高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁抗沖擊性能試驗(yàn)研究

廖維張，張 偉，田志敏

(1.北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心，北京 100044; 2.中國人民解放軍61517部隊(duì)，北京 100044)

近年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役期間各種低速?zèng)_擊的事故頻發(fā)，造成了極大的危害和經(jīng)濟(jì)損失。如颶風(fēng)攜帶物的沖擊作用，車禍時(shí)汽車撞擊護(hù)欄或建筑物，爆炸事故的碎片沖擊等都屬于事故型低速?zèng)_擊[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者對鋼筋混凝土構(gòu)件的抗低速?zèng)_擊性能進(jìn)行了大量研究[2-9]，給出了沖擊作用下的破壞形態(tài)、構(gòu)件變形、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力應(yīng)變等變化規(guī)律，同時(shí)給出了相關(guān)的理論模型。

為提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，往往采取一些加固措施，現(xiàn)有的加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、粘纖維復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力加固法等。高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)是近年來在國內(nèi)外發(fā)展起來的新型加固技術(shù)。高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)作為受力鋼筋，提高原構(gòu)件的配筋量，以聚合物砂漿作為粘結(jié)劑和鋼絞線網(wǎng)保護(hù)層，利用其自身特點(diǎn)達(dá)到粘結(jié)良好、抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能。韓國漢城產(chǎn)業(yè)大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、湖南大學(xué)、清華大學(xué)等單位學(xué)者對此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，研究重點(diǎn)主要集中在靜力或地震荷載作用下的加固機(jī)理[10-16]。相關(guān)研究成果應(yīng)用到了中國美術(shù)館[17]，廈門中山南音宮[18]，鄭成功紀(jì)念館[19]等眾多公共建筑物的加固工程中。但該加固后混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能如何，目前相關(guān)研究較少。

為了深入了解高強(qiáng)鋼絞線-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能，本文對7根簡支鋼筋混凝土梁進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)研究，其中三根為普通梁，4根為加固梁，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量與分析，得到了一些高強(qiáng)鋼絞線-高性能砂漿加固鋼筋混凝土梁在落錘沖擊作用下的破壞形態(tài)、變形情況、裂縫開展情況，為該加固方法的應(yīng)用推廣提供了一定的試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)測量

沖擊試驗(yàn)采用湖南大學(xué)土木工程學(xué)院的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。梁兩端鉸支，兩支座的距離為2 400 mm。沖擊錘頭為平頭，直徑為200 mm。重錘從跨中沖擊梁，近似集中荷載，通過調(diào)整砝碼的個(gè)數(shù)和落錘的高度來改變沖擊能量。在鋼筋混凝土梁內(nèi)部縱筋的跨中及三分點(diǎn)預(yù)埋應(yīng)變片，鋼筋混凝土梁表面及加固梁表面同樣位置布置應(yīng)變片，用于觀測沖擊過程中內(nèi)部鋼筋及構(gòu)件表面的應(yīng)變變化及分布特點(diǎn)。同時(shí)，在試驗(yàn)進(jìn)行中采用高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.2 試件設(shè)計(jì)

(1) 試驗(yàn)工況

為了分析不同沖擊能量下的加固效果以及高強(qiáng)鋼絞線配筋率對沖擊性能的影響，制定了以下7種沖擊試驗(yàn)工況。

表1 試驗(yàn)工況

(2) 試驗(yàn)選用材料：

未加固梁選用強(qiáng)度等級為C30的混凝土，縱向鋼筋等級為HRB335級：受拉2φ25；受壓2φ18，箍筋等級為HRB335級：φ8@100，構(gòu)造詳見圖2(a)。

加固梁在未加固梁基礎(chǔ)上加固，內(nèi)部配筋與未加固梁相同，如圖2(a)；外加固層構(gòu)造為：6×7+IWS高強(qiáng)鋼絞線，公稱直徑3.2、4.0 mm，網(wǎng)片受拉主筋間距為30 mm，橫向套箍間距為40 mm，并在網(wǎng)片之間每隔120 mm布置錨固栓釘，再在表面粉刷30 mm厚的M50高性能砂漿(內(nèi)摻入聚丙烯纖維)，詳細(xì)配置如圖2(b)。

(3) 具體構(gòu)件制作：

未加固梁構(gòu)件尺寸：2 800 mm×200 mm×400 mm(l×b×h，凈跨2 400 mm),加固后梁的尺寸為：2 800 mm×260 mm×460 mm(l×b×h，凈跨2 400 mm)，詳見圖2。

圖2 構(gòu)件設(shè)計(jì)圖

(3) 試驗(yàn)破壞模式分析：

由于梁具有橫向鋼筋，在低速?zèng)_擊下梁不會(huì)發(fā)生震塌和貫穿的局部破壞，只需考慮梁的整體運(yùn)動(dòng)，且本試驗(yàn)沖擊錘頭為平頭沖擊體，消耗在局部破壞上的能量最小，其大部分能量都傳遞給梁的整體運(yùn)動(dòng)，整體破壞特征應(yīng)為彎剪破壞模式[1]。

2 試驗(yàn)過程與分析

(1) 對B-1未加固梁采用質(zhì)量為253 kg的重錘從2 m高度進(jìn)行沖擊，沖擊能量為4 958.8 J。由于沖擊能量相對較小，梁整體沒有破壞，只有少許微裂縫出現(xiàn)，最大裂縫寬度0.4 mm，最終裂縫分布情況如圖3，梁回彈后保持很好的整體性，最終的跨中位移為零。

圖3 B-1梁受沖擊后裂縫分布圖

(2) 對B-2未加固梁和B-5加固梁采用近似相同的沖擊能量作對比沖擊試驗(yàn)。B-2梁采用253 kg的重錘，從13 m高度下落，而B-5加固梁沖擊重量為383 kg，高度為8.6 m。圖4～圖7分別為B-2梁與B-5梁的裂縫發(fā)展過程及最終破壞形態(tài)。詳細(xì)對比情況見表2。

綜上可見，在此相同沖擊能量下，由最終的裂縫發(fā)展情況可知，鋼絞線網(wǎng)片與高性能砂漿共同作用，不僅提高了整體強(qiáng)度，更起到了很好的抗裂作用。通過對比跨中位移及最終破壞模式，說明該加固工藝對梁的整體抗沖擊性能大幅提高。

表2

圖4 B-2梁裂縫發(fā)展過程

(3) 對B-3未加固梁和B-7加固梁采用同樣質(zhì)量的落錘以及同樣高度進(jìn)行對比試驗(yàn)，落錘都為383 kg，沖擊高度為4.3 m，以此來檢驗(yàn)加固效果。同時(shí)此沖擊能量近似為B-2、 B-5梁的沖擊能量的一半，同樣可以對比不同沖擊能量下梁的性能變化。圖8～圖11分別為B-3梁 與B-7梁的裂縫發(fā)展過程和最終破壞形態(tài)。詳細(xì)對比情況見表3。

圖5 B-5梁裂縫發(fā)展過程

圖6 B-2梁最終破壞情況

圖7 B-5梁最終破壞情況

表3

通過以上對比可得出：在此相同沖擊能量下，由于鋼絞線網(wǎng)片的作用，在沖擊過程中消耗了大部分沖擊能量，加固梁具有更好的抗彎抗剪能力；高性能砂漿具有更高的抗壓強(qiáng)度及抗裂性，很好地保護(hù)了原梁的性能，減小了裂縫的發(fā)展。

圖8 B-3梁裂縫發(fā)展過程

圖9 B-7梁裂縫發(fā)展過程

圖10 B-3梁最終破壞形態(tài)

圖11 B-7梁最終破壞形態(tài)

(4) 為了對比鋼絞線配筋率的不同對梁抗沖擊性能的影響，選擇了具有相同鋼絞線設(shè)置，但鋼絞線直徑不同的兩根梁，其中B-8梁直徑為3.2 mm，B-6梁直徑為4 mm，兩根加固梁用近似相同的能量進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，所選沖擊能量近似為B-2梁的沖擊能量的1.5倍。圖12，圖13為兩根加固梁最終的破壞形態(tài)。且通過與B-2梁比較，雖然B-6，B-8梁沖擊能量近似為其1.5倍，但加固梁仍然保持了較好的整體性。詳細(xì)對比情況見表4。

綜上，在近似相同的沖擊能量下，由梁的整體破壞形態(tài)，鋼絞線拉斷情況，跨中位移可知，B-8梁破壞情況比B-6梁嚴(yán)重。因此，在橫縱向配置同樣根數(shù)的鋼絞線時(shí)，增加鋼絞線的直徑，也即提高鋼絞線的配筋率時(shí)，能適當(dāng)提高梁的整體抗沖擊性能。

表4

圖12 B-6梁最終破壞形態(tài)

圖14 B-6梁鋼絞線拉斷情況

圖15 B-8梁鋼絞線拉斷情況

3 結(jié) 論

通過對7根梁的沖擊試驗(yàn)的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 未加固混凝土梁在沖擊荷載作用下出現(xiàn)典型45°斜剪破壞，當(dāng)沖擊能量相對較小時(shí)，只出現(xiàn)一層兩條對稱的主裂縫沿梁縱向發(fā)展并最終匯合成梯形裂縫，此時(shí)鋼筋未屈服，梁仍有較好的恢復(fù)能力，回彈后梁仍能保持較好的整體性；隨著沖擊能量的增加，可能會(huì)出現(xiàn)兩層對稱的梯形斜裂縫，此時(shí)梁頂沖擊區(qū)混凝土骨料基本被完全壓碎，跨中下部骨料也出現(xiàn)大面積剝落，梁喪失工作能力。

(2) 采用高強(qiáng)鋼絞線-高性能砂漿加固的鋼筋混凝土梁，四面圍套的鋼絞線網(wǎng)片不僅起到體外配筋的作用，而且對原構(gòu)件起到捆束作用，大大提高梁的抗彎剪能力及整體的延性。摻加聚丙烯纖維的高性能砂漿不僅提高了沖擊區(qū)的抗壓性能，且增加了梁整體的抗裂性能，減小了破壞性裂縫的發(fā)展。高強(qiáng)鋼絞線與高性能砂漿共同作用下，不僅大幅提高了梁的抗沖擊性能，且使梁受沖擊后的整體延性更好。

(3) 在橫縱向配置同樣根數(shù)的鋼絞線時(shí)，增加鋼絞線的直徑，也即提高梁整體鋼絞線配筋率時(shí)，能適當(dāng)提高梁的整體抗沖擊性能。實(shí)際工程中，可根據(jù)需要適當(dāng)選擇。

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