高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC板抗爆性能試驗研究

廖維張，劉鍇鑫，張春磊,2，張玉堂，李天華

(1.北京建筑大學 北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044； 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300350)

近年來，意外偶然性爆炸和恐怖爆炸事件頻發(fā)，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。當前，我國現(xiàn)存大量已建住宅樓、辦公樓、學校、醫(yī)院等民用建筑，這些建筑大多沒有考慮常規(guī)爆炸沖擊對建筑結構的破壞作用[1]。一旦遭受燃氣爆炸、危險品倉庫爆炸、甚至是恐怖爆炸，建筑物將會破壞倒塌，導致大量的平民百姓傷亡[2]。

為了提高建筑物的抗爆性能，可在工程設計階段采用高性能抗爆材料來實現(xiàn)。Thiagarajan等[3]用高強混凝土來提高鋼筋混凝土(Reinforced Concrete ，RC)板的抗爆性能，通過試驗和模擬的方式探明在爆炸荷載作用下，相比于普通混凝土，高強混凝土具有更高的強度、韌性和更好的延性、耗能能力。Li等[4]用超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)加固RC板，通過對加固RC板進行測試確定其在爆炸荷載條件下的響應，試驗結果驗證了UHPC板在爆炸荷載作用下具有良好的抗爆效果。

對于既有建筑，則需要通過抗爆加固改造來提高構件的抗爆性能。粘貼纖維材料、粘貼鋼板、外包鋼加固[5]等傳統(tǒng)的加固方法都可成為有效的抗爆加固方案。Castedo等[6]通過在RC板上放置鋼板和在受拉區(qū)布置鋼纖維的方式來提高其抗爆性能，研究結果表明鋼纖維或聚丙烯纖維在拉伸應力區(qū)比普通RC板有更好的抗沖擊性。Muszynski等[7-8]做了一系列關于碳纖維復合材料(Carbon Fiber-Reinforced Polymer)和玻璃纖維復合材料(Glass Fiber-Reinforced Polymer)加固RC墻和RC板的遠距離爆炸試驗，研究證明CFRP和GFRP雙面加固能減小RC板爆炸后的殘余位移。Wu等[9]通過爆炸試驗對比分析了普通鋼筋混凝土板和FRP加固后的鋼筋混凝土板在彈性和塑性范圍內的動態(tài)響應和破壞模式。Silva等[10]對經過FRP加固的鋼筋混凝土板進行爆炸試驗，試驗結果表明雙面加固的板具有更好抗爆性能。

綜上所述，目前RC板的抗爆加固方法主要集中在粘貼纖維材料、粘貼鋼板以及高性能高強混凝土，但存在著纖維材料耐高溫性差，鋼板容易銹蝕，環(huán)保性差等缺點。近年來，采用高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC結構的應用日趨廣泛，不僅能顯著提高RC構件的承載力、剛度、耗能能力，具有較好耐火性、耐老化性、耐腐蝕性等優(yōu)點，還可以提高開裂荷載、延緩裂縫發(fā)展、封閉原結構裂縫[11-14]。目前采用高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC結構已取得一定的研究成果，林于東等[15]進行了該技術加固RC板的抗彎性能分析，結果表明經加固后，板的抗彎性能得到很大提高。張偉[16]對鋼絞線網-聚合物砂漿加固提升RC梁的抗沖擊性能做了試驗研究，結果表明該加固技術能夠顯著提高RC梁沖擊下的抗彎性能。但對高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC板在爆炸荷載作用下的破壞形態(tài)、動態(tài)響應和加固效果[17]研究相對較少。

為探索該加固技術運用在RC結構抗爆加固上的適用性及加固效果，本文通過現(xiàn)場爆炸試驗對高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC板的抗爆性能以及不同加固參數(shù)的影響規(guī)律進行試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計并制作了6塊RC板，尺寸：長×寬×厚為2 000 mm×800 mm×120 mm，編號為S-1～S-6，其中S-1為未加固RC板，雙層對稱配筋，保護層厚度15 mm，配筋率為1.05%，鋼筋構造如圖1(b)所示。S-2～S-6為板底面加固RC板，如圖1(a)所示,其中S-1為對照試驗，S-2為研究加固的抗爆效果，S-4為研究砂漿強度對加固效果的影響，S-3為研究銷釘對原界面與加固層的黏結效果，S-5為研究預應力鋼絲繩對加固效果的影響，S-6為研究鋼絲繩間距對加固效果的影響，如表1所示。

圖1 試件尺寸及配筋Fig.1 Cross section and reinforcement details of specimens

表1 試件主要設計參數(shù)Tab.1 Parameters of RC slabs

試件采用C30混凝土，HRB335級鋼筋，加固材料采用直徑為3.00 mm的6×7+IWS型鋼絲繩，高強聚合物改性水泥砂漿，混凝土和聚合物砂漿的配合比如表2、表3所示，混凝土、聚合物聚砂漿和鋼筋的力學性能如表4、表5所示。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixture ratio of concrete (kg/m3)

表3 聚合物砂漿配合比Tab.3 Mixture ratio of and polymer mortar (kg/m3)

表4 混凝土和聚合物砂漿的力學性能Tab.4 Material properties of concrete and polymer mortar

表5 鋼筋及鋼絲繩性能Tab.5 Material properties of rebar and steel wire rope

1.2 構件加固流程

試件加固工藝參考GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》，高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC板的制作及加固流程主要包括：綁扎鋼筋→支模→澆筑混凝土→拆?！B(yǎng)護→加固面鑿毛(見圖2(a))→固定角鋼→布設鋼絲繩網片(見圖2(b))→繃緊鋼絲繩網片(見圖2(c)，僅S-5)→噴涂界面劑(見圖2(d))→抹壓聚合物砂漿(見圖2(f))→養(yǎng)護，如圖2所示。

角鋼采用∟30×3，用直徑12 mm化學螺栓固定在板的四周距邊緣50 mm處。試件S-3中銷釘間距為120 mm，呈梅花型布置，并通過限位卡扣鉤住鋼絲繩網片，如圖2(e)所示。

圖2 加固施工工藝Fig.2 Process of strengthening operation

1.3 試驗加載與測點布置方案

爆炸試驗選擇在野外爆炸試驗場進行。試驗板的兩短邊通過槽鋼扣住，并用螺栓夾持固定在專門設計的鋼結構試驗架試驗架上，其余兩長邊自由。將TNT炸藥懸掛在試驗板正上方1.5 m處，TNT炸藥量分別取4 kg，6 kg和10 kg，試驗布置圖如圖3所示，爆炸試驗工況如表6所示。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Loading of specimens

圖4為試驗的位移、超壓和鋼筋應變的測點布置情況，底層正中受力鋼筋上布置4個鋼筋應變測點，板底面中心布置一個HBWJ調頻式位移傳感器，板頂面中心布置一個CYD508壓力傳感器。

圖4 測點布置圖Fig.3 Arrangement of measuring points

表6 試驗工況Tab.6 Cases of test

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

通過野外爆炸試驗，觀測板的破壞形態(tài)，從板測裂縫和板底裂縫情況分析板的破壞情況，不同比例距離下板的破壞情況如圖5、表7所示。

(1)0.94 m/kg1/3比例距離下板的破壞形態(tài)

未加固板S-1板側面出現(xiàn)了明顯的豎向裂縫，主要集中在板中部1/3長度范圍內，最大裂縫寬度1～2 mm；板底出現(xiàn)了明顯的豎向貫通縫，且裂縫間距比較密集，最大裂縫寬度達到2 mm，裂縫間距由跨中到兩端逐漸增大，直至裂縫消失，呈對稱分布。與S-1相比，加固板S-2板側面的裂縫明顯減少，只有中部出現(xiàn)了少許豎向裂縫，最長裂縫的延伸長度在70 mm左右；板底只出現(xiàn)了少許分布均勻的豎向裂縫，裂縫寬度不明顯，裂縫間距增大，加固層與原界面結合良好。

(2)0.82 m/kg1/3比例距離下板的破壞形態(tài)

與S-2相比，炸藥量增加2 kg，加固板S-3只有在板底加固層跨中位置出現(xiàn)了少許豎向裂縫，最長裂縫長度在71 mm左右，裂縫寬度不明顯，板中間加固層與混凝土未剝離，兩端約束處的砂漿也沒受到破壞。加固板S-4加固層裂縫較錯綜復雜，相比S-2裂縫間距有所減小，跨中裂縫的最大長度為65 mm，裂縫寬度很小，很難辨識，加固層與混凝土未剝離。

(3)0.70 m/kg1/3比例距離下板的破壞形態(tài)

加固板S-5加固層裂縫形態(tài)與上述所有板的裂縫形態(tài)相差較大，未見明顯的豎向裂縫，只是出現(xiàn)很多相互交錯的小裂縫，靠近支座處出現(xiàn)了一條明顯的人字形裂縫，主要由于預應力施加導致受力不均勻造成的，加固層與混凝土未發(fā)生剝離。與S-5相比，S-6側面的裂縫寬度明顯減小，裂縫的數(shù)量也明顯減少，只有板跨中位置出現(xiàn)了少許豎向裂縫，跨中裂縫的最大長度在75 mm左右，裂縫的寬度在1 mm左右。

圖5 板側面裂縫分布Fig.5 The side crack distributions of slabs

表7 板底裂縫分布情況Tab.7 The bottom crack distribution of slabs

2.2 位移時程曲線

構件變形通過在板底面中心布置一個量程為12 cm的位移計來測量爆炸作用下的板底跨中位移變化情況，試件的位移時程曲線如圖6所示，最大位移、殘余位移如表8所示。

圖6 跨中位移時程曲線Fig.6 The mid-displacement of slabs

表8 板底跨中最大位移和殘余位移Tab.8 The maximum mid-displacement and residual mid-displacement of the slabs

(1)加固效果的影響

由圖6、表8比較S-2與S-1，可看出，炸藥當量相同，加固板S-2的最大位移為32 mm，然后逐漸回彈到一個穩(wěn)定值，最終的殘余位移僅為4 mm。與未加固板S-1相比，加固板S-2最大位移減小了66.3%，殘余位移減小了81.8%。由板底裂縫情況可以看出，S-1板的破壞程度大于S-2板的破壞程度，說明加固效果良好，能顯著提高RC板的抗爆性能。

(2)銷釘?shù)挠绊?/p>

由圖6、表8比較S-3與S-2，可看出，與S-2相比，S-3由于炸藥量增大了2 kg，最大位移和殘余位移分別是S-2的3.28倍和6倍。板底裂縫數(shù)量減少，S-3的加固層與原混凝土界面未出現(xiàn)脫落剝離現(xiàn)象，銷釘能增強混凝土加固界面的黏結性能。

(3)砂漿強度的影響

由圖6、表8比較S-4與S-2，S-3，可看出，與S-3相比，炸藥當量相同，S-4加固層砂漿強度增大后，S-4的最大位移減小了5.7%，殘余位移增大了2倍；與S-2相比，S-4的炸藥量增大了2 kg，最大位移增大了約2倍，而殘余位移卻增大了17倍。提高砂漿強度一定程度上可增強砂漿與鋼絲繩的黏結能力。

(4)預應力的影響

由圖6、表8比較S-5與S-3，S-4，可看出，與S-3相比，S-5雖然炸藥量增大了4 kg，但由于預先張拉鋼絲繩，產生預應力，最大位移減小29.5%，殘余位移增大了79.2%；與S-4相比，S-5的炸藥量增大2 kg，砂漿強度小，最大位移、殘余位移都減小了，分別減少了25.3%，40.3%?？梢?，對鋼絲繩施加預應力能充分利用鋼絲繩的高強抗拉性能，有效減小了最大位移和變形。

(5)鋼絲繩間距的影響

由圖6、表8比較S-6與S-4，可看出，與S-4相比，S-6的炸藥量增大了4 kg，鋼絲繩間距減小后，最大位移無明顯變化，殘余位移減小了81.9%，說明減小鋼絲繩間距能夠顯著提高構件的延性。

2.3 鋼筋應變時程曲線

鋼筋應變通過預埋在底層正中受力鋼筋上4個鋼筋應變片記錄鋼筋應變情況，來分析不同加固參數(shù)對板抗彎承載力的影響。鋼筋應變測點從跨中到板邊緣均勻分布，編號為G1～G4，布置位置如圖7所示。

圖7(a)為S-1的4個測點鋼筋應變時程曲線，可看出，G1鋼筋應變迅速增大到峰值10 000 με，已經遠超過鋼筋的極限應變2 672 με，說明板的破壞程度比較嚴重。G2的峰值應變約為8 600 με，之后快速回縮到3 960 με左右?？梢?，炸藥引爆后鋼筋應變在短時間內就達到峰值，板跨中位置的鋼筋應變最顯著，越往邊緣鋼筋應變越小。

圖7(b)為S-2 在1號、2號、3號測點的鋼筋應變時程曲線，4號測點應變片損壞?？梢钥闯觯琒-2的G1鋼筋應變在10 ms內迅速達到峰值5 400 με，然后迅速下降到1 700 με，隨后應變在極限應變范圍內上下波動，最終達到一個穩(wěn)定值；G2峰值應變在3 400 με左右，然后迅速回落，小幅波動后達到穩(wěn)定值770 με；G3峰值應變約為2 993 με。與S-1相比，G1峰值應變減小了46%，殘余應變減小了83%?？梢姡庸贪宓幕貜椬冃文芰Φ玫教岣?。

(1)銷釘?shù)挠绊?/p>

圖7(c)為S-3在3號、4號測點處的鋼筋應變時程曲線，1號、2號測點應變片損壞，G3，G4鋼筋應變峰值約為3 000 με，2 000 με。與S-1的G3相比，盡管炸藥量增大了2 kg，加固后鋼筋峰值應變卻減小了36.2%；與S-2的G3相比，炸藥量增大了2 kg，峰值應變無明顯變化。

(2)砂漿強度的影響

圖7(d)為S-4 在1號、2號、3號、4號測點的鋼筋應變時程曲線，與S-2的1號、2號測點相比，由于炸藥增加了2 kg，S-4的G1，G2峰值應變都有所增大；與S-3的3號測點相比，炸藥量相同，S-4的G3峰值應變減小了約36.3%?？梢姡龃笊皾{強度減小板的彎曲破壞程度。

(3)預應力的影響

S-5的1號、3號、4號測點的鋼筋應變片均損壞，僅有2號測點完好。圖7(e)為S-2，S-4，S-5的2號測點的鋼筋應變時程曲線，可看出，由于測量周圍其他試驗的影響，S-5的G2鋼筋應變最初在負值區(qū)域出現(xiàn)假象，之后達到峰值應變5 400 με左右。與S-4相比，炸藥量增大了4 kg，鋼絲繩施加預應力后S-5的峰值應變只增大了10%?？梢?，施加預應力后，試件的彎曲破壞程度顯著減小，并且減小程度大于增加砂漿強度效果。

(4)鋼絲繩間距的影響

圖7(f)為S-2，S-5，S-6的2號測點鋼筋應變時程曲線，S-6的G2峰值應變約為3 000 με。與S-2的相比，炸藥量增大了6 kg，但鋼絲繩間距減小后的S-6，峰值應變反而減小了約10%；與S-5的相比，炸藥量相同，S-6峰值應變減小了約44.4%。可見，減小鋼絲繩間距能減小鋼筋的峰值應變，減輕破壞程度。

圖7 試件的鋼筋應變時程曲線Fig.7 The strain time-history curve

3 基于剩余承載力板的損傷評估準則

通過對爆炸后的RC板進行承載力試驗得到剩余承載力，基于剩余承載力評估爆炸后RC板的損傷程度。

3.1 剩余承載力加載試驗

本次剩余承載力試驗加載裝置及示意如圖8所示。選取爆炸后板S-1～S-6(跨中撓度小于50 mm)進行剩余承載力試驗。本試驗采用手動液壓千斤頂加載設備來提供豎向荷載，并通過分布梁將荷載傳到板面上。

3.2 試驗結果

圖9為試件損傷破壞圖，在已有裂縫的基礎上繼續(xù)發(fā)展和延伸，尤其是板底背爆面的橫縱裂縫相互交錯，分布較密且復雜，在板底跨中附近形成多條主裂縫，貫通于整個截面，隨著荷載的增加，主裂縫寬度逐漸增大。板頂面混凝土大面積被壓碎而破壞。而加固板的裂縫發(fā)展情況近似于未加固板，新裂縫主要由原有裂縫延伸發(fā)展形成，裂縫分布較為均勻，板底跨中處形成一道明顯的主裂縫。同樣在板頂面中部，混凝土出現(xiàn)較窄的破碎坑。在試驗加載過程中，可以明顯地聽到高強鋼絲繩受力被拉緊的吱吱聲，并隨著荷載值的不斷上升，從板側面可以看到，在原構件和加固層之間出現(xiàn)了空隙，在加載點位置處出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。當結束試驗卸載時，加固板出現(xiàn)一定回彈變形，說明加固板仍具有較好的變形能力，表現(xiàn)出良好的抗爆加固效果。

圖8 試驗加載裝置Fig.8 Loading of specimens

圖9 試件損傷破壞圖Fig.9 The damage diagram of slabs

試件剩余承載力試驗結果如表9所示。

表9 試件剩余承載力試驗結果Tab.9 The residual capacity of slabs

由圖10可知，高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固板荷載-位移曲線共分為三個階段，加固板S-2的剩余承載力和初始承載力值均大于未加固板S-1，增長幅度為33.3%和55.7%?？梢娂庸毯蟮腞C板的抗爆性能明顯提高，加固效果十分顯著，爆炸損傷后依然能夠保持較好的承載能力。

圖10 板荷載-位移曲線Fig.10 The loading-displacement curve of slabs

3.3 損傷評估

基于鋼筋混凝土板的剩余承載力的評估準則，評估其破壞程度，構件損傷度D[18]被定義為

式中，PN,Pr分別為鋼筋混凝土板的初始承載力以及爆炸后的剩余承載力。采用試驗的方法來分析鋼筋混凝土板在爆炸荷載下的損傷情況，初始承載力指標PN以靜力承載力試驗中的量測結果為準，而剩余承載力指標Pr通過剩余承載力試驗獲得。將鋼筋混凝土板的損傷程度參照D值分為輕度損傷、中度損傷、重度損傷和倒塌4個等級，如表10所示。

表10 板損傷程度評價指標Tab.10 The damage degree evaluation of slabs

參照上述損傷評估方式對加固RC板進行損傷評估。

圖11為不同加固參數(shù)的RC板的損傷情況，可看出，加固板的極限和剩余承載力較未加固板S-1均有不同程度的提高。各試件的損傷程度均屬于第一級輕度損傷，相同比例距離下?lián)p傷度D值顯著降低。對鋼絲繩施加預應力加固板S-5由于在爆炸荷載作用下鋼絲繩破壞，預應力損傷，由于局部損傷嚴重導致剩余承載力小于其他加固板，呈現(xiàn)中度損傷，加固板S-2的D值比未加固板S-1大，這是由于未加固板S-1的極限承載力采用試驗實測值，試件S-1的制作和養(yǎng)護過程較理想

圖11 不同加固參數(shù)RC板的損傷情況Fig.11 The damage situation of slabs

所引起的相對誤差，導致數(shù)值略大于理論計算值，D值計算結果略小。高強鋼絲網片-聚合物砂漿加固方式對于提高鋼筋混凝土板的抗爆能力起到了一定的作用。

4 結 論

通過高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固RC板的抗爆性能試驗及剩余承載力試驗，分析銷釘、砂漿強度、施加預應力、鋼絲繩間距等不同加固參數(shù)影響，得出以下結論：

(1)對RC板的背爆面進行高強鋼絲繩網片-聚合物砂漿加固，能夠明顯減輕RC板的破壞程度，加固板板底裂縫寬度明顯減小，跨中最大位移顯著降低，試件呈現(xiàn)整體彎曲破壞模式，試件的剛度、抗彎承載力均得到了顯著提高。

(2)通過減小加固層的鋼絲繩間距或對鋼絲繩施加一定的預應力等措施更能有效地限制試件的變形。在砂漿強度減小，炸藥量增加4 kg的情況下，對鋼絲繩施加預應力的加固板最大位移減小29.5%，減小鋼絲繩間距的加固板殘余位移減小81.9%。

(3)基于剩余承載力的評估準則能夠有效的評估爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的損傷程度，加固后板剩余承載力有不同程度的提高，對鋼絲繩施加預應力的加固方式在爆炸階段能夠有效減輕板的破壞程度，但會降低爆炸后板的剩余承載力。