钢筋钢丝网砂浆加固RC梁的抗剪试验

孙延华，陈秋冬，熊光晶，刘金伟

（汕头大学 土木工程系，广东 汕头 515063）

近年来，钢筋网砂浆（SM）或钢丝网砂浆（WM）加固混凝土构件的研究与应用取得了较大的进展［1－4］.由于钢筋直径远大于钢丝直径，故SM 加固可有效提高被加固构件的承载力；而WM 的优越配筋分散性可有效提高被加固构件的延性，控制裂缝的发生与开展.Xiong等［5］提出了钢筋钢丝网砂浆（SWM）加固混凝土构件的设想，并进行了加固梁的抗弯试验研究，以期在大幅度提高被加固构件承载力的同时，显著提高其延性，并有效控制裂缝的发展.

为提高抗剪加固效率，本文采用SWM 加固钢筋混凝土梁，并进行抗剪试验研究，以期有效控制斜裂缝的发生与发展，提高斜裂缝两侧骨料的咬合效应，从而有效提高加固梁的抗剪承载力.

1 试验

1.1 试验材料

混凝土配合比为m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）＝1.00∶1.50∶2.41∶0.44，其实测28d立方体抗压强度为38.8 MPa.外抹砂浆配合比为m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶2.0∶0.4，其实测28d立方体抗压强度为25.7 MPa.钢筋和市售镀锌钢丝网（网丝间距11 mm）的材料特性见表1.

表1 钢筋和钢丝网的材料特性Table 1 Material properties of steel bar and wire mesh

1.2 试件制作与加固

浇筑钢筋混凝土原梁构件9 根，截面尺寸为180mm×300mm，梁长l＝1 800mm，净跨度l0＝1 500mm.构件的配筋设计如图1所示，其横截面如图2（a）所示.其中，受拉钢筋采用3根直径25mm的钢筋，体积配筋率为3.03%，受压钢筋采用2 根直径18 mm 的钢筋，箍筋采用直径为6 mm 的钢筋，其间距为200mm.

图1 原梁设计Fig.1 Sketch of control RC beam（size：mm）

标准养护28d后，取3根原梁进行SM 加固（分别标记为SM1，SM2 和SM3），另取3 根原梁进行SWM 加固（分别标记为SWM1，SWM2和SWM3），其余3根未经加固处理的原梁作为对比梁（分别标记为P1，P2和P3）.加固前先将原梁表面凿毛并洗净、风干.为保证加固砂浆与原混凝土黏结牢固，压抹砂浆前在凿毛的原梁表面涂一道素水泥浆作为界面剂.对于SM 加固梁，将U 型加固钢筋与梁浇筑时的预留钢筋（实际工程需植筋）焊接形成钢筋网，如图2（b）所示.对于SWM 加固梁，需在钢筋网外侧再绑扎“L”型钢丝网片，然后植入膨胀螺栓将钢丝网固定于梁的侧面，如图2（c）所示.采用双“L”型钢丝网片，可避免钢丝网在梁底及两侧的外鼓，保证施工质量.在梁侧面植入了膨胀螺栓，既能起到固定钢丝网以免其起鼓导致凸凹不平的作用；又能作为防止加固层与原梁发生滑移的第2道防线.加固后压抹砂浆，并继续标准养护90d.

图2 各梁横截面Fig.2 Cross sections of RC beams（size：mm）

1.3 试验加载与数据采集

试验加载示意图如图3 所示，采用MTS电液伺服加载系统进行加载.试验前先进行一次预加载试验（预加载至20kN 后卸载），检测各仪器、采集系统是否工作正常.正式加载时，首先采用荷载控制加载，荷载超过100kN 后改为位移控制加载（0.003mm／s）.

图3 加载与测点布置图Fig.3 Loading and measuring points arrangement（size：mm）

通过预埋电阻应变片（具体的测点布置如图3所示）测量构件受拉钢筋、箍筋和加固钢筋的应变，通过位移计测量构件跨中位移.上述数据均采用IMP数据采集系统获得，自动采样速度为1次／s.试验过程中，使用刻度放大镜观察裂缝的发生、走向及发展情况，并测定斜裂缝宽度值.

2 结果与讨论

2.1 开裂荷载与极限荷载

试验结果如表2 所示，其中ρsv表示原梁配箍率；ρss表示加固钢筋配箍率；ρsw表示加固钢丝网配箍率；Vcr表示构件开裂荷载；Vum表示构件实测抗剪承载力（即力传感器输出值）；V0.2，V0.5分 别表示斜裂缝宽度为0.20，0.50mm 时对应的荷载；¯V0.5表示斜裂缝宽度为0.50 mm 时对应的荷载平均值；Vsm－c表示加固钢筋网承受的剪力计算值；Vwm－c表示加固钢丝网承受的剪力计算值.由表2 可见，SM 加固梁的裂缝抑制能力Vcr和实测抗剪承载力Vum相对于对比梁均有所提高.与SM 加固梁相比，SWM 加固梁的配箍率提高了25%，但平均开裂荷载比SM 加固梁提高了68%.这是因为钢丝网具有良好的配筋分散性，导致SWM 加固梁中初始裂缝的出现时间被明显推后.

表2 试验结果Table 2 Test results

为方便比较，将参照文献［6－8］计算的破坏斜截面上的加固钢筋网和钢丝网的抗剪承载力Vsm－c和Vwm－c（假定斜截面上钢筋和钢丝均屈服）也列入表2.由表2 还可见，SWM 加固梁的计算抗剪承载力仅比SM 加固梁提高了33.31kN，而实测SWM 加固梁的平均抗剪承载力却比SM 加固梁提高了105.11kN.这是因为钢丝网优越的配筋分散性抑制了斜裂缝的开展，从而增大了斜裂缝顶部混凝土的剩余截面高度，导致生成斜裂缝的数量较多、宽度较小，因而斜裂缝两侧的骨料间咬合作用增强；钢丝网还延缓了混凝土沿纵筋的撕裂破坏，增强了纵筋的销栓作用.

2.2 破坏过程

3种构件的典型破坏过程与特征如下：

（1）P1对比梁：加载过程中弯剪区首先在梁底出现垂直于梁纵轴的受弯裂缝；继续加载，受弯裂缝向上延伸，且倾角减小，逐渐形成4条斜裂缝；荷载进一步增大，裂缝不断伸展形成1条临界斜裂缝；最终斜裂缝上端的混凝土在压应力和剪应力的共同作用下发生破坏，属于典型的剪压破坏（如图4（a）所示）.

（2）SM1加固梁：随着荷载的增加，在弯剪区相继出现几条微小的垂直裂缝，它们沿竖向延伸一小段后，接着斜向延伸成4条斜裂缝，而后形成1条贯穿的较宽的临界斜裂缝，并不断向加载点处发展，最终导致加载点处混凝土达到极限强度而破坏，属于剪压破坏（如图4（b）所示）.

（3）SWM1加固梁：荷载加载至开裂荷载后，首先在梁底出现受拉垂直裂缝，裂缝自下向上延伸；继续加载，裂缝走向发生倾斜，并转化为6条弯剪斜裂缝，但裂缝扩展缓慢；随着裂缝宽度增大，几条斜裂缝交汇在一起形成1条临界斜裂缝；最后，与临界斜裂缝相交的箍筋和钢丝网达到屈服强度，剪压区混凝土破坏，也属于典型的剪压破坏（如图4（c）所示）.

SWM 加固梁在斜裂缝宽度为0.5mm 时对应的荷载平均值分别是对比梁和SM 加固梁的2.01和1.21倍，显示出钢丝网良好的裂缝控制能力；SWM加固梁的实测抗剪承载力也因此显著提高（见表2）.构件SWM1的加固层被剥开后如图4（d）所示，可见砂浆裂缝位置和走向与内部混凝土裂缝位置和走向一致，说明加固层与芯梁共同受力，抗剪性能均良好.

2.3 荷载－挠度曲线

图4 各梁破坏模式Fig.4 .Failure mode of different beam

图5 荷载－跨中挠度曲线Fig.5 Load－deflection curves

图5为各构件的荷载－跨中挠度曲线.由图5可见，在相同荷载水平下，相对于对比梁，各加固梁构件的跨中挠度值均较小.图5中加固梁构件的曲线斜率都有不同程度的增大，可见其刚度都得到了不同程度的提高.从图5还可知，各梁的荷载－跨中挠度曲线均呈“双线性”，这表明无论是SM 加固方法，还是SWM 加固方法都不能改变原梁的脆性破坏模式.需要指出的是，由于RC 梁抗剪问题的复杂性，导致其抗剪承载力和跨中挠度值均有较大的离散性，这与其他学者的试验结论相似［6，9］，因此图5中各荷载－跨中挠度曲线相差较大.

3 加固梁抗剪承载力的计算

3.1 加固梁抗剪承载力的计算公式

加固梁截面和配筋率满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》最小截面尺寸和最小配箍率要求，加固梁剪跨比为2.8，其破坏形态与普通钢筋混凝土梁相似，可以用静力平衡法分析其抗剪承载力.假定加固砂浆层与原构件混凝土黏结良好，界面间无滑移.计算时在原梁抗剪承载力的基础上，增加加固钢筋网、加固钢丝网和加固砂浆层对加固梁抗剪承载力的贡献［10－11］，并认为钢筋网和钢丝网的作用机理与箍筋相同.

根据平衡条件，加固梁全截面抗剪承载力Vum－c计算公式为：

式中：Vu为原梁的抗剪承载力；Vm－c为加固砂浆承受的剪力.其中Vsm－c的计算参照卜良桃等［6］的研究，计算时不考虑水平加固钢筋的作用，只考虑加固箍筋的贡献：

式中：η1 为加固体与原梁之间的共同工作系数，对于U 型加固η1＝0.9；λ0为广义剪跨比；fsm为加固钢筋网的屈服强度；sm为加固钢筋网的间距；Asm为同一截面上各肢加固箍筋的总面积；hom为加固后截面有效高度.

Vwm－c的计算只考虑垂直钢丝的贡献：

式中：fsw为加固钢丝网的屈服强度；sw为加固钢丝网的间距；Asw为同一截面上各肢加固钢丝的总面积.

Vm－c的计算参考GB 50010—2010 规范的相关公式：

式中：λ 为剪跨比；ftm为加固砂浆抗拉强度；t为加固层厚度.

3.2 计算值与试验值比较

按式（1）～（4）计算的结果见表3.从表2可知，对比梁、SM 加固梁及SWM 加固梁平均实测抗剪承载力分别为349.97，397.86及502.97kN.可见，原梁采用钢筋网加固后其平均实测抗剪承载力提高了47.89kN，该提高值与表3中钢筋网加固项Vsm－c计算值很接近，表明了式（2）的合理性.从表3可知，SWM加固梁抗剪承载力计算值均低于实测值，这表明在SM 加固梁基础上再采用钢丝网砂浆加固后，加固梁的抗剪承载力的提高超越了钢丝网和砂浆层的直接贡献.其原因已在2.1节讨论，此处不再复述.

表3 加固梁抗剪承载力计算值与试验值比较Table 3 Comparison between theoretical and experimental values of shear capacity of the reinforced beems

4 SWM 加固梁斜裂缝宽度计算公式

结合试验结果，参照文献［12］给出SWM 加固梁斜裂缝宽度Wd，max－c的计算公式：

式中：V 为原梁实测抗剪承载力；Vc为加固梁斜向开裂时的荷载值；a为钢丝网配筋分散影响系数，取a＝1.3；Asv，Ass分别为同一截面内各肢原配箍筋、加固钢筋的截面面积总和；Esv，Ess，Esw分别为原配箍筋、加固钢筋和钢丝网的弹性模量；As为被加固构件原配箍筋间距s范围内的换算箍筋面积，按下式计算：

表4给出了加固梁斜裂缝宽度的理论计算值与实测值Wd，max.由表4 可看出，在正常使用状态下，斜裂缝宽度的计算值与实测值吻合较好.

表4 加固梁斜裂缝宽度计算值与试验值比较Table 4 Comparison between theoretical and experimental values of diagonal crack width

5 结论

（1）SWM 加固方法可以大幅度提高加固RC 梁的开裂荷载，在配箍率提高25%的前提下，开裂荷载比SM 加固提高了68%.

（2）SWM 加固可有效控制加固RC梁的斜裂缝宽度，在斜裂缝宽度达到0.5mm 时，SWM 加固RC梁对应的荷载平均值为对比梁的2.01倍.

（3）采用给出的加固梁抗剪承载力和斜裂缝宽度公式所得的计算结果与试验结果基本吻合.

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