复合砂浆钢丝网加固钢筋混凝土梁试验研究

2013-10-24孙佳佳

河南城建学院学报 2013年2期

孙佳佳，杨春

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

框架梁是典型的受弯构件，在实际工程中，勘察设计施工失误或自然灾害会造成建筑结构承载力下降，此时对结构构件进行加固就显得很有必要［1-3］。目前我国常用的结构加固方法有粘纤维复合材料加固法、粘钢加固法、植筋加固法、置换混凝土加固法等，这些方法各具优缺点［4-7］，与它们相比，复合砂浆钢丝网加固法施工工艺简单，操作方便，且造价低，经济效益高，有良好的加固效果。目前这项加固技术在国内多用于裂缝的控制［8］，对加固构件受弯承载力以及加固效果影响因素的研究却很少。针对上述问题，本文对不同加固形式的梁进行了抗弯承载力试验研究。

1 试验概况及结果

1.1 试验概况

本试验共设计制作了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，未加固的对比梁1根。一次受力加固梁是指在浇筑完成并达到混凝土抗压强度标准值以后未进行受荷试验的情况下即对其进行加固的梁，二次受力加固梁是指对浇筑完成梁进行两点集中力加载，达到其极限强度后卸载再进行加固的梁。试验梁采用的是有明显屈服台阶的热轧钢筋，其极限状态标志是受拉主筋达到屈服，跨中最大裂缝宽度达到1.5 mm或挠度达到1/50的跨度［9］。

框架梁的设计截面尺寸b×h=100 mm×200 mm，设计强度C30，框架梁净垮Ln=1800 mm。加固钢丝网为两种不同规格的编织钢丝网，规格a钢丝直径1.0 mm，网格4 mm×4 mm，面积配筋率为0.098%;规格 b钢丝直径1.3 mm，网格9 mm×9 mm，面积配筋率为0.074%。外抹砂浆强度有M40和M45两种。单筋矩形梁截面尺寸及配筋如图1所示。

图1 梁截面及配筋

采用图2所示的钢筋混凝土梁受弯试验装置进行加载。采用单调分级加载机制，按力控制进行加载，每级荷载增量为1.5 kN，每次加载后持荷15 min。在正式加载前，为检查仪器仪表读数是否正常以及减小仪器与构件之间的空隙，需要预加载，预加载所用的荷载是分级荷载的前两级［10－11］。钢筋混凝土梁受弯试验加载设备及等效加载简图如图2所示。

图2 加载设备及等效加载简图

1.2 静力试验结果

竖向两点集中荷载作用下，试件分组及静力试验结果如表1所示。由普通钢筋混凝土梁正截面承载力计算方法易求得未加固梁理论开裂荷载Pcrk=7.03 kN，极限荷载Puk=33.1 kN。

表1 试件分组及静力试验结果

由表1可以看出，各梁的极限荷载均有提高，普通钢筋混凝土梁L1试验结果比理论值略高，这是因为公式值推导基于理想的弹塑性模型，不考虑外界环境、尺寸效应、加载速度及持续时间等因素的影响，而这些影响在试验过程中无法完全避免的。一次受力加固梁的极限承载力提高幅度分别为58.6%、60.4%和70.1%，二次受力加固梁的极限承载力提高幅度分别为59.5%、69.2%和79.2%，各加固梁极限荷载提高幅度比较稳定，说明复合砂浆钢丝网加固法是一种有效可行的加固方法。各框架梁的开裂荷载亦均有提高，说明复合砂浆钢丝网加固可以有效约束裂缝的开展，但提高的幅度却表现出较大的离散型，从6.7% ～113.4%不等，主要原因有：

(1)试验数据采集的误差。由于开裂荷载是用肉眼借助放大镜根据第一条裂缝的出现来确定的，尽管是多人同时观测，此部分误差也难避免;

(2)开裂荷载理论值Pcrk较小，故ΔPcr/Pcrk表现较大离散性。

2 试验分析

2.1 复合砂浆钢丝网加固梁极限承载力

复合砂浆钢丝网加固梁极限承载力公式的推导基于以下假设［12］：

(1)平截面假设。构件全截面保持平截面变形，即混凝土、钢筋以及钢丝网之间无相对滑移，它们的平均应变符合线性变化。

(2)不考虑混凝土和砂浆的抗拉强度，即认为全部拉力由受拉钢筋和钢丝网承担。

(3)复合砂浆钢丝网加固层同原构件之间可靠粘结，共同受力协调变形，不考虑剥离破坏。

(4)混凝土的应力-应变曲线、钢筋应力-应变曲线和钢丝网应力－应变曲线如图3所示，图中各符号和国家现行标准《混凝土结构设计规范》［13］中的规定一致。

图3 应力-应变关系

参考钢筋混凝土单筋矩形截面梁正截面承载力计算公式，对受压区混凝士合力点取矩，可推导出正截面极限抗弯承载力。其计算简图如图4所示。

混凝土受压区高度x按式(2)确定

混凝土受压区高度x应满足：

式中：M—构件加固后的弯矩设计值;fy—原构件钢筋抗拉强度设计值;As—原构件纵向受拉钢筋截面积;fym—梁底钢丝网抗拉强度设计值;Asm—梁底受拉钢丝网截面面积;fc—原构件混凝土轴心抗压强度设计值;b—原构件截面宽度;h—原构件截面高度;h1—加固后构件的截面高度;h0—原构件的截面有效高度;hm0—加固后构件的截面有效高度;x—加固梁混凝土受压区高度;t—梁底砂浆保护层厚度;ξb—纵向受拉钢筋屈服与受压区混凝土破坏同时发生时的相对界限受压区高度系数，取

图4 计算简图

加固梁极限承载力公式值Pc与试验值Pu比较如表2所示。由表2可以看出，一次受力加固梁抗弯极限承载力试验值要略大于按式(1)～式(3)求得的理论值，也就是说该公式对一次受力梁具有一定的安全系数;在常温下对钢筋冷拉，钢筋内部的金属晶粒因畸变和位移变化会增大抗阻力，从而使钢筋屈服强度提高，提高比例约为20%～35%［14］，复合砂浆钢丝网加固混凝土二次受力梁的第一次受力相当于对受拉钢筋进行了冷拉，计算极限荷载时采用的钢筋屈服强度也应是提高以后的，即取