采用钢筋水泥加固的RC梁的实验和数值分析

《Results in Engineering》：Experimental and numerical analyses of RC beams retrofitted with ferrocement

本研究通过实验和有限元分析，探讨了钢筋混凝土梁使用铁珊瑚夹层加固的效果。实验采用5根梁（2根未加固对照组，3根加固组），通过添加不同数量纵向钢筋（1、2、4根）的夹层，发现单根钢筋加固时抗弯性能提升81.8%，且呈现延性破坏；超过1根时易发生剪切破坏。有限元模型验证了其预测精度，但需改进界面粘结建模。铁珊瑚加固兼具成本效益和可持续性优势，为旧梁改造提供新思路。

　　本研究聚焦于一种使用铁丝网水泥（ferrocement）加固的钢筋混凝土（RC）梁的结构行为，探讨了在铁丝网水泥外套中添加纵向钢筋对提升结构性能的作用。该研究是对先前实验的延续，旨在解决单层铁丝网加固的局限性，即在没有额外钢筋的情况下，铁丝网水泥加固可能无法充分提高梁的承载能力。通过实验与有限元建模（FEM）的结合，研究人员评估了不同加固方案对梁结构的影响，同时验证了FEM模型在预测和分析加固梁行为中的可靠性。

### 结构加固的必要性与挑战

钢筋混凝土结构因其优异的承载能力和耐久性，在现代建筑中被广泛应用。然而，随着时间推移，这些结构可能会因环境侵蚀、机械疲劳或设计缺陷而出现性能下降。这种性能下降可能导致结构出现裂缝、变形甚至整体失效，对安全性和使用寿命构成威胁。因此，结构加固成为延长使用寿命和提高安全性的关键措施。传统的加固方法通常涉及增加钢筋数量或使用外部支撑系统，但这些方法可能成本高昂、施工复杂，且对现有结构的适应性有限。

为了应对这些挑战，研究人员开始探索更加经济、高效的加固材料和技术。其中，铁丝网水泥作为一种轻质、高强度的复合材料，因其良好的延展性和抗裂性能而受到关注。铁丝网水泥由紧密排列的钢丝网或剪力连接器与锚固杆嵌入水泥砂浆基体构成，符合美国混凝土协会（ACI）的相关规范。与传统的钢筋混凝土结构相比，铁丝网水泥具有更高的抗拉强度和更好的适应性，尤其适用于老旧结构的修复和增强。

然而，铁丝网水泥加固在某些情况下可能无法完全恢复梁的原始承载能力，尤其是在没有额外钢筋配合的情况下。此外，铁丝网水泥的加固效果可能受到多种因素的影响，包括材料配比、施工工艺、锚固设计以及荷载条件等。因此，如何在铁丝网水泥加固系统中合理配置纵向钢筋，以实现最佳的结构性能，成为本研究的重点。

### 实验设计与方法

本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，系统评估了铁丝网水泥加固对RC梁承载能力的影响。实验共涉及五根梁，其中两根为未加固的对照梁（B1和B5），三根为加固梁（B2、B3和B4）。所有梁的原始尺寸均为150 mm宽 × 300 mm高 × 3000 mm长，具有相同的截面形状和基础钢筋配置。对照梁B1和B5的钢筋配置略有不同，其中B5在原始设计中使用了六根直径为16 mm的纵向钢筋，而B1仅使用了两根。

加固梁则在原有基础上添加了铁丝网水泥外套，并根据不同的纵向钢筋配置进行了强化。具体而言，B2在铁丝网水泥外套中添加了一根直径为16 mm的纵向钢筋，B3添加了两根，B4则添加了四根。同时，所有加固梁均使用了直径为6 mm的钢剪力连接器，以增强铁丝网水泥与混凝土之间的粘结性能。为了监测梁在加载过程中的行为，实验中在每根梁的钢筋上安装了应变计，并在加载过程中记录了应变和位移数据。

实验采用四点加载法，通过液压加载装置对梁施加荷载，同时使用三个线性变量位移传感器（LVDT）测量梁的挠度。这些传感器分别安装在梁的加载点和跨度中心，以捕捉梁在不同荷载下的变形特征。此外，实验过程中还采用了位移控制加载方式，以确保数据的系统性和一致性。

### 材料性能与模型构建

在实验之前，研究人员对所有梁的材料性能进行了详细测试。混凝土的抗压强度通过标准试件测试获得，其中B1至B5的平均抗压强度分别为41.5 MPa、36.9 MPa、39.4 MPa、40.0 MPa和39.2 MPa。这些强度差异主要源于实验过程中混凝土配比和施工条件的变化。对于铁丝网水泥材料，研究人员测试了其在不同加载条件下的力学性能，发现其平均抗压强度为41.2 MPa。

在有限元建模方面，研究人员使用了ANSYS 15.0软件构建了三根加固梁（B2、B3和B4）的三维模型。模型中采用了不同的材料模型和元素类型，以准确反映混凝土、铁丝网水泥和钢筋的力学行为。对于混凝土部分，研究人员使用了基于Hognestad等人的抛物线模型来描述其受压性能，并结合Willam和Warke的模型来模拟其受拉行为。对于钢筋，采用了双线性模型，以反映其屈服后的塑性变形特性。

模型构建过程中，研究人员特别关注了铁丝网水泥与混凝土之间的粘结行为。为了简化计算，模型假设了理想化的粘结状态，即完全无滑移的连接方式。这种假设在实际工程中可能并不完全准确，因为粘结滑移现象在实际结构中是不可避免的。然而，这种理想化模型能够提供对整体结构行为的合理预测，并为后续的模型优化提供基础。

为了提高模型的精度，研究人员采用了25 mm × 25 mm × 25 mm的网格划分方式。这种网格大小在保证计算效率的同时，也能够较好地捕捉结构的宏观行为。尽管如此，研究人员也指出，当前模型在预测局部裂缝和损伤方面仍存在一定的局限性，未来的研究可以进一步优化网格划分，以提高模型对微观行为的描述能力。

### 实验结果与分析

实验结果表明，铁丝网水泥加固对RC梁的承载能力和延展性有显著提升。对照梁B1在加载过程中表现出较低的承载能力，其在41 kN荷载下开始出现裂缝，而加固梁B2和B3则在更高的荷载下才发生破坏。这说明，铁丝网水泥加固能够有效提高梁的承载能力，使其能够承受更大的荷载。

在挠度方面，实验数据显示，加固梁的挠度比对照梁明显减小。具体而言，B1在峰值荷载下的挠度为35 mm，而B2和B3的挠度分别为44 mm和8.85 mm。这表明，虽然B2的挠度较大，但其承载能力显著高于B1，说明其结构设计更加合理。相比之下，B4的挠度为9 mm，比B3更小，但其承载能力并未随之提高，反而出现了剪切破坏的现象。

实验还揭示了不同加固方案对梁延展性的影响。B2的延展性表现优于B1，但B3和B4的延展性则有所下降。这一现象可能与纵向钢筋的数量有关。当添加的纵向钢筋数量超过一定范围时，可能导致应力集中，从而影响梁的整体性能。例如，B3和B4虽然在加固后表现出更高的承载能力，但其延展性却不如B2，说明过多的纵向钢筋可能会限制梁的变形能力。

此外，实验还关注了钢筋的应变行为。通过应变计的测量，研究人员发现，加固梁的钢筋应变分布较为均匀，而对照梁的钢筋应变则集中在某些局部区域。这表明，铁丝网水泥加固能够有效分散应力，提高结构的整体稳定性。同时，B2的钢筋应变最大，说明其在加固过程中得到了更好的应力传递。

在破坏模式方面，对照梁B1表现出脆性破坏，其裂缝主要集中在梁的中段，且扩展迅速，导致结构突然失效。相比之下，加固梁B2和B3的破坏模式更加缓和，裂缝分布较为均匀，延展性更好。B4的破坏模式则有所不同，其在剪切区域出现了明显的裂缝，表明其在加固过程中可能未能有效分散剪切应力。

### 数值模拟的验证与优化

有限元分析结果与实验数据之间表现出良好的一致性。这表明，当前的FEM模型能够有效地预测RC梁在加固后的行为。然而，模型中的一些理想化假设，如完全无滑移的粘结状态和均匀的网格划分，可能导致局部行为的预测偏差。例如，B3的应变值在FEM模型中略高于实验数据，这可能是由于模型中假设了理想的粘结状态，而实际结构中可能存在部分滑移或粘结失效。

此外，FEM模型在预测裂缝模式时存在一定的局限性。由于采用了“弥散裂缝”方法，模型只能预测裂缝的大致区域，而无法精确捕捉裂缝的走向和宽度。这种方法虽然能够提供对整体结构行为的合理描述，但在研究局部裂缝发展和损伤累积方面可能不够精确。因此，未来的研究可以进一步优化模型，采用更精细的网格划分和更精确的粘结模型，以提高对局部行为的预测能力。

研究人员还指出，铁丝网水泥加固的结构性能受到多种因素的影响，包括纵向钢筋的数量、剪力连接器的布置以及锚固方式等。因此，未来的研究可以进一步探讨这些因素对加固效果的具体影响，以优化加固方案并提高结构的安全性。

### 结论与展望

本研究通过实验和有限元模拟，系统评估了铁丝网水泥加固对RC梁承载能力和延展性的影响。实验结果表明，添加纵向钢筋可以显著提高梁的承载能力，但过多的钢筋可能会导致应力集中，从而影响梁的整体性能。此外，FEM模型能够有效预测梁的承载行为和破坏模式，但在局部行为的描述上仍存在一定的局限性。

总体而言，铁丝网水泥加固是一种经济、高效的结构增强方法，尤其适用于老旧RC梁的修复和强化。与传统的纤维增强复合材料（FRP）相比，铁丝网水泥具有更低的成本和更简单的施工工艺，同时能够提供良好的延展性和抗裂性能。然而，为了充分发挥其潜力，还需要进一步优化加固设计，特别是在纵向钢筋的配置和粘结方式方面。

未来的研究可以集中在以下几个方面：首先，优化FEM模型，采用更精细的网格划分和更精确的粘结模型，以提高对局部行为的预测能力；其次，探索不同加固方案对梁性能的具体影响，包括纵向钢筋的数量、剪力连接器的布置以及锚固方式等；最后，进一步研究铁丝网水泥与其他材料（如低碳水泥、淀粉基粘结剂等）的结合使用，以开发更加环保和经济的加固方案。

本研究的成果为结构工程师提供了重要的参考，特别是在选择加固材料和设计加固方案时。通过合理的加固设计，可以有效提高RC梁的承载能力和延展性，延长其使用寿命并提高结构的安全性。此外，研究还强调了可持续材料在结构加固中的重要性，为未来的研究和工程实践提供了新的思路和方向。