高强钢绞线网-高性能砂浆加固钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

廖维张，张 伟，田志敏

(1.北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044; 2.中国人民解放军61517部队，北京 100044)

近年来，钢筋混凝土结构服役期间各种低速冲击的事故频发，造成了极大的危害和经济损失。如飓风携带物的冲击作用，车祸时汽车撞击护栏或建筑物，爆炸事故的碎片冲击等都属于事故型低速冲击[1]。国内外许多学者对钢筋混凝土构件的抗低速冲击性能进行了大量研究[2-9]，给出了冲击作用下的破坏形态、构件变形、混凝土应力应变、钢筋应力应变等变化规律，同时给出了相关的理论模型。

为提高钢筋混凝土结构的抗冲击性能，往往采取一些加固措施，现有的加固方法有加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、粘纤维复合材料加固法、预应力加固法等。高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术是近年来在国内外发展起来的新型加固技术。高强钢绞线网作为受力钢筋，提高原构件的配筋量，以聚合物砂浆作为粘结剂和钢绞线网保护层，利用其自身特点达到粘结良好、抗腐蚀、耐高温等优良性能。韩国汉城产业大学、中国建筑科学研究院、湖南大学、清华大学等单位学者对此进行了大量的试验研究和理论分析，研究重点主要集中在静力或地震荷载作用下的加固机理[10-16]。相关研究成果应用到了中国美术馆[17]，厦门中山南音宫[18]，郑成功纪念馆[19]等众多公共建筑物的加固工程中。但该加固后混凝土构件的抗冲击性能如何，目前相关研究较少。

为了深入了解高强钢绞线-高性能砂浆加固钢筋混凝土梁的抗冲击性能，本文对7根简支钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验研究，其中三根为普通梁，4根为加固梁，通过试验数据的测量与分析，得到了一些高强钢绞线-高性能砂浆加固钢筋混凝土梁在落锤冲击作用下的破坏形态、变形情况、裂缝开展情况，为该加固方法的应用推广提供了一定的试验参考。

1 试验概况

1.1 试验装置及数据测量

冲击试验采用湖南大学土木工程学院的落锤冲击试验机，试验装置如图1所示。梁两端铰支，两支座的距离为2 400 mm。冲击锤头为平头，直径为200 mm。重锤从跨中冲击梁，近似集中荷载，通过调整砝码的个数和落锤的高度来改变冲击能量。在钢筋混凝土梁内部纵筋的跨中及三分点预埋应变片，钢筋混凝土梁表面及加固梁表面同样位置布置应变片，用于观测冲击过程中内部钢筋及构件表面的应变变化及分布特点。同时，在试验进行中采用高速摄像机进行记录。

图1 试验装置图

1.2 试件设计

(1) 试验工况

为了分析不同冲击能量下的加固效果以及高强钢绞线配筋率对冲击性能的影响，制定了以下7种冲击试验工况。

表1 试验工况

(2) 试验选用材料：

未加固梁选用强度等级为C30的混凝土，纵向钢筋等级为HRB335级：受拉2φ25；受压2φ18，箍筋等级为HRB335级：φ8@100，构造详见图2(a)。

加固梁在未加固梁基础上加固，内部配筋与未加固梁相同，如图2(a)；外加固层构造为：6×7+IWS高强钢绞线，公称直径3.2、4.0 mm，网片受拉主筋间距为30 mm，横向套箍间距为40 mm，并在网片之间每隔120 mm布置锚固栓钉，再在表面粉刷30 mm厚的M50高性能砂浆(内掺入聚丙烯纤维)，详细配置如图2(b)。

(3) 具体构件制作：

未加固梁构件尺寸：2 800 mm×200 mm×400 mm(l×b×h，净跨2 400 mm),加固后梁的尺寸为：2 800 mm×260 mm×460 mm(l×b×h，净跨2 400 mm)，详见图2。

图2 构件设计图

(3) 试验破坏模式分析：

由于梁具有横向钢筋，在低速冲击下梁不会发生震塌和贯穿的局部破坏，只需考虑梁的整体运动，且本试验冲击锤头为平头冲击体，消耗在局部破坏上的能量最小，其大部分能量都传递给梁的整体运动，整体破坏特征应为弯剪破坏模式[1]。

2 试验过程与分析

(1) 对B-1未加固梁采用质量为253 kg的重锤从2 m高度进行冲击，冲击能量为4 958.8 J。由于冲击能量相对较小，梁整体没有破坏，只有少许微裂缝出现，最大裂缝宽度0.4 mm，最终裂缝分布情况如图3，梁回弹后保持很好的整体性，最终的跨中位移为零。

图3 B-1梁受冲击后裂缝分布图

(2) 对B-2未加固梁和B-5加固梁采用近似相同的冲击能量作对比冲击试验。B-2梁采用253 kg的重锤，从13 m高度下落，而B-5加固梁冲击重量为383 kg，高度为8.6 m。图4～图7分别为B-2梁与B-5梁的裂缝发展过程及最终破坏形态。详细对比情况见表2。

综上可见，在此相同冲击能量下，由最终的裂缝发展情况可知，钢绞线网片与高性能砂浆共同作用，不仅提高了整体强度，更起到了很好的抗裂作用。通过对比跨中位移及最终破坏模式，说明该加固工艺对梁的整体抗冲击性能大幅提高。

表2

图4 B-2梁裂缝发展过程

(3) 对B-3未加固梁和B-7加固梁采用同样质量的落锤以及同样高度进行对比试验，落锤都为383 kg，冲击高度为4.3 m，以此来检验加固效果。同时此冲击能量近似为B-2、 B-5梁的冲击能量的一半，同样可以对比不同冲击能量下梁的性能变化。图8～图11分别为B-3梁 与B-7梁的裂缝发展过程和最终破坏形态。详细对比情况见表3。

图5 B-5梁裂缝发展过程

图6 B-2梁最终破坏情况

图7 B-5梁最终破坏情况

表3

通过以上对比可得出：在此相同冲击能量下，由于钢绞线网片的作用，在冲击过程中消耗了大部分冲击能量，加固梁具有更好的抗弯抗剪能力；高性能砂浆具有更高的抗压强度及抗裂性，很好地保护了原梁的性能，减小了裂缝的发展。

图8 B-3梁裂缝发展过程

图9 B-7梁裂缝发展过程

图10 B-3梁最终破坏形态

图11 B-7梁最终破坏形态

(4) 为了对比钢绞线配筋率的不同对梁抗冲击性能的影响，选择了具有相同钢绞线设置，但钢绞线直径不同的两根梁，其中B-8梁直径为3.2 mm，B-6梁直径为4 mm，两根加固梁用近似相同的能量进行冲击试验，所选冲击能量近似为B-2梁的冲击能量的1.5倍。图12，图13为两根加固梁最终的破坏形态。且通过与B-2梁比较，虽然B-6，B-8梁冲击能量近似为其1.5倍，但加固梁仍然保持了较好的整体性。详细对比情况见表4。

综上，在近似相同的冲击能量下，由梁的整体破坏形态，钢绞线拉断情况，跨中位移可知，B-8梁破坏情况比B-6梁严重。因此，在横纵向配置同样根数的钢绞线时，增加钢绞线的直径，也即提高钢绞线的配筋率时，能适当提高梁的整体抗冲击性能。

表4

图12 B-6梁最终破坏形态

图14 B-6梁钢绞线拉断情况

图15 B-8梁钢绞线拉断情况

3 结 论

通过对7根梁的冲击试验的分析，可以得到以下结论：

(1) 未加固混凝土梁在冲击荷载作用下出现典型45°斜剪破坏，当冲击能量相对较小时，只出现一层两条对称的主裂缝沿梁纵向发展并最终汇合成梯形裂缝，此时钢筋未屈服，梁仍有较好的恢复能力，回弹后梁仍能保持较好的整体性；随着冲击能量的增加，可能会出现两层对称的梯形斜裂缝，此时梁顶冲击区混凝土骨料基本被完全压碎，跨中下部骨料也出现大面积剥落，梁丧失工作能力。

(2) 采用高强钢绞线-高性能砂浆加固的钢筋混凝土梁，四面围套的钢绞线网片不仅起到体外配筋的作用，而且对原构件起到捆束作用，大大提高梁的抗弯剪能力及整体的延性。掺加聚丙烯纤维的高性能砂浆不仅提高了冲击区的抗压性能，且增加了梁整体的抗裂性能，减小了破坏性裂缝的发展。高强钢绞线与高性能砂浆共同作用下，不仅大幅提高了梁的抗冲击性能，且使梁受冲击后的整体延性更好。

(3) 在横纵向配置同样根数的钢绞线时，增加钢绞线的直径，也即提高梁整体钢绞线配筋率时，能适当提高梁的整体抗冲击性能。实际工程中，可根据需要适当选择。

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