钢丝网钢纤维砂浆加固钢筋混凝土梁试验研究

易治民， 陈升平

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

由于各种原因对钢筋混凝土构件的损害使得结构物安全和耐久性受到严重的威胁，对结构物的钢筋混凝土构件加固使之能继续使用就成为当前一个需要解决的课题．常用的钢筋混凝土结构的加固方法有增大截面加固法、外粘型钢加固法、置换混凝土加固法、外加预应力加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法和植筋锚固技术等[1-2]．钢丝网水泥砂浆加固混凝土构件是对需加固的构件外加钢丝网[3-5]，再用砂浆覆盖钢丝网，使钢丝网和砂浆与混凝土构件一起受力，从而增加构件的开裂荷载、极限荷载，增加构件的延性，减小构件的变形等．该方法适用面广、使用方便、价格低廉，是加固现有混凝土结构的一种理想材料．水泥砂浆的抗拉强度和极限拉应变低，加入乱向分布的短纤维可显著提高它的抗弯强度、极限拉应变以及弯曲韧度[6-7]．钢纤维水泥砂浆与普通水泥砂浆相比，弯曲强度、弯曲韧度可显著提高，裂缝宽度可显著减小．因此，用钢丝网钢纤维水泥砂浆加固混凝土结构可显著提高原有构件的极限承载力，增强结构抗渗、抗冻、抗裂性和延性，是值得推广使用的一种有效加固技术．

1 试验

对钢丝网钢纤维砂浆加固钢筋混凝土受弯梁进行试验研究，通过试验现象及结果来对该方法进行评价．试验通过一根对比梁和两根加固梁，采用三面包裹加固的方式，从加固承载力、裂缝发展及梁刚度等方面进行分析．

1.1 试验用材料

试验采用的梁底受拉钢筋为直径10 mm的光圆钢筋，混凝土为C25的混凝土，配比为1∶2.41∶4.29∶0.63．钢筋的屈服确定平均值为282.3 N/mm2，极限强度平均值为433.6 N/mm2，混凝土立方体强度平均值为29.1 N/mm2．对于复合砂浆配比的选择是在文献[8]混杂纤维增强水泥砂浆试验的基础上，根据试验结果来确定，最终确定水泥：砂：水：微硅粉：减水剂的配合比为1.0∶1.5∶0.42∶0.1∶0.026．由于基体水泥砂浆的配合比和强度是影响加固效果的主要因素，因此本试验中钢纤维的掺量不变，采用的掺量为1.0%．钢纤维为镀铜钢纤维，长度为15 mm，直径d为0.6～0.9 mm，长径比50～80．试验所用的钢丝网为编制钢丝网，直径1.0 mm, 网格间距 12.5 mm，钢丝网和钢纤维如图1所示．

图 1 加固用钢丝网和钢纤维

在试验前事先裁剪一组长300 mm，包含6根钢丝的单层网片进行抗拉试验，试验结果见表1.

表1 钢丝网试验结果

1.2 加固方式

做3根普通的RC梁，分别是1根不加固的对比梁，1根钢丝网钢纤维砂浆加固试验梁,1根钢纤维砂浆加固试验梁．梁的尺寸为b×h=100 mm×180 mm,l=2 000 mm；水泥采用P.O425，砂为中粗砂，石头采用粒径为5～20 mm的碎石，受拉钢筋为 3∅10光圆钢筋，架立筋为2∅6，箍筋采用直径为6 mm一级光圆钢筋(HPB235)，间距为100 mm．为研究纯弯效果，梁纯弯段只在梁底配置受弯纵筋，纵向配筋率ρ=1.3%，梁顶钢筋均切除．为测定加载时RC梁底受拉纵筋的应变变化，在纯弯段的受力钢筋处贴上应变片．加固梁表面采取凿毛处理后，采用三面包裹加固，加固层厚度为25 mm．施工完毕后养护28 d进行试验．RC梁尺寸以及加固截面如图2所示．

图 2 RC梁尺寸和钢筋构造以及加固截面示意图

1.3 试验方法及量测内容

以油压千斤顶为加载设备，通过力分配梁将荷载分传给试件，千斤顶放在构件的中间，试验过程中用测力环测定荷载．试验过程中钢筋的应变测定采用江苏东华DH3818静态应变测试仪进行测定．加载采用分级加载的方式，每级加载后停留一定时间，再读取钢筋应变值，加载到梁屈服荷载后，采用跨中挠度控制等级加载．加载示意见图3．在试验过程中进行以下内容的量测：挠度测量，梁底受拉钢筋应变测量，裂缝观察．

图 3 加载示意图

2 试验结果分析

对比梁L1呈现出普通适筋梁的破坏特征，先后经历弹性工作阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后到梁破坏阶段．

采用钢纤维砂浆加固的L2梁与L1梁荷载挠度曲线类似，但开裂荷载提高较多，由于钢纤维在裂缝处的拉扯作用，对裂缝的扩展起到很好的延缓作用．梁L2在同样荷载下挠度要小于对比梁L1，表明梁刚度大于同荷载下的L1梁．

采用钢丝网加固梁L3，开裂荷载有显著的增加，之后裂缝的开展较慢，在梁的其他部位出现多条细小的裂缝；开裂后梁刚度有所变小，但相较于梁L1和梁L2，挠度要小；纵向受拉钢筋应变也比L1和L2梁小，这说明钢丝网分担了原钢筋的部分荷载．试验结果见图4和表2.

图 4 荷载挠度曲线

从表2的试验数据可以看出，钢丝网钢纤维砂浆加固方法能提高加固梁的各项承载力，特别是开裂荷载最明显，钢纤维砂浆加固梁L2提高2倍，钢丝网钢纤维砂浆加固梁提高2.7倍；对于钢纤维砂浆加固混凝土构件能显著提高开裂荷载，但是对于屈服荷载和极限荷载提高不明显，甚至和普通适筋梁相当，这主要是由于在开裂后钢纤维砂浆基本退出工作，加固梁和普通梁受力性能相类似；L3梁相对于L1梁的屈服荷载和极限荷载在钢丝网的参与下有所提高，但提高不多．

表2 试验结果

Pcr表示开裂荷载试验值，R为加固梁与对比梁的开裂荷载比值，Py表示屈服荷载试验值，Pu表示极限荷载试验值

3 极限荷载计算

梁达到屈服荷载后，随荷载的增加，中和轴上升，力臂增加，弯矩略有增加，受压区边缘达到混凝土受压极限压应变，混凝土被压坏，此时弯矩达最大值，随后梁破坏，失去承载力．这就是钢筋混凝土梁的第三工作阶段，其最大弯矩即为梁正截面的极限承载力．此阶段，钢丝网和钢筋均屈服，混凝受压区达极限压应变，受压应力应变曲线比较饱满，受拉区混凝土大部退出工作，在计算时不予考虑．在计算极限弯矩时，仿效普通钢筋混凝土梁，将混凝土受压区应力应变曲线等效为矩形应力分布．为简化计算不考虑梁侧加固筋的影响，等效后的矩形应力分布如图5所示．

图 5 梁截面矩形等效应力应变分布关系图

梁截面轴向力的平衡条件为

α1fcbx=fyAs+fsmAsm,

式中，α1对于小于C50的混凝土取1.0．极限弯矩

式中：C为压区混凝土合力，fy为钢筋拉应力，fc为混凝土压应力fsm为钢丝网拉应力，x为混凝土矩形受压区高度，h为截面高度，hsm为钢丝网截面到梁顶高度，h0为钢筋截面到梁顶高度，b为梁截面宽度As为钢筋截面积，Asm为钢丝网截面积计算值与试验结果见表3． 表中未列出L2梁是由于不考虑加固砂浆层的影响，L2梁和L1梁受力状况类似．从表中可以看到计算值小于试验值，结果偏于保守，可能是在计算时没有考虑梁侧加固层的影响，有待进一步的研究．

表3 计算值与试验结果

4 结论

1)对于钢纤维砂浆加固钢筋混凝土梁能较大幅度提高构件的开裂荷载，提高幅度为普通梁的2倍，能充分发挥钢纤维的阻裂和延性优点，开裂后对于裂缝的扩展具有较好的减缓作用；配以钢丝网的钢纤维砂浆对梁开裂荷载能提高2.7倍．

2)钢丝网钢纤维砂浆加固的梁能提高梁的受弯承载力，屈服强度和极限强度分别是普通梁的104.9%和105.4%，但提高程度不多．

3)钢丝网钢纤维砂浆能有效抑制钢筋混凝土梁的裂缝开展，加固梁与普通梁相比，裂缝形态出现细而密的特点；同样的荷载下，加固梁的挠度要小于普通钢筋混凝土梁，说明钢丝网钢纤维砂浆加固层能有效增大梁的刚度，减小变形．

[参考文献]

[1] 卜良桃，周 靖，叶 蓁.混凝土结构加固设计规范算例.[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 唐业清，万墨林.建筑物改造与病害处理[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000.

[3] 尚守平，曾令宏，彭 晖，等.复合砂浆钢丝网加固RC受弯构件的试验研究[J].建筑结构学报，2003,24(6)：87-91

[4] Sharma A K. Tests of reinforced concrete continuous beams with and without ferrocement [J].Concrete International, l992, 14(3):36-40.

[5] Mothana Ahmed AI—Kubaisy, Mohd Zamin Jumaa. Ferrocement lam inate strengthens RC beams [J]. Concrete International，2000, 22(6): 37-43.

[6] 葛 涛,谭可可,唐 廷,等.钢纤维水泥基复合材料力学性能试验[J]. 混凝土，2006(9):62-64.

[7] 许清风，傅传国，蒋永生. 钢纤维砂浆强度的试验研究[J].东南大学学报(自然科学版)，1999,29(4)：1-4.

[8] 田 刚．钢丝网钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆试验研究[D]．武汉，湖北工业大学土木工程与建筑院，2012.