钢纤维水泥砂浆钢筋网加固RC梁抗剪试验研究

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摘要：通过对2根对比梁和4根加固的钢筋混凝土梁的抗剪试验，研究不同剪跨比和不同受力方式下的RC梁采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固后的抗剪性能。主要分析了各组对比梁及加固试验梁的破坏形态，斜裂缝、挠度、应变的变化规律。依据实验结果，提出了钢纤维水泥砂浆钢筋网加固rc 梁的抗剪承载力计算公式, 计算结果与试验结果吻合较好，可为实际加固工程设计提供理论参考。

关键词：钢纤维水泥砂浆；钢筋混凝土梁；抗剪；加固

中图分类号：TU375.1 文献标识码：A

Shear behavior of RC beams strengthened by steel fiber ferrocement mortar

BU Liang-tao,Li†, Wei,Zeng Jian

(Civil Engineering College,Hunan University,Changsha,Hunan410082,China )

Abstract: Experimental research on shear test behavior of the different shear -span ratio and different stress modes is carried out through experimental researches of two general beams and four RC beams strengthened with steel fiber ferrocement mortar. Regulation for change of mode of failure, diagonal cracks, deflection and strain have been analyzed in the experiment. According to the test results, the computational formula of the shear load capacity of RC beams strengthened with the steel fiber ferrocement mortar is established. The calculated results fit well with the experimental results, to provide a theoretical reference for actual engineering designs.

Key words: steel fiber ferrocement mortar; reinforced concrete beams; shear behavior;strengthening

随着我国对基础设施建设的不断投入和房地产市场的持续发展，各类构筑物、建筑物越来越多，建筑结构加固已经成为建筑行业中越来越重要的一个分支，因而对建筑结构加固材料、加固方法以及施工工艺的研究也日益凸现出其重要意义。钢纤维水泥砂浆加固法是在混凝土构件表面绑扎钢筋网，用钢纤维水泥砂浆作为保护和锚固材料，使其共同工作，以提高结构承载力的一种加固方法。水泥砂浆钢筋网加固法在国外已经有较为广泛的应用[1]。采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固混凝土结构比其他加固方法更具有优势。钢纤维水泥砂浆是无机胶凝材料，与混凝土的材性十分接近，有很好的协调性和渗透性，另外有很好的耐火性能、耐腐蚀性能及耐久性能，且适用面广，基本不增加原结构构件的质量和截面尺寸。国内外学者[2]~[5]在这一加固领域开展了广泛的试验研究与理论探索。

为了使钢纤维水泥砂浆钢筋网加固法能在土木工程领域有更广泛的应用，在国内外学者研究的基础上，本文进一步研究了钢纤维水泥砂浆钢筋网加固法的抗剪性能，取得了一批有价值的成果。

引言部分.

1试验方案

1.1试验梁设计

本次试验共制作了6根试件，其中B1、B2为不加固的试验对比梁，B3、B5为一次受力的试验梁，B4、B6为二次受力的试验梁。试验梁截面尺寸为150mm×300mm，跨度为3200mm，两端外伸长度为100mm，净跨为3000mm，混凝土强度设计值为C30，梁底钢筋为4 22，梁顶钢筋为2 20，箍筋为 6@150，试验梁模板配筋图及加固方式如图1所示。

钢纤维水泥砂浆的组成为p.o.42.5普通硅酸盐水泥、中砂、钢纤维和水，配合比为水泥：砂：水为1：1.9：0.45，配合比参见文献[6]，试验梁基本参数如表1所示。试验梁加固方法为加固箍筋在集中力最大的区域四面加固，加固长度为支座至集中力处并向远端支座延长200mm，非集中力处采用三面加固。加固钢筋梁侧为 6@100×100，梁底为4 6，四面加固区域梁顶钢筋为3 6。

Fig.1 Geometric Details, Strengthening; Configuation of(mm)

Table 1Detail of Test Beam

试件

注：fcu表示原梁混凝土立方体抗压强度(N/mm2)；fyv表示原梁箍筋实测屈服强度(N/mm2)；fm表示钢纤维砂浆立方体抗压强度(N/mm2)；fsm表示加固钢筋实测屈服强度(N/mm2)。

1.2加载方案与测试内容

本次试验采用的加载装置为杠杆，加载砝码为混凝土试块，杠杆放大系数为5.2倍，试验时将混凝土试块放入吊篮中。试验采用分级加载，对比梁直接分级加载至构件屈服破坏；二次受力试验梁首先加载至预定比例，在保持荷载不变的情况下对原梁进行加固及养护，然后进行二次加载直至加固梁屈服破坏。

试验过程中通过静态电阻应变仪量测原梁钢筋、原梁箍筋、加固钢筋网、混凝土和加固砂浆的应变值；使用百分表量测每级荷载下的集中力作用点、跨中及支座挠度；使用裂缝刻度放大镜观察裂缝的出现及发展情况，裂缝垂直高度以及裂缝最大宽度值。

2试验结果及分析

2.1试验结果

试验梁根据剪跨比的不同分为两组，试验梁B1、B3和B4剪跨比为1.6，试验梁B2、B5和B6剪跨比为2.0。所有试验梁均加载到承载力极限状态，试验结果如表2所示，由表可知，与对比梁相比，加固梁的开裂荷载和抗剪承载力均有不同程度的提高，一次受力试验梁的开裂荷载提高的幅度最小为28.86%，最大为29.20%，抗剪承载力提高幅度最小为45.50%，最大为52.48%；二次受力试验梁抗剪承载力提高幅度最小为39.81%，最大为47.00%。由以上试验数据可以看出，抗剪承载力的提高幅度和剪跨比有关，剪跨比越大的构件抗剪承载力提高幅度越大。

注：Pcr1表示开裂荷载试验值；Pu表示极限荷载的试验值；Py 表示开裂荷载实验值之差；Pu 表示极限荷载的试验值之差。

2.2典型破坏形态

对比试验梁B1是典型的钢筋混凝土梁斜压破坏，破坏形态如所示。首先在靠近近端支座截面的构件腹部出现若干条大体平行的斜裂缝，方向与集中力作用点和支座的连线近似平行，斜裂缝向两端进一步发展，试验梁腹部被分割成几个倾斜的柱体，随着荷载的进一步增加，试验梁腹部的混凝土因主压应力的作用而破坏。试件B1、B3、B4均为斜压破坏。破坏形态如（a）所示。

二次受力试验梁B6是典型的钢筋混凝土梁剪压破坏。加载过程中首先出现受拉裂缝，裂缝自梁底出现，自下而上延伸。继续加载梁腹中部出现几条微细的斜裂缝，斜裂缝最大宽度为0.06mm。当荷载增大到一定程度时，剪跨段内某个受弯裂缝沿向上发展的方向首先发生倾斜，并转化为弯剪裂缝，裂缝继续延伸，形成临界斜裂缝，斜裂缝继续发展，直到斜裂缝顶端的混凝土在剪应力和压应力共同作用下被压碎而破坏。试件B2、B5、B6均为剪压破坏。（a）实验梁斜压破坏的典型破坏形态1

（b）实验梁剪压破坏的典型破坏形态2

Fig2Model damage Mode of Specimens

2.3斜裂缝分析

试验过程中描绘了试件受力后裂缝的开展情况，从试验可以看出，进行抗剪加固后，斜裂缝宽度及裂缝间距变小，数量增多，开裂荷载大于相应的对比梁，说明钢纤维水泥砂浆钢筋网加固使构件具有良好的抗裂性能，具有良好的使用性能。从裂缝的开展情况可知，相同荷载水平下，加固梁的裂缝宽度一般小于对比梁，加固层很好的限制了斜裂缝的发展。在相同的裂缝宽度下，试验梁承受的剪力值由大到小依次为：二次受力试验梁、一次受力试验梁、对比梁。荷载增加到一定水平，原梁箍筋和加固箍筋屈服后，斜裂缝的开展速度变大。

2.4挠度分析

试验中测取了试件的荷载-挠度变化关系曲线，试验结果如图3所示，由试验可以发现，加固构件的截面刚度得到了不同程度的提高，加固梁在破坏时延性有一定的改善。

第一组试验梁的荷载-挠度曲线如图3（a）所示，第二组试验梁的荷载-挠度曲线如图3（b）所示。从图中可以看出，在相同荷载作用下，加固梁的挠度相对于对比梁有所减小，曲线的斜率有所增大，因此试验梁的截面刚度得到了提高。二次受力试验梁在一次受力阶段的曲线斜率和对比梁基本吻合，二次受力开始阶段，加固梁的曲线斜率明显增大。一次受力试验梁进行了加固，因此在受力的开始阶段刚度就较对比梁和二次受力试验梁的刚度大，相同荷载作用下挠度偏小，而在加载后期的刚度与二次受力试验梁接近。加固梁的最大挠度均大于相应对比梁，说明与对比梁相比，加固梁破坏时延性有一定程度的提高，但与受弯破坏相比，受剪破坏呈现明显的脆性破坏特征。这是由于钢纤维水泥砂浆延缓了斜裂缝的开展，构件的刚度得到了提高。

（a）第一组试验梁挠度的比较

（b）第二组试验梁挠度的比较

2.5应变分析

根据试验的箍筋应变数据，对斜裂缝与箍筋相交处的应力状态进行初步分析。试验测得的荷载-箍筋应变曲线如图4所示。

对比梁试验结果如图4（a）所示，从图中可以看出，在斜裂缝未形成前，箍筋应变几乎为零，当构件有斜裂缝产生时，箍筋的应力值会发生突变。说明试验梁开裂前，构件所承受的荷载基本由混凝土承担，当斜裂缝穿过箍筋后，箍筋开始承担荷载。

一次受力试验梁荷载-箍筋应变曲线如图4（b）所示。一次受力试验梁，原梁箍筋与加固箍筋的应变曲线变化趋势基本一致，加固箍筋参与了原构件的受力，分担了部分荷载，说明加固效果良好，加固箍筋和原构件能很好的共同工作。

二次受力试验梁荷载-箍筋应变曲线如图4（c）所示。在受力开始阶段，加固箍筋的荷载-箍筋应变曲线与原梁箍筋基本吻合。构件出现斜裂缝后，加固箍筋的应变增长略微晚于原梁箍筋，因为二次受力加固梁在加固时已有一定应力水平，后加固部分的应力水平相对于被加固部分存在滞后现象，加载后期曲线变化趋于一致，有良好的协同工作能力。

（a）对比梁箍筋的应变

（b）一次受力试验梁箍筋的应变

（c）二次受力试验梁箍筋的应变

Fig.4Load-Stirrup Strain Curves of Beams

加固箍筋从以下几方面提高了梁的抗剪承载力：穿过裂缝的加固箍筋承受部分剪力；加固箍筋限制了斜裂缝的发展，使得更多的未开裂混凝土承担压应力；加固箍筋的约束作用限制了斜裂缝在弹性范围内的张开程度，使得由骨料咬合力作用传递的剪力得以维持和增强。

3加固梁承载力计算公式

加固梁的破坏形态与普通钢筋混凝土梁相似，可以用静力平衡法分析其抗剪承载力，采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固时，钢筋网的作用机理可以认为和箍筋相同。加固砂浆层、加固箍筋和加固水平腹筋对加固梁的抗剪承载力均有贡献。为简化计算，加固箍筋和加固水平腹筋的作用合为一项。

根据平衡条件，加固梁抗剪承载力计算公式为

（1）

式中：Vu为原梁的抗剪承载力[7]；Vsm为加固钢筋网的抗剪承载力; Vf为钢纤维水泥砂浆的抗剪承载力。

3.1二次受力影响系数

二次受力试验梁在加固前已加载，且加固时维持荷载不变，原梁箍筋和混凝土的初始应力在加固后保持不变，甚至因荷载的长期作用而有所增大，加固箍筋的应力水平相对于原箍筋存在滞后现象，二次受力试验梁的加固箍筋与一次受力试验梁的应力水平存在一定的差异。由表2试验数据可知，二次受力试验梁的抗剪承载力低于一次受力试验梁。

通过以上分析，结合试验数据，提出二次受力的影响系数计算公式为

（2）

式中：V0为一次受力时构件承受的剪力；Vu为原梁的抗剪承载力。

3.2加固钢筋项的计算公式

通常计算中不考虑水平加固钢筋的作用，为了使工程实际中承载力的计算更为简单，只考虑加固箍筋项的承载力，加固钢筋的抗剪承载力记为Vsm，则加固钢筋计算公式见下：

（3）

式中： sm为加固钢筋网的间距；fsm为加固钢筋的屈服强度；λ0为广义剪跨比；Asm为同一截面上各肢加固钢筋的面积；h0m为加固后截面有效高度，h0m=h0+t。

3.3 钢纤维水泥砂浆项的计算公式

钢纤维水泥砂浆在抵抗剪力作用时，有一定作用，为保持计算方法和现行规范保持一致，使公式的应用较为简便，参考《混凝土结构设计规范》GB 50010提出高性能复合砂浆层作用的计算公式为

（4）

式中：λ为剪跨比[8]；t为加固层厚度；ftm为钢纤维水泥砂浆抗拉强度。

3.4 计算值与试验值比较

计算值和试验值及其比较结果见表3。从表中可知加固梁抗剪承载力计算值与试验值吻合较好。

注：表中为加固钢筋网的抗剪承载力; 为钢纤维水泥砂浆的抗剪承载力；为加固梁抗剪承载力计算值； 为加固梁抗剪承载力试验值。

4结 论

1）采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固RC梁，可以在一定程度上提高构件的抗剪极限承载力；

2）采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固构件，加固梁斜裂缝的发展要滞后于相应的对比梁，相对于对比梁，加固梁的斜裂缝呈现出“细而密”的特点；

3）采用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固RC梁，可在一定程度上提高构件的延性；

4）利用钢纤维水泥砂浆钢筋网对RC梁进行抗剪加固，加固箍筋和原箍筋的应变增长能基本保持一致，说明加固箍筋和原构件协同受力的性能较好。

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