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钢绞线网为高强不锈钢绞线编织而成,强度高且不生锈,运输、施工均较为方便;粘结材料聚合物砂浆为无机材料,与混凝土粘结性能良好,耐久、耐高温性能好。高强不锈钢绞线网-渗透性聚合物砂浆加固技术耐火、耐腐蚀、耐老化,加固性能可靠,加固后对结构自重的增加小,对被加固的母体表面没有平整要求,节点处理方便,易于大规模机械化施工,在结构加固的过程中不影响建筑的使用。
鉴于高强不锈钢绞线网-渗透性聚合物砂浆加固技术在建筑结构的抗震加固中具有很好的应用前景,而目前该技术在我国研究尤其在具有历史意义的既有建筑抗震加固方面研究甚少,为此本文采用理论分析、试验与数值计算相结合的方法,对该技术用于抗震加固既有建筑砖墙体进行了系统的研究,主要包括以下内容:
1.对一片未加固墙体与五片采用高强钢绞线网-渗透性聚合物砂浆面层加固的墙体进行低周反复荷载试验。采用旧砖与低强度水泥砂浆支座砖墙来模拟既有建筑墙体。对比了加固前后墙体的滞回曲线、开裂与极限荷载、骨架曲线以及刚度退化曲线等,结果表明高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术能显著地提高砖墙体的抗剪强度,包括试件的开裂荷载与极限荷载。开裂荷载提高幅度达25%,而极限荷载增幅为27%~52%。该加固技术同时改善墙体在水平和垂直荷载共同作用下的变形性能,提高墙体延性,增加墙体的耗能能力。
2.通过试验分析了高强钢绞线网的不同布置方式对加固效果的影响。对比了单双面加固、等宽条状铺设与满铺、等宽条状铺设与变宽条状铺设等不同方案的加固效果。结果表明,对开裂荷载起贡献的主要是加固砂浆层的厚度;而对试件极限荷载起贡献的则为钢绞线网。条状等宽铺设方案完全可以达到相同含钢率的满铺方案加固效果,而前者在耗能能力、延性方面的性能要更加优越;双面加固将极大地提高试件的耗能能力与延性,但对墙体极限承载力影响不大,采用变宽度铺设加固方案的试件各方面性能均不如等宽度条状铺设的试件。
3.依据光纤的布里渊散射频谱的分布式测量原理,采用光纤传感技术,对高强钢绞线网-聚合物砂浆加固既有砖墙体的加固层表面、钢绞线网在低周反复荷载作用下的应变进行了量测。给出了钢绞线以及加固面层在不同工况下的应变分布规律。结果表明:水平向钢绞线对试件的水平抗剪能力起到了较大的贡献作用,而竖向钢绞线主要受顶部压应力与侧弯的作用,应变多为负值。砂浆层的应变规律与钢绞线应变规律吻合较好,二者应变分布规律与墙体在剪压荷载作用下理论分析结果较为一致,表明钢绞线网-聚合物砂浆加固层与墙体保持了整体工作性能。
4.采用光栅传感技术测量了高强钢绞线在试验全过程中的应变变化,并结合试验结果,分析了影响高强钢绞线材料强度发挥效率的因素。结果表明本文试验中高强钢绞线材料强度发挥系数一般在0.3以内,影响材料强度发挥的主要因素为钢绞线的布置方式、铺设间距以及原墙体的材料强度等。通过本文试验数据拟合了钢绞线配筋率对强度发挥效应的影响系数,并给出了被加固墙体原材料强度的建议最低值。
5.分别研究了水平、竖向钢绞线在加固墙体抗剪受力中的工作机理,分析了加固前后墙体在剪压作用下的受力过程与破坏形态,研究表明水平向钢绞线对墙体开裂后抗剪承载力提高起主要作用,竖向钢绞线与竖向压应力将提高开裂墙体的整体性。在此基础上,结合既有砖墙体的材料强度特点,给出了采用高强钢绞线网-渗透性聚合物砂浆加固的既有建筑转墙体在剪压荷载作用下的开裂荷载与极限荷载计算公式。依据试验数据本文进一步给出了极限荷载的简化公式,理论值与试验值吻合良好。
6.分别选用了Solid65单元与Pipe20单元来模拟砖墙体以及钢绞线,采用整体建模方式,分析了本文试验中的六片墙体在竖向预加压的前提下水平单调加载时试件的受力过程。给出了试件的平面内剪应力云图、位移云图、钢绞线主应变、应力云图以及墙体开裂云图,将有限元模型在剪压受力下水平荷载-位移曲线与试验曲线进行了对比,结果表明数值模拟结果与试验结果吻合良好。