毛榮一+羅征+王銀輝+胡曉佳

摘要：通過高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固層與混凝土結(jié)構(gòu)的剝離破壞試驗，對加固層與混凝土界面的剝離破壞特征進(jìn)行了研究。探討了單側(cè)加固、植筋加固及U型加固等不同的加固方式對加固層抗剪承載力及抗剪強(qiáng)度的影響。試驗結(jié)果表明，采用U型加固等增加粘結(jié)面積的方式能有效提高加固層粘結(jié)面抗剪承載力，但同時會削弱加固層的抗剪強(qiáng)度，而在界面上植入抗剪鋼筋后，能同時提高聚合物砂漿加固層的抗剪承載力及抗剪強(qiáng)度。根據(jù)試驗結(jié)果，提出了最小植筋率的建議值。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)；聚合物砂漿；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；加固

中圖分類號：TU375.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）02001307

Abstract：Experimental research on debonding failure of concert structure with high strength steel wire mesh was conducted to investigate the failure characteristics of interface debonding between concrete and reinforcing layer. The effects of different polymer mortar reinforcing methods were discussed on Shear bearing capacity and shear strength of reinforcing layer， such as single side strengthening、plant bar strengthening and Ushaped strengthening. The results show that shearbearing capacity can be effectively improved by means of increasing bonding area of reinforcing layer， such as Ushaped strengthening or extension length of reinforcement layer. Shear strength of reinforcing layer would be weaken at the same time. Shear strength and shearbearing capacity of polymer mortar reinforcing layer would be substantially improved by means of planting shear reinforcement. According to the test results， the suggestion value of minimum ratio of planting bar was prevised for the reference of the application in actual application.

Keywords：high steel wire mesh； polymer mortar； reinforced concrete structure； strengthening

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固技術(shù)具有自重增加小、施工技術(shù)簡單、砂漿與混凝土之間具有良好的相容性等優(yōu)點(diǎn)，相對其他加固方式[12]，備受加固界青睞，廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固工程。吳剛等[3]、聶建國等[4]、郭彤等[5]對鋼絞線（預(yù)應(yīng)力鋼絞線）加固梁的抗彎性能進(jìn)行了實(shí)驗研究，預(yù)應(yīng)力鋼絞線對加固梁的開裂荷載、剛度、屈服荷載及最大承載力等均提高明顯。Saatcioglu等[6]對預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固鋼筋混凝土柱的受剪性能進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力的存在能夠明顯抑制斜向裂縫的開展，有效提高試件的抗剪能力；郭俊平等[7]研發(fā)了新型預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固混凝土柱張拉錨固系統(tǒng)，解決了鋼絞線無法成批張拉的工程問題；黃華等[8]、廖維張等[9]對鋼絞線加固后的梁的抗震性能及墩柱的沖擊性能進(jìn)行了研究。但眾多研究[7， 10]表明，高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固易發(fā)生砂漿加固層與舊混凝土界面剝離破壞。黃華、聶建國等[1112]對鋼絞線（預(yù)應(yīng)力鋼絞線）加固板、梁的抗彎性能進(jìn)行了試驗研究，舊混凝土與加固層之間采用設(shè)置膨脹螺栓來固定鋼絞線網(wǎng)，膨脹螺栓同時作為剪力鍵保證粘結(jié)面不發(fā)生剝離破壞。然而，隨著聚合物砂漿材料性能的改善，加固層厚度要求越來越薄，加固層中設(shè)置膨脹螺栓等剪力連接件難度增大。因此，如何在去除膨脹螺栓等固定裝置的前提下，保證加固層粘結(jié)面間應(yīng)力有效傳遞，充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼絞線的抗拉強(qiáng)度成為該加固技術(shù)亟待解決的問題。

本文從高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固層與舊混凝土界面粘結(jié)性能出發(fā)，通過開展加固試件的剪切粘結(jié)試驗，討論研究了在脫離鋼絞線固定裝置的前提下，如何改善聚合物砂漿加固層自身粘結(jié)性能，以期實(shí)現(xiàn)鋼絞線加固層與混凝土粘結(jié)面應(yīng)力的有效傳遞的同時降低加固層的厚度，從而為該項加固技術(shù)的工程應(yīng)用提供試驗依據(jù)，并為對高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固構(gòu)件的粘結(jié)面處理提出合理的建議。

1加固層粘結(jié)性能試驗設(shè)計

設(shè)計了3個系列8組共24個加固試件（表1），其中系列SJ為直接粘結(jié)試件（圖1），采用單側(cè)高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿層加固，分別考慮3種加固層長度對剝離破壞的影響；系列SJD中增設(shè)植筋輔助提高粘結(jié)性能，即在SJ系列單側(cè)加固的基礎(chǔ)上，在加固層內(nèi)植入鋼筋，以植筋與聚合物砂漿共同提高粘結(jié)性能，分別考慮植筋率變化對粘結(jié)性能和剝離破壞的影響；系列SJU為增設(shè)U型箍加強(qiáng)輔助提高粘結(jié)性能，即在SJ系列單側(cè)加固的基礎(chǔ)上，底面和兩側(cè)面增設(shè)U型的高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿，分別考慮U型加固區(qū)段長度變化對粘結(jié)性能和剝離破壞的影響。未加固試件均采用素混凝土方柱，試件尺寸為90 mm×150 mm×400 mm?；炷猎O(shè)計強(qiáng)度為C40，加固層聚合物砂漿強(qiáng)度為55 MPa，高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)為6×7+IWS型鍍鋅鋼絞線，計算截面積9.62 mm2。

試驗裝置如圖2所示。試驗中，將加固構(gòu)件放入掛籃中，試驗機(jī)下部安裝夾具夾持鋼絞線， 試驗機(jī)的運(yùn)動方向為單向向下。試驗中，由計算機(jī)自動進(jìn)行加載，同時記錄荷載、位移讀數(shù)以及試驗現(xiàn)象.一旦發(fā)生下列現(xiàn)象之一就立即停止試驗：1）鋼絞線復(fù)合筋被拔出或發(fā)生斷裂；2）混凝土與加固層界面剝離破壞；3）聚合物砂漿加固層破壞。

2加固層粘結(jié)性能試驗結(jié)果及分析

2.1試驗現(xiàn)象與破壞特征

系列SJ最終破壞形態(tài)為界面整體剝離破壞，如圖3所示。鋼絞線網(wǎng)和聚合物砂漿組成的加固層與混凝土界面僅靠底層聚合物砂漿粘結(jié)而成，界面粘結(jié)力較差，加固層在拉力作用下發(fā)生整體剝離，加固層界面一側(cè)表面上附著有剝離下來的部分混凝土。加載過程中， 加固層與混凝土界面出現(xiàn)一條與結(jié)合面平行的裂縫， 由加載端向上發(fā)展， 并最終將整個加固層連同界面上的部分混凝土一起剝離下來，構(gòu)件破壞呈現(xiàn)脆性破壞。

系列SJD最終破壞形態(tài)為聚合物砂漿加固層壓碎與端部局部剝離破壞，如圖4所示。加載過程中，加固層下邊緣出現(xiàn)微小裂縫并隨著荷載增加向加載端開展，裂縫多為豎直方向；裂縫發(fā)展至植筋附近，裂縫沿45°向上、下發(fā)展，并與加固層邊緣裂縫相連貫通，當(dāng)植筋僅為單排布置時，加載端發(fā)生局部剝離。當(dāng)植筋為兩三排布置時，與單排植筋相比，產(chǎn)生的裂縫更多，裂縫開展更加均勻，且在植筋所圍成的核心區(qū)，砂漿并未發(fā)生剝離，端部剝離面積較小，構(gòu)件破壞時呈現(xiàn)出良好的延性。

系列SJU最終破壞形態(tài)為聚合物砂漿加固角點(diǎn)區(qū)域局部剝離破壞，如圖5所示。加載過程中，U型加固角點(diǎn)區(qū)域首先出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的發(fā)展，加固層角點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)輕微的錯動，裂縫逐漸加大，直至加固層角點(diǎn)區(qū)域砂漿局部剝落，其中，部分試件出現(xiàn)了鋼絞線的拉斷。該系列試件破壞過程較為突然，為脆性破壞。

2.2試驗結(jié)果

由試驗現(xiàn)象可以看出，高強(qiáng)鋼絞線聚合物砂漿加固試件最終破壞形態(tài)可以分為兩種，一種為系列SJ的加固層整體剝離破壞，另一種為系列SJD及SJU的加固層局部損傷破壞。本文采用加固層剪切破壞荷載Pb評價加固層的整體粘結(jié)性能，而采用加固層剪切破壞強(qiáng)度τc評價加固的局部粘結(jié)性能。高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)聚合物砂漿加固層粘結(jié)性能剪切試驗結(jié)果見表2～3，其中，加固層剪切破壞強(qiáng)度τc為τc=Pb1A（1）式中：Pb為加固層剪切破壞荷載；A=bmLm為加固層粘結(jié)面積，bm為加固層寬度，Lm為加固層長度。其中系列SJU最終破壞時，底板剪切應(yīng)力均勻矩形分布，但腹板區(qū)域剪應(yīng)力沿著腹板由底向上遞減為零，腹板底部角點(diǎn)區(qū)域剪應(yīng)力最大，腹板區(qū)域剪切應(yīng)力呈三角形分布。故式（1）中的加固層粘結(jié)面積在腹板區(qū)域應(yīng)予以對半折減，系列SJU加固層剪應(yīng)力分布如圖6所示。

2.3試驗結(jié)果分析

由表2～3可知， 試件SJ及SJU的加固層剪切承載力Pb都隨加固層長度Lm的增加為提高，而在相同的加固層長度條件下，試件SJU試件Pb明顯大于試件SJ的Pb，原因在于試件SJ僅僅底板聚合物砂漿加固，而試件SJU在相同的加固層長度條件下，采用腹板與底板共同聚合物砂漿加固，大大提高了聚合物砂漿加固層的粘結(jié)面積，相對試件SJ，后者的剪切破壞荷載提高了近60%，對比情況見圖7（a）。

由表2～3同時可以看出，植筋加固試件SJD的加固層抗剪承載力Pb隨著植筋率的增加而提高；但在相同的加固層長度條件下，當(dāng)植筋率僅有0.25%時，植筋加固試件SJD相比試件SJ加固層剪切破壞荷載Pb卻下降了20%，而當(dāng)植筋率為50%、75%時，植筋加固試件SJD又比試件SJ加固層剪切破壞荷載Pb提高了10%及30%，如圖7（b）所示。由此可知，采用植筋方案增大加固層界面的粘結(jié)性能時，界面植筋存在最低配筋率，當(dāng)實(shí)際植筋率小于最低植筋率時，采用植筋增加的措施反而會降低界面的抗剪承載力。

1需要指出的是，引言中，加固層中設(shè)置膨脹螺栓等剪力連接件僅能設(shè)置在鋼絞線的張拉錨固端，其植入后與砂漿加固層的錨固厚度要求較大；而本文中植筋是指為了加大加固層與混凝土間的粘結(jié)力而植入混凝土內(nèi)，植筋可以在混凝土構(gòu)件內(nèi)分布設(shè)置，由于植筋分布區(qū)域大，數(shù)量多，固相對膨脹螺栓可有效的降低砂漿加固層內(nèi)的植入高度。

3加固層粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度計算

文獻(xiàn)[1314]指出影響新老混凝土界面抗剪性能的主要因素為界面粗糙度、界面劑（ 也稱界面膠） 及界面是否植筋與植筋率的大小。文獻(xiàn)[15]通過參考一些研究成果，在進(jìn)行理論分析后給出的界面抗剪強(qiáng)度計算公式為τ=τc+τs

τc=α1α20.166fcτs=0.56ρsvfy（2）式中：界面抗剪強(qiáng)度由混凝土界面抗剪摩擦力τc和植筋自身的銷栓力τs兩部分組成，其中，混凝土界面抗剪摩擦力τc的計算公式尚存在爭議，各國計算值離散較大，此處采用文獻(xiàn)[16]的推薦公式，α1為界面粗糙度影響系數(shù)，本文取值1.25[17]，α2為界面劑影響系數(shù)，考慮涂刷水泥凈漿取值1.5，代入式（2），τc=1.61 MPa。

圖8（a）為對比試件SJ及SJU不同粘結(jié)面積下粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)及回歸直線，兩系列試驗數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢相同，由回歸趨勢線可看出，用以代表加固層局部粘結(jié)性能的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度隨著粘結(jié)面積的增大而降低，這說明加固層的粘結(jié)面積盡管能有效提高加固層剪切破壞荷載，但卻同時降低了加固層剪切破壞強(qiáng)度，使得加固構(gòu)件應(yīng)力集中的區(qū)域趨于局部破壞；而系列SJU抗剪強(qiáng)度趨勢線位于系列SJ上方，說明即使在相同的粘結(jié)面積下，系列SJU抗剪強(qiáng)度高于系列SJ；而式（2）計算值又過高的估計了加固層粘結(jié)抗剪強(qiáng)度。

圖8（b）為植筋加固試件不同植筋率下粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)及回歸直線，由回歸直線可看出，τc與τs都隨著植筋率的增大而提高，同時，當(dāng)植筋率過小時，將削弱原有加固面的抗剪強(qiáng)度。這說明采用植筋方案不僅能提高加固層抗剪破壞荷載，同時，還能提高加固層抗剪強(qiáng)度，但應(yīng)保證植筋率大于最小植筋率，本文根據(jù)回歸線給出的最小植筋率建議值 ρsv=0.45%。

4結(jié)論

1）針對現(xiàn)有高強(qiáng)鋼絞線聚合物砂漿加固方法中無法擺脫鋼絞線固定裝置的不足，試驗研究通過聚合物砂漿加固層自身的粘結(jié)性能來保障加固層粘結(jié)面間應(yīng)力傳遞，從而達(dá)到加固的目的，并通過加大加固層粘結(jié)面積或植筋等措施改善加固層粘結(jié)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過上述改善措施能在一定程度上保障聚合物砂漿加固層的有效工作。

2）通過底板加固或U型加固等增加加固層面積的方法能有效提高加固層粘結(jié)剪切荷載，但卻降低了加固層粘結(jié)剪切強(qiáng)度，采用該方法并不能根本上改善加固層的粘結(jié)性能。

3）通過植筋加固的方法能有效的改善加固層的粘結(jié)性能，使得加固層剪切荷載及加固層剪切強(qiáng)度都得以提高，但實(shí)際工程加固時，應(yīng)保證植筋率大于最小植筋率，本文給出的最小植筋率建議值為0.45%。

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