高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板抗爆性能试验研究

廖维张，刘锴鑫，张春磊,2，张玉堂，李天华

(1.北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044； 2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350)

近年来，意外偶然性爆炸和恐怖爆炸事件频发，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。当前，我国现存大量已建住宅楼、办公楼、学校、医院等民用建筑，这些建筑大多没有考虑常规爆炸冲击对建筑结构的破坏作用[1]。一旦遭受燃气爆炸、危险品仓库爆炸、甚至是恐怖爆炸，建筑物将会破坏倒塌，导致大量的平民百姓伤亡[2]。

为了提高建筑物的抗爆性能，可在工程设计阶段采用高性能抗爆材料来实现。Thiagarajan等[3]用高强混凝土来提高钢筋混凝土(Reinforced Concrete ，RC)板的抗爆性能，通过试验和模拟的方式探明在爆炸荷载作用下，相比于普通混凝土，高强混凝土具有更高的强度、韧性和更好的延性、耗能能力。Li等[4]用超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)加固RC板，通过对加固RC板进行测试确定其在爆炸荷载条件下的响应，试验结果验证了UHPC板在爆炸荷载作用下具有良好的抗爆效果。

对于既有建筑，则需要通过抗爆加固改造来提高构件的抗爆性能。粘贴纤维材料、粘贴钢板、外包钢加固[5]等传统的加固方法都可成为有效的抗爆加固方案。Castedo等[6]通过在RC板上放置钢板和在受拉区布置钢纤维的方式来提高其抗爆性能，研究结果表明钢纤维或聚丙烯纤维在拉伸应力区比普通RC板有更好的抗冲击性。Muszynski等[7-8]做了一系列关于碳纤维复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Polymer)和玻璃纤维复合材料(Glass Fiber-Reinforced Polymer)加固RC墙和RC板的远距离爆炸试验，研究证明CFRP和GFRP双面加固能减小RC板爆炸后的残余位移。Wu等[9]通过爆炸试验对比分析了普通钢筋混凝土板和FRP加固后的钢筋混凝土板在弹性和塑性范围内的动态响应和破坏模式。Silva等[10]对经过FRP加固的钢筋混凝土板进行爆炸试验，试验结果表明双面加固的板具有更好抗爆性能。

综上所述，目前RC板的抗爆加固方法主要集中在粘贴纤维材料、粘贴钢板以及高性能高强混凝土，但存在着纤维材料耐高温性差，钢板容易锈蚀，环保性差等缺点。近年来，采用高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC结构的应用日趋广泛，不仅能显著提高RC构件的承载力、刚度、耗能能力，具有较好耐火性、耐老化性、耐腐蚀性等优点，还可以提高开裂荷载、延缓裂缝发展、封闭原结构裂缝[11-14]。目前采用高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC结构已取得一定的研究成果，林于东等[15]进行了该技术加固RC板的抗弯性能分析，结果表明经加固后，板的抗弯性能得到很大提高。张伟[16]对钢绞线网-聚合物砂浆加固提升RC梁的抗冲击性能做了试验研究，结果表明该加固技术能够显著提高RC梁冲击下的抗弯性能。但对高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板在爆炸荷载作用下的破坏形态、动态响应和加固效果[17]研究相对较少。

为探索该加固技术运用在RC结构抗爆加固上的适用性及加固效果，本文通过现场爆炸试验对高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板的抗爆性能以及不同加固参数的影响规律进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计并制作了6块RC板，尺寸：长×宽×厚为2 000 mm×800 mm×120 mm，编号为S-1～S-6，其中S-1为未加固RC板，双层对称配筋，保护层厚度15 mm，配筋率为1.05%，钢筋构造如图1(b)所示。S-2～S-6为板底面加固RC板，如图1(a)所示,其中S-1为对照试验，S-2为研究加固的抗爆效果，S-4为研究砂浆强度对加固效果的影响，S-3为研究销钉对原界面与加固层的黏结效果，S-5为研究预应力钢丝绳对加固效果的影响，S-6为研究钢丝绳间距对加固效果的影响，如表1所示。

图1 试件尺寸及配筋Fig.1 Cross section and reinforcement details of specimens

表1 试件主要设计参数Tab.1 Parameters of RC slabs

试件采用C30混凝土，HRB335级钢筋，加固材料采用直径为3.00 mm的6×7+IWS型钢丝绳，高强聚合物改性水泥砂浆，混凝土和聚合物砂浆的配合比如表2、表3所示，混凝土、聚合物聚砂浆和钢筋的力学性能如表4、表5所示。

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

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

表4 混凝土和聚合物砂浆的力学性能Tab.4 Material properties of concrete and polymer mortar

表5 钢筋及钢丝绳性能Tab.5 Material properties of rebar and steel wire rope

1.2 构件加固流程

试件加固工艺参考GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》，高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板的制作及加固流程主要包括：绑扎钢筋→支模→浇筑混凝土→拆模→养护→加固面凿毛(见图2(a))→固定角钢→布设钢丝绳网片(见图2(b))→绷紧钢丝绳网片(见图2(c)，仅S-5)→喷涂界面剂(见图2(d))→抹压聚合物砂浆(见图2(f))→养护，如图2所示。

角钢采用∟30×3，用直径12 mm化学螺栓固定在板的四周距边缘50 mm处。试件S-3中销钉间距为120 mm，呈梅花型布置，并通过限位卡扣钩住钢丝绳网片，如图2(e)所示。

图2 加固施工工艺Fig.2 Process of strengthening operation

1.3 试验加载与测点布置方案

爆炸试验选择在野外爆炸试验场进行。试验板的两短边通过槽钢扣住，并用螺栓夹持固定在专门设计的钢结构试验架试验架上，其余两长边自由。将TNT炸药悬挂在试验板正上方1.5 m处，TNT炸药量分别取4 kg，6 kg和10 kg，试验布置图如图3所示，爆炸试验工况如表6所示。

图3 试验加载装置Fig.3 Loading of specimens

图4为试验的位移、超压和钢筋应变的测点布置情况，底层正中受力钢筋上布置4个钢筋应变测点，板底面中心布置一个HBWJ调频式位移传感器，板顶面中心布置一个CYD508压力传感器。

图4 测点布置图Fig.3 Arrangement of measuring points

表6 试验工况Tab.6 Cases of test

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

通过野外爆炸试验，观测板的破坏形态，从板测裂缝和板底裂缝情况分析板的破坏情况，不同比例距离下板的破坏情况如图5、表7所示。

(1)0.94 m/kg1/3比例距离下板的破坏形态

未加固板S-1板侧面出现了明显的竖向裂缝，主要集中在板中部1/3长度范围内，最大裂缝宽度1～2 mm；板底出现了明显的竖向贯通缝，且裂缝间距比较密集，最大裂缝宽度达到2 mm，裂缝间距由跨中到两端逐渐增大，直至裂缝消失，呈对称分布。与S-1相比，加固板S-2板侧面的裂缝明显减少，只有中部出现了少许竖向裂缝，最长裂缝的延伸长度在70 mm左右；板底只出现了少许分布均匀的竖向裂缝，裂缝宽度不明显，裂缝间距增大，加固层与原界面结合良好。

(2)0.82 m/kg1/3比例距离下板的破坏形态

与S-2相比，炸药量增加2 kg，加固板S-3只有在板底加固层跨中位置出现了少许竖向裂缝，最长裂缝长度在71 mm左右，裂缝宽度不明显，板中间加固层与混凝土未剥离，两端约束处的砂浆也没受到破坏。加固板S-4加固层裂缝较错综复杂，相比S-2裂缝间距有所减小，跨中裂缝的最大长度为65 mm，裂缝宽度很小，很难辨识，加固层与混凝土未剥离。

(3)0.70 m/kg1/3比例距离下板的破坏形态

加固板S-5加固层裂缝形态与上述所有板的裂缝形态相差较大，未见明显的竖向裂缝，只是出现很多相互交错的小裂缝，靠近支座处出现了一条明显的人字形裂缝，主要由于预应力施加导致受力不均匀造成的，加固层与混凝土未发生剥离。与S-5相比，S-6侧面的裂缝宽度明显减小，裂缝的数量也明显减少，只有板跨中位置出现了少许竖向裂缝，跨中裂缝的最大长度在75 mm左右，裂缝的宽度在1 mm左右。

图5 板侧面裂缝分布Fig.5 The side crack distributions of slabs

表7 板底裂缝分布情况Tab.7 The bottom crack distribution of slabs

2.2 位移时程曲线

构件变形通过在板底面中心布置一个量程为12 cm的位移计来测量爆炸作用下的板底跨中位移变化情况，试件的位移时程曲线如图6所示，最大位移、残余位移如表8所示。

图6 跨中位移时程曲线Fig.6 The mid-displacement of slabs

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

(1)加固效果的影响

由图6、表8比较S-2与S-1，可看出，炸药当量相同，加固板S-2的最大位移为32 mm，然后逐渐回弹到一个稳定值，最终的残余位移仅为4 mm。与未加固板S-1相比，加固板S-2最大位移减小了66.3%，残余位移减小了81.8%。由板底裂缝情况可以看出，S-1板的破坏程度大于S-2板的破坏程度，说明加固效果良好，能显著提高RC板的抗爆性能。

(2)销钉的影响

由图6、表8比较S-3与S-2，可看出，与S-2相比，S-3由于炸药量增大了2 kg，最大位移和残余位移分别是S-2的3.28倍和6倍。板底裂缝数量减少，S-3的加固层与原混凝土界面未出现脱落剥离现象，销钉能增强混凝土加固界面的黏结性能。

(3)砂浆强度的影响

由图6、表8比较S-4与S-2，S-3，可看出，与S-3相比，炸药当量相同，S-4加固层砂浆强度增大后，S-4的最大位移减小了5.7%，残余位移增大了2倍；与S-2相比，S-4的炸药量增大了2 kg，最大位移增大了约2倍，而残余位移却增大了17倍。提高砂浆强度一定程度上可增强砂浆与钢丝绳的黏结能力。

(4)预应力的影响

由图6、表8比较S-5与S-3，S-4，可看出，与S-3相比，S-5虽然炸药量增大了4 kg，但由于预先张拉钢丝绳，产生预应力，最大位移减小29.5%，残余位移增大了79.2%；与S-4相比，S-5的炸药量增大2 kg，砂浆强度小，最大位移、残余位移都减小了，分别减少了25.3%，40.3%。可见，对钢丝绳施加预应力能充分利用钢丝绳的高强抗拉性能，有效减小了最大位移和变形。

(5)钢丝绳间距的影响

由图6、表8比较S-6与S-4，可看出，与S-4相比，S-6的炸药量增大了4 kg，钢丝绳间距减小后，最大位移无明显变化，残余位移减小了81.9%，说明减小钢丝绳间距能够显著提高构件的延性。

2.3 钢筋应变时程曲线

钢筋应变通过预埋在底层正中受力钢筋上4个钢筋应变片记录钢筋应变情况，来分析不同加固参数对板抗弯承载力的影响。钢筋应变测点从跨中到板边缘均匀分布，编号为G1～G4，布置位置如图7所示。

图7(a)为S-1的4个测点钢筋应变时程曲线，可看出，G1钢筋应变迅速增大到峰值10 000 με，已经远超过钢筋的极限应变2 672 με，说明板的破坏程度比较严重。G2的峰值应变约为8 600 με，之后快速回缩到3 960 με左右。可见，炸药引爆后钢筋应变在短时间内就达到峰值，板跨中位置的钢筋应变最显著，越往边缘钢筋应变越小。

图7(b)为S-2 在1号、2号、3号测点的钢筋应变时程曲线，4号测点应变片损坏。可以看出，S-2的G1钢筋应变在10 ms内迅速达到峰值5 400 με，然后迅速下降到1 700 με，随后应变在极限应变范围内上下波动，最终达到一个稳定值；G2峰值应变在3 400 με左右，然后迅速回落，小幅波动后达到稳定值770 με；G3峰值应变约为2 993 με。与S-1相比，G1峰值应变减小了46%，残余应变减小了83%。可见，加固板的回弹变形能力得到提高。

(1)销钉的影响

图7(c)为S-3在3号、4号测点处的钢筋应变时程曲线，1号、2号测点应变片损坏，G3，G4钢筋应变峰值约为3 000 με，2 000 με。与S-1的G3相比，尽管炸药量增大了2 kg，加固后钢筋峰值应变却减小了36.2%；与S-2的G3相比，炸药量增大了2 kg，峰值应变无明显变化。

(2)砂浆强度的影响

图7(d)为S-4 在1号、2号、3号、4号测点的钢筋应变时程曲线，与S-2的1号、2号测点相比，由于炸药增加了2 kg，S-4的G1，G2峰值应变都有所增大；与S-3的3号测点相比，炸药量相同，S-4的G3峰值应变减小了约36.3%。可见，增大砂浆强度减小板的弯曲破坏程度。

(3)预应力的影响

S-5的1号、3号、4号测点的钢筋应变片均损坏，仅有2号测点完好。图7(e)为S-2，S-4，S-5的2号测点的钢筋应变时程曲线，可看出，由于测量周围其他试验的影响，S-5的G2钢筋应变最初在负值区域出现假象，之后达到峰值应变5 400 με左右。与S-4相比，炸药量增大了4 kg，钢丝绳施加预应力后S-5的峰值应变只增大了10%。可见，施加预应力后，试件的弯曲破坏程度显著减小，并且减小程度大于增加砂浆强度效果。

(4)钢丝绳间距的影响

图7(f)为S-2，S-5，S-6的2号测点钢筋应变时程曲线，S-6的G2峰值应变约为3 000 με。与S-2的相比，炸药量增大了6 kg，但钢丝绳间距减小后的S-6，峰值应变反而减小了约10%；与S-5的相比，炸药量相同，S-6峰值应变减小了约44.4%。可见，减小钢丝绳间距能减小钢筋的峰值应变，减轻破坏程度。

图7 试件的钢筋应变时程曲线Fig.7 The strain time-history curve

3 基于剩余承载力板的损伤评估准则

通过对爆炸后的RC板进行承载力试验得到剩余承载力，基于剩余承载力评估爆炸后RC板的损伤程度。

3.1 剩余承载力加载试验

本次剩余承载力试验加载装置及示意如图8所示。选取爆炸后板S-1～S-6(跨中挠度小于50 mm)进行剩余承载力试验。本试验采用手动液压千斤顶加载设备来提供竖向荷载，并通过分布梁将荷载传到板面上。

3.2 试验结果

图9为试件损伤破坏图，在已有裂缝的基础上继续发展和延伸，尤其是板底背爆面的横纵裂缝相互交错，分布较密且复杂，在板底跨中附近形成多条主裂缝，贯通于整个截面，随着荷载的增加，主裂缝宽度逐渐增大。板顶面混凝土大面积被压碎而破坏。而加固板的裂缝发展情况近似于未加固板，新裂缝主要由原有裂缝延伸发展形成，裂缝分布较为均匀，板底跨中处形成一道明显的主裂缝。同样在板顶面中部，混凝土出现较窄的破碎坑。在试验加载过程中，可以明显地听到高强钢丝绳受力被拉紧的吱吱声，并随着荷载值的不断上升，从板侧面可以看到，在原构件和加固层之间出现了空隙，在加载点位置处出现剥离现象。当结束试验卸载时，加固板出现一定回弹变形，说明加固板仍具有较好的变形能力，表现出良好的抗爆加固效果。

图8 试验加载装置Fig.8 Loading of specimens

图9 试件损伤破坏图Fig.9 The damage diagram of slabs

试件剩余承载力试验结果如表9所示。

表9 试件剩余承载力试验结果Tab.9 The residual capacity of slabs

由图10可知，高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固板荷载-位移曲线共分为三个阶段，加固板S-2的剩余承载力和初始承载力值均大于未加固板S-1，增长幅度为33.3%和55.7%。可见加固后的RC板的抗爆性能明显提高，加固效果十分显著，爆炸损伤后依然能够保持较好的承载能力。

图10 板荷载-位移曲线Fig.10 The loading-displacement curve of slabs

3.3 损伤评估

基于钢筋混凝土板的剩余承载力的评估准则，评估其破坏程度，构件损伤度D[18]被定义为

式中，PN,Pr分别为钢筋混凝土板的初始承载力以及爆炸后的剩余承载力。采用试验的方法来分析钢筋混凝土板在爆炸荷载下的损伤情况，初始承载力指标PN以静力承载力试验中的量测结果为准，而剩余承载力指标Pr通过剩余承载力试验获得。将钢筋混凝土板的损伤程度参照D值分为轻度损伤、中度损伤、重度损伤和倒塌4个等级，如表10所示。

表10 板损伤程度评价指标Tab.10 The damage degree evaluation of slabs

参照上述损伤评估方式对加固RC板进行损伤评估。

图11为不同加固参数的RC板的损伤情况，可看出，加固板的极限和剩余承载力较未加固板S-1均有不同程度的提高。各试件的损伤程度均属于第一级轻度损伤，相同比例距离下损伤度D值显著降低。对钢丝绳施加预应力加固板S-5由于在爆炸荷载作用下钢丝绳破坏，预应力损伤，由于局部损伤严重导致剩余承载力小于其他加固板，呈现中度损伤，加固板S-2的D值比未加固板S-1大，这是由于未加固板S-1的极限承载力采用试验实测值，试件S-1的制作和养护过程较理想

图11 不同加固参数RC板的损伤情况Fig.11 The damage situation of slabs

所引起的相对误差，导致数值略大于理论计算值，D值计算结果略小。高强钢丝网片-聚合物砂浆加固方式对于提高钢筋混凝土板的抗爆能力起到了一定的作用。

4 结 论

通过高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板的抗爆性能试验及剩余承载力试验，分析销钉、砂浆强度、施加预应力、钢丝绳间距等不同加固参数影响，得出以下结论：

(1)对RC板的背爆面进行高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固，能够明显减轻RC板的破坏程度，加固板板底裂缝宽度明显减小，跨中最大位移显著降低，试件呈现整体弯曲破坏模式，试件的刚度、抗弯承载力均得到了显著提高。

(2)通过减小加固层的钢丝绳间距或对钢丝绳施加一定的预应力等措施更能有效地限制试件的变形。在砂浆强度减小，炸药量增加4 kg的情况下，对钢丝绳施加预应力的加固板最大位移减小29.5%，减小钢丝绳间距的加固板残余位移减小81.9%。

(3)基于剩余承载力的评估准则能够有效的评估爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的损伤程度，加固后板剩余承载力有不同程度的提高，对钢丝绳施加预应力的加固方式在爆炸阶段能够有效减轻板的破坏程度，但会降低爆炸后板的剩余承载力。