钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱轴压试验研究.pdf

四川建筑科学研究 第 卷第 期 年 月 收稿日期： 作者简介： 袁敏（ ） ， 女， 讲师， 研究方向： 建筑结构。 ： 钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱轴压试验研究 袁敏 （ 绵阳职业技术学院， 四川 绵阳 ） 摘要： 目前常用的三种钢筋混凝土柱加固方法有加大截面法、 外包钢法和纤维复合材料法， 都有各自的不足， 本 文试图提出钢筋（ 大直径） 钢丝网砂浆加固混凝土柱的新方法， 并对该方法加固的混凝土柱进行了轴压试验研究。 关键词： 钢筋钢丝网； 砂浆； 加固混凝土柱； 轴压试验 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） 引言 混凝土柱是最重要最常用的构件之一。常用加 固方法有三种 ： 一是加大截面法， 该法材料费用 低， 但需要支模等复杂工序， 工期长， 被加固构件截 面积增加较大。二是包钢法， 此法力学性能好， 但用 钢量大且易受腐蚀。三是碳纤维复合材料（ ） 加固法， 该法因轻质高强、 施工简便而在近年来广为 流行， 但由于碳纤维是脆性材料， 延伸率（ ） 远小于塑性材料钢筋（ ） ， 使被加固构件的延 性远不及加大截面法和包钢法； 又由于环氧树脂是 有机材料， 还存在不耐光和热（ 度时开始软化） 等 缺点 ， 而且成本很高， 如加固一直径 高 的柱， 用 厚碳纤维布 层， 材料费超过 元（ 按每层纤维与环氧树脂 元 计算） 。 钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱既可克服以上三 种常用加固方法的缺点， 又可综合它们的部分优点。 本文拟提出一种钢筋（ 大直径） 钢丝网砂浆加固混 凝土柱的新方法（ 采用大直径钢筋可大幅度提高被 加固构件的承载力； 钢丝网砂浆薄层则既保证与大 直径钢筋很好地共同工作， 又使被加固构件具有优 越的耐久性和延性； 钢筋钢丝网还可比钢筋网对核 芯混凝土提供更有效的约束， 施工也保持简易） ， 并 对该方法加固的混凝土柱进行轴压试验研究。 试验设计 试验用材料 钢丝和钢筋 钢丝网砂浆中一般使用的钢丝网采用编织钢丝 或者焊接钢丝网， 本文选取的是镀锌焊接钢丝网。 钢丝网直径 之间， 网格间距在 至 之间， 本次钢丝网性能 试验选取规格： 钢丝网直径 ， 网格间距为 。试验加载设备使用型号为 电子万能试验机进行单轴拉伸试验， 试验机加载速 度为 。试验机夹持端夹持钢丝长度超过 ， 以防止钢丝在拉伸过程中滑动， 钢丝拉伸试 验段长度为 左右。在本次试验中， 由于钢 丝网中纵向、 横向钢丝为焊接， 焊点对钢丝拉伸性能 有一定影响， 为了准确测量钢丝网的钢丝性能， 把钢 丝网剪成单束钢丝和三束钢丝两类， 试件共制作 个。 如表 所示， 钢丝屈服强度为 ， 极限强度为 ， 弹性模 量为 。 环向箍筋 ， 屈服强度为 ， 极限强度 为 ， 弹性模量为 。纵向分布筋为 ， 屈服强度为 ， 极限强度为 ， 弹性模量为 。 表 材料主要参数 材料 屈服强度 极限强度 弹性模量 备注 钢丝 钢筋 钢筋 碳纤维 厚 玻璃纤维 厚 纤维复合材料 各种纤维编织成的纤维复合材料（ ， ） 的名义厚度均为 。 实测碳纤维（ ， ） 极限强度为 ， 弹性模量 ； 玻璃纤维（ ， ） 极限强度为 ， 弹性模量 。纤维 复合材料和钢丝网照片见图 。 图 试验纤维复合材料和钢丝网 混凝土与砂浆 混凝土配合比为： 水 水泥 砂 石 （ 质量比） ， 实测 天立方体抗压强度为 。外抹砂浆配合比为： 水 水泥 砂 （ 质量比） ， 实测 天立方体抗压强度为 。 制作混凝土对比柱 共制作 根混凝土圆柱， 其中 根直径为 ， 另外 根直径为 ， 高度均为 ， 如图 所示。这些圆柱用圆形的 管浇筑 而成， 小时拆模后放入石灰水池， 养护 天后取 出待用。 图 各加固试件截面示意 加固混凝土柱 在 柱外侧绑扎 箍筋和 纵 向分布钢筋加固成 试件或绑扎 箍筋和 纵向分布钢筋以及钢丝网加固成 系列试件 （ 根据所用钢丝网层数不同， 分为 、 、 和 ， 详见表 ） ， 所有试件箍筋接头及箍筋与纵 筋交接处焊接， 然后压抹砂浆， 加固后所有 试件和 系列试件加固层厚度约为 ， 试件在石灰 水水池中养护 天。在 混凝土柱表面用 环氧树脂胶粘贴两层单一纤维复合材料（ ） 或两 层混杂纤维复合材料（ ） ， 试件加载前至少放 置 天以利于环氧树脂胶完全固化。加固后所有 试件（ 包括 试件、 系列试件、 系列试件和 系列试件） 柱直径相近， 如图 所示， 便于对 比研究。 图 加固试件照片 试件分组 如表 所示， 根据加固材料的不同， 将试件分 为： 素混凝土对比试件、 钢筋网砂浆加固试件、 系列钢筋钢丝网砂浆加固试件、 单一纤维 复合材料加固试件和 混杂纤维复合材料加 固试件 个系列。根据各系列材料用量的不同， 再 将 个系列细分为 组： 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 和 。 表 试件主要参数 试件系列试件分组 柱直径 配筋率 加固前加固后箍筋钢丝网 纤维混杂比 （ ） 备注 素混凝土 素混凝土 钢筋网 钢筋网 层钢丝网 钢筋网 层钢丝网 钢筋网 层钢丝网 钢筋网 层钢丝网 两层碳纤维 两层玻璃纤维 两层混杂纤维 两层混杂纤维 两层混杂纤维 注： 表中， 系列中箍筋配筋相同， 钢丝网配筋不同； 系列和 系列中 和 的混杂比例不同， 层数均为 层。 袁敏： 钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱轴压试验研究 试验加载方法和测量 采用 液压式压力机进行轴压破坏试 验， 加载速率为 （ 约 ， 参考 ） 。荷载由 型轮辐式力传感器 测量， 用 个应变片测量试件中部 范围内 的纵向应变和环向应变， 同时用位移计测量两加载 端之间的相对位移。荷载、 应变及位移数据由 数据采集系统自动采集， 采样频率为 。 试验结果与分析 受力机理与破坏过程 钢筋钢丝网砂浆加固 系列试件、 钢筋网砂 浆加固 试件、 纤维复合材料加固 和 系 列试件和对比柱 系列试件的荷载 应变（ ） 曲 线、 荷载 位移（ ） 曲线和破坏形态分别如图 所示。 图 典型试件荷载 应变（ ） 曲线 图 典型试件荷载 轴向位移（ ） 曲线 和 加固试件试验分析 和 加固各试件的破坏形态如图 所 示。 荷载 应变和荷载 位移的分析得出其关系近似 为双折线， 可分为两个阶段： 第一阶段为弹性阶段， 第二阶段为弹塑性阶段。折线第二阶段的斜率与 或 “ 约束刚度” 密切相关。 试件的 “ 约束刚度” 最大， 双折线转折点（ 第一、 二阶段的分 界点） 最高， 曲线上升斜率最大， 极限承载力也 最大； 在达到极限荷载时， 中部 突然断裂， 发 出巨大响声， 断裂处混凝土碎块四处飞溅。 试 图 各试件破坏形态 图 和 试件破坏形态 件的“ 约束刚度” 相对最小， 曲线上升最平缓， 在第二阶段达到极限荷载 后， 肉眼可见柱中部 局部外鼓， 最后部分 断裂， 发出较大声音， 有混凝土碎块挤出。 试件在加载过程中未出 现希望的“ 准塑性” 阶段， 这可能是 的匹配不 够合理， 导致混杂效应不明显。本批 试件破 坏过程与单一 试件相似， 当荷载达到 极限 荷载时， 肉眼可见柱中部有外鼓， 最后大范围 断裂， 试件破坏， 破坏时声音较大， 有混凝土碎块从 断裂处涌出。 钢筋网砂浆加固试件试验分析 钢筋网砂浆加固 试件的 和 曲线 外形与 试件基本相似， 可将 试件的荷载 位移 曲线划分为三个阶段： 第一阶段， 试件处于弹性阶 段， 荷载 位移曲线为直线。第二阶段， 试件进入弹 塑性阶段。在荷载达到极限荷载的 左右时， 开 始出现纵向可见裂缝， 随着荷载缓慢增加， 裂缝向上 开展， 并且裂缝逐渐变宽。第三阶段试件表面裂缝 开展加快， 大的裂缝继续发展成为破损带， 此时核心 混凝土仍受到箍筋约束， 最后， 试件外围砂浆严重开 裂并呈大块剥落， 从剥落较深处可见核心混凝土， 核 心混凝土被压碎， 部分箍筋被拉断， 试件完全破坏。 试件在加载过程中裂缝数量明显少于 试件， 且裂缝宽度较大， 砂浆呈大块剥落。 四川建筑科学研究第 卷 钢筋钢丝网砂浆加固试件 钢筋钢丝网加固试件 、 总体受力性能 相似。 试件的 和 曲线也可分为三个 阶段。以 试件为例， 第一阶段为弹性阶段： 从 开始加载直至达到 的极限荷载。第二阶段为 带裂缝工作阶段： 本阶段试件表面开始出现可见纵 向裂缝， 随荷载加大， 裂缝数量不断增加， 裂缝间距 呈钢丝网网格大小， 但裂缝宽度始终很小； 柱中部微 凸， 本阶段试件刚度逐渐软化， 表现出明显的非线性 软化行为， 直至钢丝和钢筋相继屈服。第三阶段为 钢丝网、 钢筋屈服后阶段： 箍筋和钢丝网保持屈服应 力不变， 钢丝网和钢筋塑性变形不断加大， “ 约束刚 度” 几乎降为零， 核心混凝土在三轴压应力下发生 挤压流动， 而屈服后钢筋和钢丝网在较长时间内尚 可承受一定的环向应力， 使混凝土的挤压得以缓慢 进行， 试件达到极限承载力 之后， 曲线呈缓 慢下降趋势且持续时间较长， 柱中部外凸明显， 核心 混凝土在定值约束应力下继续横向膨胀直至达到极 限强度， 砂浆表面纵横裂缝越来越宽， 部分钢丝网网 格内（ 约 ） 砂浆保护层呈小片剥落 （ 可听见细碎响声） ， 但钢丝网仍然能较有效约束砂 浆不发生大面积脱落。最后， 加固柱中部显著外凸， 有部分钢丝网和箍筋相继被拉断（ 图 ） 。需说明， 大部分试件没有发生核心混凝土冲破钢筋钢丝网外 层的状况， 这种破坏模式与钢管混凝土相似， 这是因 为分散性很好的钢丝网发挥了类似钢管的作用。 图 系列试件破坏形态及砂浆表面纵横裂缝 从图 中可以看到钢筋钢丝网砂浆加固 系 列试件在加载过程中， 试件表面出现很多细小的纵 横交错裂缝， 还有呈网格大小的小片砂浆碎片从裂 缝中剥落， 这与钢筋网砂浆加固试件只有纵向裂缝、 砂浆层大块剥落有根本不同。在加载过程中， 两组 试件中部都开始向外膨胀， 砂浆外鼓， 不同的是， 试件纵向裂缝数量少， 裂缝宽度大， 砂浆表面未能形 成多条横向裂缝时， 表层砂浆已经大块剥落。 试件由于钢丝网格间距小， 配筋分散性好， 试件裂缝 数量很多， 且在柱中部明显外凸后， 纵向拉应力 作用下， 产生了密集的横向裂缝， 形成钢丝网格大小 纵横交错的裂缝， 这些裂缝的形成需大量耗能， 试件的延性因此大幅度提高。 加固效果的讨论 极限承载力 组试件的实测极限荷载分析。与 试件相 比， 增加箍筋的 试件的实测核心混凝土名义抗压 强度从 提高到 ， 增加到 倍。 系列试件的实测核心混凝土名义抗压强度随着 钢丝网层数增加小幅度增大（ 一层钢丝网的配筋率 约为钢箍的 ） ， 的 值分别为 和 试 件的 倍和 倍。 的实测核心混凝土名义 抗压强度值则分别为 和 试件的 倍和 倍。 试件的抗压强度值最大， 为 试件的 倍。 和 试件的抗压强度则是 试件 的 倍。 延性及变形能力 对于 和 试件， 可取加固柱剩余承载力 作为极限点评价其延性。尽管 试件 承载力是 试件的 倍， 试件的轴向位移延 性比 却是 的 倍， 这是因为 试件的砂 浆层上纵横裂缝又多又密而大量耗能。需说明， 由 于 是脆性材料， 在评估耗能能力时， 在“ 加 固柱线性和非线性两阶段” 积蓄的“ 弹性能” 均应扣 除； 此外， 由于 约束刚度大， 破坏前核心混凝土 中积蓄的相对更多的弹性能亦应扣除。而 的 最大变形也只能用来评价其变形能力， 不能用于评 价延性。 试件的变形能力相对最大， 如 、 和 试件的最大轴向位移 分别为 、 和 。 材料费用及施工简易程度 材料价格最高， 每层 加环氧树脂约 元 ， 试件材料价格仅为 元 。 试件 加固施工（ 混凝土表面凿毛， 绑扎钢筋钢丝网， 压抹 砂浆） 与 加固施工（ 混凝土表面打毛、 糙化， 分 层涂树脂粘贴纤维） 的简易程度相近。且实际工程 常需在 外抹灰， 使两种方法加固柱的最终截面 尺寸相近。 关于合理钢丝网规格与层数的讨论 从试验研究结果可以看出， 钢丝网的配筋越分 散， 对砂浆的约束效果越好， 即钢丝网的直径越小、 网格越密， 加固效果更好。但在施工过程当中， 钢丝 网直径大小、 网格间距和网片层数直接影响砂浆的 压抹质量。若保证配箍率一定时， 选择钢丝网直径 袁敏： 钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱轴压试验研究 太小必然导致钢丝网网格间距变小或者钢丝网层数 增加， 而使用钢丝网网格间距太小或者钢丝网层数 过多， 施工过程难以将砂浆压抹密实。本文试验中， 四组试件， 除 试件较 试件加 固效果有明显提高外， 试件和 试件较 试件并未明显提高效果。综合本文试验， 的钢 丝网用量最为合理， 其钢丝网直径为 ， 网格 间距为 ， 配箍率为 。 结论 ） 钢筋钢丝网砂浆（ ） 加固法既能有效提高 混凝土圆柱的极限承载力， 又能大幅度提高延性， 这 是因为 的优越配筋分散性使加固柱加载过程中 出现大量纵横交错的细小裂缝（ 网格间距） 而大 量耗能。 试件的极限承载力比钢筋网加固（ ） 试件提高 ， 同时， 试件的轴向位移延 性是 试件的 倍。 ） 粘贴纤维复合材料（ ） 能有效提高混凝土 圆柱的极限承载力。但延性相对较差， 这一是因为 本身是脆性材料， 二是因为 的强力约束使 混凝土仅发挥出较小的塑性变形。 ） 钢丝网以两层为宜， 既可有效提高被加固构 件的延性， 又易于压抹砂浆， 确保施工质量。 参 考 文 献： 刘西拉 结构工程学科的进展与前景 北京： 中国建筑工 业出版社， 张鑫， 李安起， 赵考重 建筑结构鉴定与加固改造技术的进 展 工程力学， ， （ ） ： ， 马晓升 纤维复合材料加固混凝土的几个重要问题 汕 头： 汕头大学， 姜浩， 熊光晶， 等 碳纤维 玻璃纤维复合加固混凝土柱的抗 压性能研究 汕头大学学报， ， （ ） ： 尚守平 钢丝（ 筋） 网复合砂浆加固混凝土构件 第 届 全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集 重庆： 重庆出版 社， ： 吴小勇， 李丰丰， 严洲， 等 钢筋钢丝网砂浆加固混凝土圆柱 的抗轴压性能 工程力学， ， （ ） ： 櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏 （ 上接第 页） 朱宏平， 徐文胜， 陈晓强， 等 利用声发射信号与速率过程理论 对混凝土损伤进行定量评估 工程力学， ， （ ） ： ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ）， ， （ ） 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