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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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，梁和柱的纵筋采用级，箍筋和板的钢筋采用级。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
6、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63055201.93105143555901.87105163656001.92105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
7、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
8、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
9、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
10、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 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
11、、梁端位移：用电测位移传感器B测定，量程100mm，测点距离柱边1200 mm；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
12、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。6 试验结果和分析6.1试验
13、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=22.5mm时，节点核心区交叉斜裂缝的发展已经很明显；=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=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=11 kN时，在左、右梁侧面发现有细微裂缝；当P=17kN时，在节点核心
14、区出现多条斜向裂缝；当P=23 kN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=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；=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=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
15、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。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=11 kN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=22 kN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=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=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
