钢绞线网-聚合物砂浆加固小偏压RC柱中聚合物砂浆的作用分析

葛 超，曹忠民，高 淳

(华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

钢绞线网-聚合物砂浆加固小偏压RC柱中聚合物砂浆的作用分析

葛 超，曹忠民，高 淳

(华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

高强钢绞线网-聚合物砂浆加固法作为目前一项崭新的结构加固技术，正越来越多地使用在混凝土结构加固工程中。在考虑和忽略聚合物砂浆的强度2种情况下，分别进行了在该技术加固下的小偏心RC柱正截面极限承载力计算。结果显示聚合物砂浆的强度在该加固中不可忽略，并归纳出影响聚合物砂浆强度对正截面承载力提高的因素，其中主要影响因素有偏心距，聚合物砂浆的厚度、强度，钢绞线网间距、钢绞线面积以及加固柱混凝土强度等级。

高强钢绞线网；聚合物砂浆；结构加固；RC柱；承载力

0 引言

高强钢绞线网-聚合物砂浆加固法是一种新型加固技术[1]，该加固技术通过发挥钢绞线高强度使混凝土处于约束状态中从而提高其抗压强度[2,3]；聚合物砂浆的强粘聚性使得钢绞线网与加固构件紧密结合保证了钢绞线的约束效率；同时聚合物砂浆具有很高的抗压强度，在正截面受力过程中自身的强度对构件正截面承载力提高同样也发挥着作用。以上三者共同作用，达到加固结构目的。通过对该项加固技术已有的研究成果所知，聚合物砂浆的强度对于正截面承载力的提高是不可忽略的，与忽略砂浆对于承载力提高的构件相比，正截面的承载力可提高40%以上，所以在加固构件设计与复核中必须考虑聚合物砂浆的强度。

1 钢绞线网-聚合物砂浆加固偏压混凝土柱受力分析

把受压区混凝土及聚合物砂浆曲线压应力图用等效矩形图来替代[4,5]，截面计算图形如图1所示。由力与力矩的平衡条件可得下面2个基本计算公式[6]：

图1 柱截面应力简图

考虑聚合物砂浆强度：

(1)

(2)

忽略聚合物砂浆强度取t=0

式中：Nu为钢绞线网-聚合物砂浆加固偏压钢筋混凝土柱承载力；fm为聚合物砂浆抗压强度；t为聚合物砂浆层厚度；σs为远侧钢筋的应力值；α1和β1为等效矩形应力图形的2个特征值，按混凝土规范取值；σw为钢绞线的应力值，当柱全截面受压时取σw=0，当截面部分受拉时根据平截面假定，计算可得：

(3)

式中：Ew为钢绞线弹性模量；Es为钢筋弹性模量；εcu为受压区边缘混凝土应变；e为轴向力作用点至受拉钢筋As合力点的距离。

根据上式得出关于正截面受压区高度x的二次方程为：

考虑聚合物砂浆强度时：

(4)

联合式(3)得出加固柱正截面极限承载力大小；忽略聚合物砂浆强度时取t=0。

2 影响因素分析

2.1偏心距对聚合物砂浆提高正截面承载力的影响

偏压柱介于轴心受压和受弯构件之间，理论分析采用C25混凝土；截面尺寸为：500 mm×500 mm；钢绞线采用6×7+IWS型，钢绞线面积为74.9 mm2(直径为3.05 mm)，钢绞线网间距为30 mm；聚合物砂浆厚度为25 mm，强度采用45 MPa。在偏心距因素分析中，计算时选取的偏心距范围为0～500 mm，通过对计算结果的分析可得，小偏心的受压界限为0～235 mm，故而偏心距参数选取从0～235 mm，分别计算出考虑和忽略聚合物砂浆提高正截面承载力并作比较，绘制关系曲线。

图2 正截面承载力-偏心率影响曲线

图3 正截面承载力相对提高程度-偏心率影响曲线

钢绞线网-聚合物砂浆加固柱大小偏心破坏形态与破坏界限皆与普通RC柱类似，小偏心破坏(受压破坏)是源于受压区混凝土达到了极限抗压强度，混凝土压碎。钢绞线网的加固机理主要是将混凝土处于约束状态之中，提高了混凝土的抗压强度，从而提高其承载力。

图2中曲线分别为考虑和忽略聚合物砂浆强度的加固柱正截面承载力随偏心率的变化曲线，从曲线走势可以看出：2条曲线随着偏心率的增长，加固柱正截面承载力逐渐降低，并且两者承载力大小有逐渐靠近的趋势。原因在于：偏心距的增加减弱了横向钢绞线对混凝土的横向约束作用，从而降低了约束混凝土的抗压强度，柱正截面承载力也就自然降低。

图3中的曲线为聚合物砂浆强度的柱正截面承载力与忽略聚合物砂浆强度的柱正截面承载力比值随偏心率变化曲线。承载力相对提高程度随偏心距的增加先升后降，并在偏心率处于0.1时，承载力相对提高程度达到最大值。

2.2聚合物砂浆的厚度、强度对正截面承载力的影响

理论分析选取的钢绞线参数为：横向钢绞线间距为30 mm，钢绞线面积为74.9 mm2(直径为3.05 mm)；偏心距为：30 mm(偏心距参数分析可知在30 mm附近处，砂浆对正截面承载力提高程度最大)。

表1 聚合物砂浆影响因素分析

从表1数据分析可得：聚合物砂浆对小偏心柱正截面承载力的提高是不容忽视的，其中包括砂浆的强度和厚度2个影响因素。随着砂浆的强度、厚度的增加，砂浆对于正截面承载力的相对提高程度逐渐提高。聚合物砂浆在高强钢绞线网-聚合物砂浆加固机理中主要作用是：聚合物砂浆高效的渗透性将加固构件与钢绞线紧密结合，协同受力，充分发挥钢绞线对混凝土的约束作用，提高约束区核心混凝土的抗压强度。聚合物砂浆的强度性能一般在正截面承载力计算中易被忽略，本文中的分析得出结论，聚合物砂浆的强度对承载力提高具有一定程度的提高，不可忽略。

2.3钢绞线网间距、钢绞线面积对聚合物砂浆提高正截面承载力的影响

理论分析选取的钢绞线参数：钢绞线面积为74.9 mm2(直径为3.05 mm)和104.4 mm2(直径为3.60 mm)；聚合物砂浆参数为：砂浆厚度为25 mm，砂浆强度为45 MPa；偏心距为30 mm(偏心距参数分析可知在30 mm附近处，砂浆对正截面承载力提高程度最大)。

图4 正截面承载力-横向钢绞线间距曲线(钢绞线面积74.9 mm2)

图5 正截面承载力-横向钢绞线间距曲线(钢绞线面积104.4 mm2)

图4、图5的曲线分别为钢绞线面积74.9 mm2(直径3.05 mm)和104.4 mm2(直径3.60 mm)，考虑聚合物砂浆强度和忽略砂浆强度对柱正截面承载力随横向钢绞线间距的变化曲线，2图中曲线的变化趋势基本一致。从图4、图5中的曲线比较，图5中承载力都比图4中大，原因是横向钢绞线的直径越大，对混凝土的约束作用越是显著，从而柱正截面的承载力也就越大。

图4和图5中的曲线当横向钢绞线间距变大时，承载力也逐渐降低，间距在1～10 mm时，承载力下降地十分迅速，当间距大于10 mm时，承载力的下降基本趋于平稳，2条曲线大致平行。

图6 正截面承载力相对提高程度-横向钢绞线间距曲线

图6中曲线分别为选用钢绞线面积为74.9 mm2(直径为3.05 mm)和104.4 mm2(直径为3.60 mm)横向钢绞线加固柱，正截面承载力相对提高程度随横向钢绞线间距的变化曲线。2条曲线发展趋势基本一致，随着钢绞线网间距的增加，降低了钢绞线对混凝土的约束作用，从而使得聚合物砂浆的强度对于承载力的提高就得以提升。

2.4加固柱混凝土强度等级对聚合物砂浆提高正截面承载力的影响

理论分析选取的钢绞线参数：钢绞线面积为74.9 mm2(直径为3.05 mm)；聚合物砂浆参数为：砂浆厚度为25 mm，砂浆强度为45 MPa；偏心距为：30 mm(偏心距参数分析可知在30 mm附近处，砂浆对正截面承载力提高程度最大)。

表2 混凝土强度等级因素影响分析

表2列出了4种强度等级小偏心柱加固下的分别考虑和忽略聚合物砂浆强度的正截面承载力以及提高程度。由表2中数据可以得出：随着强度等级的提高，不论是否考虑了砂浆强度的柱，正截面承载力都有所提高；并且随着柱混凝土的强度等级的提高，聚合物砂浆对于正截面承载力的相对提高程度逐渐降低。原因在于，混凝土的抗压强度越高，聚合物砂浆的强度对于承载力的贡献同时被削弱，故而相对提高程度在降低，但从表2中所示数据显示降低的程度不大。

2.5主要影响因素分析

综合以上几点因素分析可得，偏心距与聚合物砂浆厚度、强度为影响聚合物砂浆提高柱正截面承载力的主要因素。在选定了常规的加固方式与加固材料的情况下，考虑了砂浆强度的加固柱比忽略时的加固柱正截面极限承载力提高了40%以上，这可作为一般工程运用中的一项指标。

3 结束语

(1)在钢绞线网-聚合物砂浆加固中，聚合物砂浆对承载力的提高不可被忽略，通过理论分析，在选定一般加固参数情况下，考虑了聚合物砂浆强度的柱正截面极限承载力比忽略砂浆强度极限承载力提高了44.2%，这说明聚合物砂浆在加固中不仅发挥了其强粘结性、渗透性，其高强抗压强度对于截面承载力的提高也是不可忽略的。

(2)影响聚合物砂浆对承载力相对提高程度的因素主要有：偏心距、聚合物砂浆厚度、强度、钢绞线网间距、钢绞线面积、混凝土强度等级。在小偏心破坏范围内，随着偏心距的增加，砂浆对承载力的相对提高程度先升高到最大值继而下降；聚合物砂浆厚度增加、聚合物砂浆强度加大也促进着砂浆对承载力的相对提高程度；钢绞线网间距的增加，降低了钢绞线对混凝土的约束作用，从而聚合物砂浆的强度对于正截面承载力的相对提高程度就得以提升；混凝土的强度等级也影响砂浆对承载力的相对提高，强度等级越高，砂浆对于承载力的贡献随之降低，但下降地不显著。

(3)综合以上影响因素分析，该技术加固下的偏心柱，在选定了一般常规的加固方式和加固材料的情况下，考虑了砂浆强度的极限承载力比忽略的可提高40%左右，可作为工程运用的参考依据。

[1] 曹忠民,李爱群,王亚勇.高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术的研究和应用[J].建筑技术,2007,(6):415-418.

[2]王嘉琪.高强钢绞线网-高性能砂浆约束混凝土柱受力性能研究[D].南昌:华东交通大学,2012.

[3]潘晓峰.高强钢绞线网-聚合物砂浆加固小偏心受压混凝土柱的试验研究[D].南京:南京工业大学,2007.

[4]刘伟庆,潘晓峰,王曙光.高强钢绞线网-聚合物砂浆加固小偏心受压混凝土柱的极限承载力分析[J].南京工业大学学报,2010,(1):1-6.

[5]张立峰,姚秋来,程绍革,等.高强钢绞线网-聚合物砂浆加固偏压柱的试验研究[J].四川建筑科学研究,2007,(S1):146-152.

[6]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].

AnalysisoftheEffectofPolymerMortarintheRCColumnsStrenghenedbyWireMeshandPolymerMortaronSmallEccentricLoading

GE Chao,CAO Zhong-min,GAO Chun

(College of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Jiangxi Nanchang 330013 PRC)

The composite cover combined with high strength wire mesh and polymer mortar is a new strengtheing technique and the technology is being used in the reinforced concrete structure engineering increasingly.Calculate the bearing capacity of the eccentrically loaded RC columns by the new technique under two conditions which considering and neglecting the polymer mortar strength.The results shows that the polymer mortar strength can not be ignored in the reinforcement and summarise the factors.Following are the main influencing factors:eccentricity,thickness and strength of polymer mortar,spacing of the wire mesh and area of steel wire,strength grade of concrete.

Strengh wire cable mesh,Polymer mortar,Structural reinforcement,Reinforced concrete columns,Bearing capacity

2013-12-04;

2014-01-03

葛 超(1990-)，男，安徽马鞍山人，硕士研究生，主要研究方向为结构加固与鉴定改造。

国家自然科学基金项目(编号：51368019)。

1001-3679(2014)01-0078-05

TU746.3

A