聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固RC结构试验研究

杨山波 陈 欣（湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳413000）

一、引言

建筑主体中的钢筋混凝土梁的加固对于提高建筑的整体质量和抗震性能具有重要意义。聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固方法中使用的聚合砂浆为无机材料，因此具有优良的耐久和耐火性能，同时钢筋网具有较高的强度可以保证加固质量。为了对于这种新型加固方式下RC结构受弯性能设计计算提供科学依据，推广其在加固领域中的应用，本文对聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固RC梁的受弯承载力、刚度和裂缝进行研究。

二、试验设计及实验过程简介

(一) 实验RC梁的设计

此次实验设计使用RC梁试件7根进行对比试验。其中RCBF-1为未作加固的对照试件，其余六根为使用聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固的试件。其中1至5号的配筋相同，受拉钢筋均为4Φ12，6号和7号受拉钢筋为5Φ12。实验梁均采用C30混凝土。实验梁截面尺寸均为200mm×300mm，长3200mm，净跨3000mm，如图1所示。其中2至5号梁为无端部锚固措施的加固梁，如图1所示。6号和7号为有端部锚固措施的加固梁。其加固范围及锚固方式如图2所示。

试验中RC梁试件的加固步骤是：首先对梁体的被加固面进行打磨对加固用钢筋进行锚固。在喷涂界面剂后涂抹聚乙烯醇纤维水泥砂浆，然后进行养护。

图1 无端部锚固措施的加固梁示意图

图2 有端部锚固措施的加固梁示意图

表1 试件参数

(二) 实验中的加载方式

此次试验中取梁的三分点为实验载荷加载点。为了使实验数据和结果贴近实际、具有现实指导价值，因此在实验中对于各实验梁体采用了不同的加载方式。对于一号对比试件采用加载直至发生破坏到的加载方式。2、3号梁为一次加固实验梁，在对实验梁进行加固并完成养护与1号相同加载至试件破坏。4、5号梁为卸载二次受力实验梁，试验过程中先预加载至最大挠度达到跨度的1/300时卸载，然后对梁利用聚乙烯醇纤维水泥钢筋网进行加固和养护，然后重新进行试验加载直至破坏。最后6、7号梁为不卸载加固的二次受力实验梁，实验方式为首先对梁进行加载至裂缝宽度在0.2左右，然后保持荷载的情况下进行加固和养护，养护完成继续进行加载实验直至破坏。

三、试验结果及数据分析

加载实验的实测特征荷载记录如表2。其中Mcr表示实验梁体开始开裂时的跨中弯矩值、My表示实验梁的受拉纵筋开始屈服时的跨中弯矩实测值、Mu表示跨中极限弯矩实测值，αy、表示实验梁的屈服承载力与1号梁的对应值的比值、αu表示实验梁的极限承载力与1号梁的对应值的比值，M0.2、M0.3分别表示实验梁在实验过程中裂缝达到最大宽度时对应的跨中弯矩值，MLo/200表示跨中挠度为Lo/200时的跨中弯矩值。Δy、Δu分别表示对应钢筋屈服和极限弯矩时的跨中挠度。

表2 主要试验结果

从实验结果看，I类加固实验梁在实验过程中的裂缝间距平均值约10mm，这一数值与1号对比梁相比明显要小，聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固层裂缝的间距平均值约60mm，说明新型加固材料与实验梁体有较好的粘结性。实验过程中2号实验梁的在加载后期才出现水平裂缝，直荷载达到124.9kN时，一根加固钢筋才被拉断。通过实验发现加载对梁的破坏主要有两种形式：一是在加固层与梁体剥离、脱落；二是加固层剥离时连带下大块梁体甚至露出梁体拉筋。这一现象也说明新型材料与原混凝土之间具有良好的粘结性。

Ⅱ类加固梁的实验现象与I类加固实验梁基本相同，4号梁在加载后期，跨中截面钢筋被拉断，实验梁的梁端部加固层与梁体之间具有良好的粘结。

I类加固梁在进行加固后实际与截面较大的RC梁相当，由于I类加固梁采用的是直接进行加载实验，所以试验曲线与普通RC梁一致。其荷载-挠度曲线可分为开裂前、带裂缝工作阶段、钢筋屈服后三个阶段：开裂前跨中挠度与荷载呈的直线斜率大于对比梁。随由于截面开裂后造成的刚度降低，因此挠度增长较快。随着钢筋屈服现象的出现，曲线再次出现转折，但是曲线得斜率依然很大。

Ⅱ类加固梁在加固前已经进行了加载实验并且钢筋已经接近屈服，所以在加载实验的第一阶段，截面刚度比对比梁的截面刚度要小，在加固层开裂前曲线的斜率小于对比梁。在第二和第三阶段和I类加固梁曲线较为接近，都收到了比较良好和稳定的加固效果。

Ⅲ类加固梁主要实验目的是裂缝控制，加固后试验时没有出现新的裂缝。加固后的刚度提高不如一次加固梁。

四、抗弯加固承载力计算

基于试验结果实验梁的截面应力分布可简化为如图3所示。AW表示加固层的纵向钢筋的截面总面积；η1表示加固钢筋的应力发挥系数；h＋δ表示加固钢筋和RC梁上表面的距离。

由平衡条件可得：

图3 梁截面应力分布图

由于建筑施工中各种客观条件的限制，完全卸载是不可能实现的。因此加固钢筋强度很难达到设计值，所以我们有必要引入加固钢筋与RC梁的共同工作系数η2对承载力公式进行修正。修正后的加固承载力公式可表示为：

式中，fW表示加固钢筋的抗拉强度值；η1表示加固钢筋的应力发挥系数。η2表示加固钢筋与原梁共同工作系数。

五、受弯裂缝分析

（一）加固措施的影晌

前两类加固梁可直接测量最大裂缝宽度；Ⅲ类加固梁由于存在应力滞后现象会导致加固砂浆和被加固梁的裂缝宽度不一致。采取加固措施可以提高梁的安全系数，在最大裂缝宽度相同的情况下加固梁的截面弯矩要更高一些，因此加固措施对于裂缝的发展起到了明显的抑制作用。

（二）施工中最大裂缝宽度计算

（1）简化计算

由实验数据我们可以由下面公示进行加固梁最大裂缝宽度的粗略计算。

其中，Wmax表示梁在加固前计算的裂缝宽度最大值；α表示加固措施的形响系数。

（2）精确计算

把加固梁看作双层配筋的普通钢筋混凝土梁，计算公式如下

其中，c表示纵向受拉钢筋到底边的距离；d′表示钢筋直径，d′等于受拉钢筋总面积／受拉钢筋总周长；ρte表示加固后受拉钢筋总面积／加固后截面面积的一半；Wm表示平均裂缝宽度。

表3 加固梁量大裂缝宽度实测值与理论值的比较

从表3可以看出，裂缝宽度的实测值和计算值比较接近，具有较好的吻合度。对前两类类加固梁的最大裂缝宽度指的是加固层砂浆的最大裂缝宽度；对Ⅲ类加固梁则指加固层砂浆和被加固梁混凝土裂缝宽度的最大值。考虑到二次受力加固梁加固层最大裂缝宽度实测值远小于计算值，所以上述方法计算的结果是能够保证安全的。

六、结论

通过实验可以得到聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固RC的整体性能良好。首先利用这一技术对RC梁进行抗弯加固可以明显提高梁的刚度，其次加固以后可以对裂缝的产生和发展产生良好的限制。最后通过实验可以得到这种加固技术能满足二次受力加固的要求。最后本给出了承载力和最大裂缝宽度的计算公式并进行了实际验证。

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