高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层抗震加固钢筋混凝土梁柱平面节点的试验研究

高强钢绞线网－聚合物砂浆复合面层抗震加固钢筋混凝土梁柱（平面）节点的试验研究报告摘要：高强钢绞线网－聚合物砂浆复合面层加固法是一种新型加固工艺，它具有耐火、耐腐蚀、耐老化等优点。通过2个采用该方法加固的钢筋混凝土框架节点（其中一个节点震损后再加固）和1个对比节点的低周反复荷载试验，比较了不同加固方式的加固效果，分析了相应的加固机理。研究结果表明，采用该技术加固节点能有效的提高节点的抗剪承载力和耗能能力。本研究在试验的基础上提出了采用高强钢绞线网—聚合物砂浆复合面层加固钢筋混凝土框架节点抗剪承载力的计算方法，计算结果与试验结果符合较好。关键词：高强钢绞线网聚合物砂浆梁柱节点加固1前言钢筋混凝土框架节点是框架结构中重要的组成部分，起着传递、分配内力和保证结构整体性的作用。国内外大量的震例表明，钢筋混凝土框架节点的破坏是比较明显的，然而当前的建筑抗震加固技术规程对于框架节点的抗震加固还没有明确规定。目前对于框架节点抗震加固的方法虽然已经研究了粘贴碳纤维、粘钢板等加固方法，但是由于粘贴碳纤维和粘钢板的粘结胶属于有机材料，耐高温性能和耐火性能相对较差，耐久性能也有待改善。高强钢绞线网－聚合物砂浆加固技术是近几年来在国外发展起来的新型技术。高强钢绞线具有强度高、不锈、柔软性好、运输及施工方便等优点，聚合物砂浆为水性材料，无有害挥发性气体，对环境和人无影响，与混凝土材料粘结性能良好，耐久、耐火性能好[4-5]。因此高强钢绞线网－聚合物砂浆加固技术具有技术先进、耐久抗火、无毒环保等优点。目前关于该加固技术的主要研究成果有：清华大学聂建国教授等采用高强钢绞线网－聚合物砂浆对钢筋混凝土梁分别进行了抗弯加固和抗剪加固的试验研究，结果表明加固后梁的承载力可以得到显著提高，抗弯刚度也得到提高，而且可以较好地约束裂缝的发展[2-3]；中国建筑科学研究院还对该技术进行了加固钢筋混凝土柱的试验研究，加固后柱的承载力、耗能能力和延性系数都得到了明显提高[4]；中国建筑科学研究院王亚勇研究员等进行了高强钢绞线网－聚合物砂浆加固了15片砖墙的试验研究，结果表明砖墙的抗剪承载力可以提高50%以上[5]。中国美术馆和厦门郑成功纪念馆等多项加固改造工程已经应用了该加固技术。然而这种加固技术在我国的研究还刚起步，而且大多数研究的加固材料是从国外进口的，目前国内外尚未见到有关该加固技术用于梁柱节点抗震加固的试验研究报道，因此很有必要在我国进行该加固技术的进一步研究。本文采用我国研发的加固材料进行高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层抗震加固钢筋混凝土梁－柱－板组合框架节点的试验研究。2试件设计为了如实体现钢绞线网加固节点的效果和加固后节点的抗震性能，本试验的试件为平面框架中间十字型节点，考虑到实际情况，试件带有楼板，原型结构为一般的非抗震框架结构。根据试验设备和试验目的，试件的几何尺寸设计为原型结构节点尺寸的1/2左右。为了能够比较真实地模拟实际框架节点的边界条件，节点梁柱分别取到梁柱反弯点处左右，同时梁长和柱高也考虑了试验加载设备的要求。试件的数量共有5个，其中4个试件进行加固，1个为对比试件。为了便于比较，5个试件的几何尺寸和配筋都相同，见图1。图1试件的几何尺寸和配筋钢筋和混凝土的强度采用工程中比较常用的等级，混凝土为C25，梁和柱的纵筋采用ІІ级，箍筋和板的钢筋采用І级。根据试验目的，试件配筋按照非抗震节点进行设计，核心区、梁端和柱端的箍筋没有加密。试件在制做时预留各种受力钢筋以测试强度和弹性模量，实测的钢筋力学性能的见表1。为了保证各试件的可比性，五个试件的混凝土采用商品混凝土一次性浇注完毕，浇试件的混凝土的同时制做立方体试块3个，试块的养护条件与节点试件相同，以留作试验时测试混凝土的强度指标，测得的混凝土立方体抗压强度见表2。试件的预埋件、吊环和表架见图2。表1钢筋力学性能的实测值(N/mm2)钢筋屈服强度fy极限强度fu弹性模量Φ63055201.93×105Φ143555901.87×105Φ163656001.92×105表2混凝土立方体抗压强度的实测值(N/mm2)设计强度试块1试块2试块3平均值C2532.733.231.032.3图2预埋件、吊环和表架图2预埋件、吊环和表架3加固方案本次试验的参数主要是加固前是否受损和加固方式，节点各试件的加固方案的主要参数见表3。表3试件的加固方案试件编号加固前状况加固方式J1完好不加固J2完好加固方式1J3完好加固方式2J4震损加固方式1J5震损加固方式2首先对两个试件J4、J5模拟中等地震作用下的损伤，损伤程度为节点核心区出现交叉的斜裂缝，然后再对试件J2、J3、J4、J5采用高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层进行加固。加固方式分为两种，第一种加固方式的钢绞线的布置见图3，主要在核心区的前、后侧面和在梁端、柱端环向加钢绞线网。第二种加固方式的钢绞线的布置工序见图4，与第一种加固方式的区别是，第二种加固方式核心区楼板下面的钢绞线网分别向梁端、柱端各延伸150mm。第一种加固方式的主要加固工序是，首先加固部位混凝土表面的处理，接着分别在节点核心区前后侧面加水平方向和竖直方向的钢绞线网，然后分别在梁端、柱端环向包裹钢绞线网，梁端、柱端包裹钢绞线网的长度分别为450mm和300mm，最后在钢绞线网的外面粉刷聚合物砂浆。设计各道工序的作用是，混凝土表面的处理可以有核心区的钢绞线网可以直接参与抗剪作用和提高混凝土的约束作用；在靠近节点的梁根、柱根环向缠钢绞线箍是为了满足梁端、柱端箍筋加密的抗震要求；聚合物砂浆使钢绞线网与试件共同工作，同时保护钢绞线网，增加耐久性和耐火性。图3两种加固方式图3两种加固方式加固时的主要施工要点为：1、首先是加固处混凝土表面的处理，剔除混凝土基层表面的疏松部分，用水冲去表面的浮灰；2、用固定钉将钢绞线网固定在被加固面上，并拉紧钢绞线网；3、然后用钻头打固定孔，将套有垫圈的固定销安装于钢绞线网的结合部位，锚固钢绞线网；4、用清洗施工面，避免因灰尘而降低灰浆粘结力；5、刷界面剂，以保证加固砂浆与原混凝土有良好的粘结，界面剂的配比为界面剂乳液：水泥：中砂＝6：1：2，而界面剂乳液按甲组分：乙组分＝3：1配制；6、抹聚合物砂浆：趁界面处理未干将按配比制好的聚合物砂浆压抹在基层上，分两次抹好，聚合物砂浆的厚为20mm，其中聚合物砂浆的配比为聚合物乳液：水泥：中砂＝1：2：4。加固所采用的钢绞线网是由镀锌钢丝绳在工厂编织而成，根据中国建筑科学研究院抗震所委托国家金属制品质量监督检验中心的检验结果，钢丝绳的技术指标见表4，编制成的钢绞线网片示意图见图4。表4钢绞线网钢丝绳的检验结果钢丝绳的结构规格6x7+1ws-3.05-1470钢丝绳破断拉力(N)7680钢丝绳弹性模量(GPa)134钢丝绳截面面积(mm2)4.68钢丝绳的极限强度(MPa)1641图4图4钢绞线网片示意图表5砂浆标准试块的强度实测值(N/mm2)强度试块1试块2试块3试块4试块5试块6平均值抗压强度11.5012.0611.3011.038.8311.9711.57抗折强度5.255.856.255.956.605.255.864量测方案本试验的量测项目和所用仪表如下，荷载和位移的测点布置见图5，钢筋上应变测点的布置见图6。A、施加荷载大小：通过千斤顶下的荷载传感器A测定；B、梁端位移：用电测位移传感器B测定，量程100mm，测点距离柱边1200mm；由梁端荷载和梁端位移通过数据记录仪可以得到加载过程的荷载—变形滞回曲线。C、梁端纵筋的应变：通过粘贴在梁端纵筋上的电阻应变计量测；D、核心区箍筋的应变：通过粘贴在箍筋上的电阻应变计量测，测点沿核心区对角线方向布置，这样可测得箍筋的最大应力值；E、裂缝：记录裂缝的出现、开展情况。为了方便观察裂缝，在试件的表面用白石灰水刷白。图5荷载和位移的测点图5荷载和位移的测点图6钢筋应变测点5加载方案为了研究加固节点的抗震性能，进行低周反复加载试验，采用梁端加载方案，试验装置见图7。把节点试件安放在荷载支承架内后，首先在柱顶通过液压加载器施加固定的轴向荷载，然后在梁的两端用四个液压加载器施加反对称低周反复荷载，反对称荷载通过油泵系统控制同步加载。整个加载系统保持在同一平面内。图7试验装置图8加载制度试验加载根据《建筑抗震试验方法规程》（GBJ101-96）进行，加载制度见图8。试件屈服前采用荷载控制，分别取预估屈服荷载的0.5倍、0.75倍和1.0倍进行加载；试件屈服后采用变形控制，变形值取屈服时试件的最大位移值，并以该位移的倍数为级差控制加载。屈服前每级荷载反复一次，屈服后每级反复三次。加载至试件的承载力下降到最大承载力的80%或滞回环出现不稳定状态时终止试验，取试件极限荷载下降15%时的荷载为破损荷载。图8加载制度6试验结果和分析6.1试验现象试件J1为没有加固的对比试件。当梁自由端的反复荷载P=10kN时，首先梁侧面出现细微竖向裂缝；当P=15kN时，在节点核心区出现多条斜向裂缝；当P=20kN左右时，节点核心区出现两条交叉斜裂缝，水平箍筋的应力增长明显加快，则认为进入通裂屈服阶段；当梁端位移Δ=22.5mm时，节点核心区交叉斜裂缝的发展已经很明显；Δ=45mm时，节点核心区的交叉斜裂缝发展很宽，梁的残余变形较大；当Δ=67.5mm时，裂缝发展主要集中在节点核心区部位，不断有混凝土脱落。试件J1的破坏形态为核心区剪切破坏。试件J2为按加固方式1加固的试件。当P=11kN时，在左、右梁侧面发现有细微裂缝；当P=17kN时，在节点核心区出现多条斜向裂缝；当P=23kN时，在梁侧面和节点核心区的砂浆表面发现连通的裂缝，此时滞回曲线上出现拐点，并且梁的纵向钢筋应变也接近屈服，则认为试件已屈服，转为位移控制。梁端位移Δ=22.5mm时，梁根部裂缝发展明显，梁侧面出现的斜裂缝不断变长、变宽，节点核心区也出现交叉斜裂缝；Δ=45mm时，左、右梁侧面和根部的裂缝继续发展，梁根部的裂缝较宽，节点核心区的交叉斜裂缝发展明显，梁的残余变形较大；当Δ=67.5mm时，梁侧面的裂缝发展已基本停滞，但梁根的裂缝进一步变宽、变深，破坏截面出现在梁与核心区的交接处。图9试件J1、J2和J3的破坏形态试件J3为按加固方式2加固试件，其裂缝出现和开展与试件J2基本相似，试件J3与J2的主要区别是，J3的屈服位移仅为J2屈服位移的60%，J3左梁的破坏截面离开了核心区一定的距离，从“梁铰应远离节点”的角度考虑是有利的，而且J3核心区的裂缝更密更细。图9试件J1、J2和J3的破坏形态试件J1、J2和J3的破坏形态如图9所示，图中粗黑线为较深的裂缝。可见两个加固试件的破坏形态为梁端弯曲破坏。试件J4为按加固方式1加固的试件。当P=11kN时，在左、右梁侧面发现有细微裂缝；当P=17kN时，在节点核心区出现多条斜向裂缝；当P=22kN时，在梁侧面和节点核心区发现连通的裂缝，此时滞回曲线上出现明显拐点，并且梁的纵向钢筋应变也接近屈服，则认为试件已屈服，转为位移控制；梁端位移Δ=17mm时，梁根部裂缝发展明显，梁侧面出现的斜裂缝不断变多、变长、变宽，节点核心区表面出现交叉斜裂缝；当Δ=34mm时，左、右梁侧面和根部的裂缝继续发展，梁根部的裂缝较宽，节点核心区的砂浆表面的交叉斜裂缝发展明显，梁的残余变形较大，纵筋滑移很严重；当Δ=51mm时，梁根的裂缝进一步变宽、变深，破坏截面出现在梁端与核心区的交接处。试件J5为按加固方式2加固试件，其裂缝出现和开展情况与试件J4基本相似，试件J5与J4的主要区别是J5左梁的破坏截面离开了核心区一定的距离，从“梁铰应远离节点”的角度考虑是有利的。图10试件J1、J4和J5的破坏形态试件J1、J4和J5的破坏形态如图10所示。两个加固试件虽然在加载后期也有核心区剪切破坏的现象，但梁端弯曲破坏的现象更明显。图10试件J1、J4和J5的破坏形态6.3承载力、位移和延性各试件的屈服荷载、极限荷载和位移延性等主要试验结果见表6。由表6可知，加固试件的屈服荷载提高了15%左右，极限荷载提高了19%左右，试件J3、J5的位移延性系数分别提高到5和4。表6各试件的试验结果汇总项目J1J2J3J4J5屈服荷载极限荷载屈服位移破坏位移位移延性20.025.622.567.5323.030.122.567.5323.030.816.566.0522.028.617.051.0323.030.516.566.046.2滞回曲线和骨架曲线各试件的梁端荷载－位移滞回曲线和骨架曲线见图11、图12。图11梁端荷载－位移滞回曲线和骨架曲线图11梁端荷载－位移滞回曲线和骨架曲线图12梁端荷载－位移滞回曲线和骨架曲线图12梁端荷载－位移滞回曲线和骨架曲线6.4强度退化和刚度退化结构的退化性质反映结构积累损伤的影响，是结构抗震性能的重要组成部分。强度退化是指在循环往复荷载作用下，当保持相同的峰点位移时，峰值荷载随循环次数增加而降低的现象。强度退化可以用承载力降低系数λi来衡量，λi=,式中和分别为第i级位移加载时第3和第1循环的荷载峰值。刚度退化是指在循环往复荷载作用下，当保持相同的峰点荷载时，常出现峰值位移随循环次数增加而增加的现象。刚度退化可以用环线刚度Ki来衡量，Ki＝,式中为第i级荷载时第j循环对应荷载峰值的位移。各试件的强度降低系数和刚度降低系数随梁端位移的变化情况分别如图13、图14所示。图13图13试件强度退化比较图14各试件刚度退化比较由图可见，加固试件J2、J3的强度退化、刚度退化都比未加固试件J1的有所改善，而且试件J3比J2改善的更明显；而震损后再加固的试件J4、J5的强度退化都比试件J2、J3明显，说明震损对于节点的强度退化有明显影响；试件J4、J5加固后的刚度退化都有所改善，而且试件J5比J4改善得更明显，说明采用第二种方式加固的试件抗震性能更好。6.5纵筋应变比较在柱边截面处各试件的纵筋应变见图15。可见加固后纵筋的应变减小了。6.6箍筋应变与钢绞线的应变比较箍筋应变与钢绞线的应变比较见图16。可见在通裂前钢绞线的应变低于箍筋的应变，在通裂后钢绞线的应变高于箍筋的应变，但钢绞线的应变远没有达到屈服阶段。图16箍筋应变与钢绞线的应变比较图16箍筋应变与钢绞线的应变比较图15纵筋应变比较6.7加固后抗震性能的总评价总之，从破坏形态、耗能性能和延性等方面来评价，加固试件达到了现行规范中抗震框架节点的设计目标，即在结构达到预计的最不利非弹性反应状态之前不出现剪切失效，因此本文的加固是成功的。震损将降低节点的抗震性能，从耗能和延性方面来看，加固方式2加固的效果更理想。7加固节点抗剪承载力计算7.1节点受力的机理分析在钢筋混凝土框架节点中形成的传力机构主要有斜压杆机构、桁架机构等：梁、柱端受压区混凝土的压力大部分将在节点核心区斜向一定宽度范围内合成为斜向压力，从而形成以传递斜向压力为功能的斜压杆机构；由梁柱贯穿段通过粘结传给四周混凝土的剪应力将在整个核心区形成剪应力场，在核心区混凝土斜压开裂前，核心区混凝土将承受桁架机构斜向主压应力和主拉应力的作用，当主拉应力引起节点开裂后，主压应力由混凝土承担，主拉应力则由节点水平箍筋和同一平面内的竖向柱筋分担，即通过由桁架机构引起的在混凝土中的斜向压力和相应的钢筋力分担了一部分节点剪力；同时箍筋还可以约束核心区斜压混凝土，维持斜压杆机构的抗剪作用，间接参与抵抗节点作用剪力。在钢绞线网－聚合物砂浆加固钢筋混凝土框架节点中，节点核心区的水平钢绞线网的作用可以类似于箍筋，既可以增强对核心区混凝土的约束作用，同时也可分担核心区所承受的剪力，从而达到提高节点抗剪承载力和耗能能力的效果。梁柱端的钢绞线网的作用是，约束受压混凝土，并约束纵向受压钢筋防止过早压屈，满足梁柱端箍筋的抗震构造要求。7.2加固节点抗剪承载力的计算方法由上面的分析可知，采用钢绞线网－聚合物砂浆加固的框架节点的抗剪承载力可以由三部分组成：混凝土的贡献、箍筋的贡献、核心区水平钢绞线网的贡献。根据现行规范中钢筋混凝土框架梁柱节点抗剪承载力的计算公式，加固节点的抗剪承载力可建立如下计算表达式： （1） （2） （3）式(1)中Vcsw为钢绞线网加固钢筋混凝土节点的抗剪承载力，Vcs和Vw分别为钢筋混凝土和钢绞线网提供的抗剪承载力；式(2)为