筋率滿足GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》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件混凝土黏結良好，界面間無滑移.計算時在原梁抗剪承載力的基礎上，增加加固鋼筋網、加固鋼絲網和加固砂漿層對加固梁抗剪承載力的貢獻［10－11］，并認為鋼筋網和鋼絲網的作用機理與箍筋相同.

根據平衡條件，加固梁全截面抗剪承載力Vum－c計算公式為：

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的計算參照卜良桃等［6］的研究，計算時不考慮水平加固鋼筋的作用，只考慮加固箍筋的貢獻：

式中：η1 為加固體與原梁之間的共同工作系數，對于U 型加固η1＝0.9；λ0為廣義剪跨比；fsm為加固鋼筋網的屈服強度；sm為加固鋼筋網的間距；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的計算只考慮垂直鋼絲的貢獻：

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

Vm－c的計算參考GB 50010—2010 規范的相關公式：

式中：λ 為剪跨比；ftm為加固砂漿抗拉強度；t為加固層厚度.

3.2 計算值與試驗值比較

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

表3 加固梁抗剪承載力計算值與試驗值比較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算公式

結合試驗結果，參照文獻［12］給出SWM 加固梁斜裂縫寬度Wd，max－c的計算公式：

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

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

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

5 結論

（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，在斜裂縫寬度達到0.5mm 時，SWM 加固RC梁對應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算結果與試驗結果基本吻合.

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