高 淳 曹忠民 葛 超

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

鋼絞線網(wǎng)小偏心RC柱影響鋼絞線用量因素分析★

高 淳 曹忠民 葛 超

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

通過假定實(shí)際尺寸小偏壓RC柱計(jì)算模型，對各個因素進(jìn)行了計(jì)算分析，對比研究了各個因素對鋼絞線用量的影響，得出影響鋼絞線用量的三個主要因素分別為偏心距、鋼絞線間距、柱長細(xì)比。

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)，聚合物砂漿，鋼筋混凝土柱，小偏心，影響因素

高強(qiáng)度鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固技術(shù)是一種近幾年發(fā)展起來的新型加固技術(shù)，21世紀(jì)初由韓國愛力堅(jiān)公司研發(fā)，而后該加固技術(shù)傳入我國，國內(nèi)很多大學(xué)和研究單位對高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿的相關(guān)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析[1-4]，并完成了實(shí)際工程的應(yīng)用[5]。由于該技術(shù)涉及影響因素眾多，而各個因素對鋼絞線用量影響程度不同，本文通過計(jì)算分析并給出相應(yīng)圖表，提出對鋼絞線用量影響較大的幾個因素，以供工程實(shí)際和實(shí)驗(yàn)研究參考。

1 鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固小偏心受壓RC柱承載力計(jì)算公式及分析

1.1 約束混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算

由于橫向鋼絞線網(wǎng)對混凝土柱的約束，約束混凝土的抗壓強(qiáng)度將發(fā)生改變，考慮橫向鋼絞線數(shù)量、偏心距等參數(shù)對約束混凝土強(qiáng)度以及加固效果的影響，鋼絞線網(wǎng)加固混凝土柱極限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算采用以下公式[6]：

fcc=fc+βγλw

(1)

其中，fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；β為回歸分析系數(shù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得β=72.64[7]；γ為偏心距影響系數(shù)，對于軸心受壓構(gòu)件(偏心距e0=0)，γ=1.0；對于純彎構(gòu)件(e0=∞)，γ=0.8；

(2)

λw為含鋼絞線特征值：

(3)

其中，fw為鋼絞線抗拉強(qiáng)度；s為鋼絞線的間距；Aw為單根鋼絞線面積；b′，h分別為柱截面寬度與高度。

1.2 等效柱寬及等效抗壓強(qiáng)度的計(jì)算

根據(jù)鋼絞線網(wǎng)對矩形柱的約束特點(diǎn)，建立相應(yīng)受力模型[8]，把柱截面約束區(qū)域分為有效約束區(qū)域和非有效約束區(qū)域。非有效約束區(qū)面積Avn為：

(4)

其中，倒角半徑r=15 mm；s為鋼絞線間距，柱計(jì)算截面面積Av為：

Av=(b′-0.5s)(h-0.5s)-(4r2-πr2)-Ast

(5)

其中，Ast為縱向鋼筋的總面積。有效約束區(qū)面積Ae為：

Ae=Av-Avn

(6)

由于薄弱面有效約束混凝土區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則形態(tài)，為數(shù)值計(jì)算的便捷起見，將其等效為矩形區(qū)域，則等效柱寬b=Ae/h。

約束混凝土的等效強(qiáng)度fe采用以下計(jì)算方法：

(7)

1.3 小偏心受壓混凝土柱承載力計(jì)算

根據(jù)小偏心受壓混凝土柱的受力狀態(tài)(見圖1)，由力和力矩平衡條件可得兩個基本計(jì)算公式：

(8)

(9)

其中，Nu為鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固偏壓鋼筋混凝土柱承載力；fm為聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度；t為聚合物砂漿層厚度；n為受拉一側(cè)鋼絞線的根數(shù)；σw為鋼絞線Aw的應(yīng)力值；a′為受壓縱筋中點(diǎn)到受壓混凝土邊緣距離；a為受拉縱筋中點(diǎn)到受拉混凝土邊緣距離，當(dāng)柱全截面受壓時σw=0根據(jù)平截面假定，當(dāng)部分受壓時根據(jù)平截面假定計(jì)算可得：

(10)

其中，Ew為鋼絞線彈性模量；Es為鋼筋彈性模量；εcu為受壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)變；σs為鋼筋A(yù)s的應(yīng)力值；e為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)的距離；σs和e均按規(guī)范公式計(jì)算[9]。

1.4 小偏心受壓柱計(jì)算模型及鋼絞線用量簡化計(jì)算分析

初始計(jì)算模型采用500 mm×500 mm鋼筋混凝土柱，偏心受壓承載力N=5 000 kN，偏心距e0=70 mm，柱高h(yuǎn)=3 m，柱長細(xì)比為6，縱向受力鋼筋取HRB335 4φ28，縱筋配筋率ρ=0.985%，混凝土強(qiáng)度等級為C25，倒角半徑r=15 mm，聚合物砂漿厚度t=20 mm，鋼絞線間距s=30 mm，其他變量均按規(guī)范取值。

當(dāng)構(gòu)件處于小偏心受壓時，根據(jù)平截面假定，截面受壓區(qū)高度較大，鋼絞線Aw的應(yīng)力值σw很小，使得σwAw很小，從而σwAw這一項(xiàng)對于鋼絞線配筋A(yù)w影響不大，此時σwAw在計(jì)算過程中可以忽略不計(jì)。隨著偏心距的增加，σw的取值將逐漸增大，則不能忽略其對鋼絞線配筋的影響。為了說明這個界限，簡化計(jì)算公式。在其他條件不變的情況下，改變偏心距，計(jì)算出忽略σwAw前后鋼絞線用量值，進(jìn)行對比：當(dāng)相對偏心距e0/h0≤0.38時，Aw1/Aw≤1.1(Aw1為忽略σwAw項(xiàng)計(jì)算所得的鋼絞線用量)，說明兩者之間誤差小于10%。此時計(jì)算時可以省略σwAw這一項(xiàng)。由計(jì)算可以得當(dāng)柱處于界限破壞時，e0b/h0約為0.43。當(dāng)0.38≤e0/h0≤0.43時，兩者之間誤差大于10%，則不能省略。說明在小偏心受壓計(jì)算時，當(dāng)在e0/h0<0.38即e0<180 mm的情況下，可以省略σwAw這一項(xiàng)進(jìn)行鋼絞線配筋計(jì)算，從而達(dá)到了簡化計(jì)算公式的目的。

2 小偏心受壓鋼絞線用量影響因素分析

在小偏心受壓計(jì)算中，影響鋼絞線配筋量Aw的因素非常多，如鋼絞線間距、混凝土強(qiáng)度、偏心距、長細(xì)比、倒角半徑、砂漿厚度等。不同的因素對鋼絞線配筋會產(chǎn)生不同程度的影響，本文采用單一變量原則,根據(jù)初始計(jì)算模型，選取6個變量進(jìn)行分析，得出對配筋影響較大的幾個因素。

2.1 偏心距對鋼絞線用量的影響

改變偏心距e0，其他因素不變，計(jì)算Aw并繪制相對偏心距變化引起鋼絞線配筋變化曲線，見圖2。

從圖2中可以看出：小偏心受壓時隨著相對偏心距的增大，鋼絞線用量也隨之增大。隨著偏心距增大，柱受拉側(cè)豎向鋼絞線開始發(fā)揮作用，因此鋼絞線用量增加幅度較偏心距較小時有所增加。

2.2 混凝土強(qiáng)度等級對鋼絞線用量的影響

改變混凝土強(qiáng)度，其他條件不變，計(jì)算Aw并繪制混凝土強(qiáng)度等級引起鋼絞線配筋變化曲線，見圖3。從圖3看出：構(gòu)件在小偏心受壓時，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，所需鋼絞線用量隨之減少，可以得出混凝土對鋼絞線用量的影響不是非常大，根據(jù)約束混凝土的計(jì)算公式，混凝土強(qiáng)度fc的改變引起約束混凝土等效強(qiáng)度fc的改變量并不大，導(dǎo)致最終對鋼絞線配筋量Aw的影響沒有預(yù)期大。

2.3 鋼絞線間距對鋼絞線用量的影響

改變鋼絞線間距S，其他條件不變，計(jì)算并繪制鋼絞線間距變化引起鋼絞線配筋量變化曲線，見圖4。從圖4中可以看出：構(gòu)件在小偏心受壓時，隨著鋼絞線間距s的增大，鋼絞線配筋量也隨之增大，兩者關(guān)系接近線性。

2.4 倒角半徑對鋼絞線用量的影響

改變倒角半徑r，其他條件不變，計(jì)算并繪制倒角半徑改變引起的配筋變化曲線見圖5。從圖5中可知：當(dāng)r/h≤0.24時，倒角半徑的增加可以使約束混凝土的面積增加，從而導(dǎo)致等效約束混凝土強(qiáng)度增加，使所需的鋼絞線用量減少。當(dāng)r=120 mm即r/h=0.24時，鋼絞線用量達(dá)到最少。當(dāng)r繼續(xù)增加，由于截面面積被削弱過多使得鋼絞線用量開始增加。

2.5 長細(xì)比對鋼絞線用量的影響

改變柱長細(xì)比，其他條件不變，計(jì)算長細(xì)比改變時鋼絞線配筋的變化量，并繪制相應(yīng)曲線見圖6。從圖6中可得：構(gòu)件在小偏心受壓時，隨著長細(xì)比的增大，彎矩增大系數(shù)也隨之增大，間接引起彎矩的增大，從而使鋼絞線配筋量增加。

2.6 聚合物砂漿厚度對鋼絞線用量的影響

改變聚合物砂漿厚度t，其他條件不變，計(jì)算可得，隨著聚合物砂漿厚度的增大，鋼絞線配筋量逐漸減小，見圖7。因?yàn)殡S著聚合物砂漿厚度的增加，對于構(gòu)件承載力的貢獻(xiàn)增大，鋼絞線的用量也逐漸減少。但由于砂漿截面相對于混凝土構(gòu)件截面較小，提供的承載力有限，則其對鋼絞線配筋的影響也比較小。

2.7 小結(jié)

上述所取的6個影響因素變化均屬于常規(guī)變化范圍，綜合以上圖表，可以得到偏心距e0對鋼絞線配筋量的影響最大，在實(shí)際工程或?qū)嶒?yàn)研究中，著重考慮偏心距、鋼絞線間距、混凝土強(qiáng)度、長細(xì)比的影響。

3 結(jié)語

1)在計(jì)算高強(qiáng)度鋼絞線聚合物砂漿加固小偏心RC柱的鋼絞線配筋時，當(dāng)e0/h0≤0.38時，忽略計(jì)算公式中σwAw項(xiàng)計(jì)算所得的Aw1相對于Aw誤差小于10%，可以考慮忽略σwAw項(xiàng)簡化計(jì)算公式。

2)對鋼絞線用量影響最大的三個因素為：偏心距、鋼絞線間距、長細(xì)比。在工程實(shí)際和實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)該考慮偏心距、鋼絞線間距、混凝土強(qiáng)度、長細(xì)比對于Aw的影響。倒角半徑和聚合物砂漿厚度對結(jié)果影響不大，可以視情況考慮其影響。

3)方形截面柱控制倒角半徑時，當(dāng)r/h=0.24時，可以使鋼絞線的用量達(dá)到最小，在一定程度上節(jié)約了鋼絞線。

[1] 聶建國，王寒冰，張?zhí)焐辏?不銹鋼絞線網(wǎng)—滲透性聚合砂漿抗彎加固的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26(2)：1-9.

[2] 曹忠民，李愛群，王亞勇，等.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿抗震加固框架梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27(4)：10-15.

[3] 張 蔚，李愛群，姚秋來，等.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿抗震加固既有建筑磚墻體試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(4)：55-60.

[4] 黃 華，邢國華，劉伯權(quán)，等.高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)—滲透性聚合砂漿加固梁抗彎承載力試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2007，37(3)：106-110，119.

[5] 王亞勇，姚秋來，鞏正光，等.高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿在鄭成功紀(jì)念館加固工程中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005(8)：41-43.

[6] 過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[7] 潘曉峰.高強(qiáng)度鋼絞線—聚合物砂漿加固小偏心受壓混凝土柱的試驗(yàn)研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2007.

[8] 劉偉慶，王曙光，何 杰，等.鋼絞線網(wǎng)—聚合物砂漿加固鋼筋混凝土柱的正截面承載力研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(4)：456-462.

[9] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Influencing factors of reinforcement of steel wire in small eccentric RC column strengthed by steel wire mesh and polymer mortar★

GAO Chun CAO Zhong-min GE Chao

(CollegeCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Through assuming calculation model of actual size small eccentric RC column, calculation and analysis of various factors, comparing the influence of these factors on the reinforcement of steel wire. Conclusion shows that three main factors influencing the reinforcement of steel wire are eccentricity, steel spacing and slenderness ratio.

high strength steel wire mesh, polymer mortar, RC column, small eccentric, influencing factors

1009-6825(2014)15-0030-03

2014-03-15★：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51368019)

高 淳(1988- )，男，在讀碩士； 曹忠民(1972- )，男，博士，副教授； 葛 超(1990- )，男，在讀碩士

TU311

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