RC伸臂梁采用PVA-ECC加固抗剪試驗研究*

卜良桃，汪文淵，何放龍

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082)

由于地震、洪水等自然災害或建筑結構的使用功能改變及房屋老化等種種原因，建筑結構加固的普遍性及重要性日益凸顯[1]，因而建筑結構加固施工方法及施工工藝的研究也不斷深化.

聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)鋼筋網加固是一種以PVA-ECC作為基材，輔以鋼筋網作為增強材料，使其與被加固構件形成整體并共同承擔荷載作用的加固方法.其施工順序為：首先在被加固構件表面綁扎鋼筋，然后抹涂一層PVA-ECC并養護.施工中采用在被加固構件表面植入剪切銷釘及抹刷界面劑的雙重措施，來保證加固層與被加固構件能夠共同工作.由于PVA-ECC具有較好的物理性能且價格低廉，相對于傳統加固方法，PVA-ECC鋼筋網加固方法具有抗裂性好、施工簡單、耐高溫及經濟性好等優點[2-4].現階段已對聚乙烯醇纖維砂漿鋼筋網加固RC柱受壓及加固RC梁受彎作了相應的研究[5-6]，本文在國內外學者研究的基礎上，進一步對PVA-ECC鋼筋網加固混凝土伸臂梁進行抗剪性能的試驗研究，并依據桁架-拱模型原理，推導了PVA-ECC鋼筋網加固梁的抗剪承載力公式，為該加固方法的推廣，提供具有實際意義的成果.

1 試驗方案

1.1 試驗梁設計

本次試驗共制作了4根試件，包含2根不加固的對比梁和2根采用PVA-ECC鋼筋網加固的一次受力梁.以剪跨比作為變量，將試件梁分成兩組，每組由1根對比梁和1根加固梁構成.第一組梁編號為B1和B2，剪跨比為1.6，第二組梁編號為B3和B4，剪跨比為2.0，其中B1和B3為對比梁，B2和B4為加固梁.對比梁截面尺寸為150 mm×300 mm，梁長度為3 000 mm，梁端外伸100 mm，混凝土強度設計等級為C30，梁底縱向鋼筋為4ф22(兩排對稱布置)，梁頂縱向鋼筋為2ф20，箍筋為ф6@150.加固梁采用三面U形加固，其試驗梁模板配筋圖及加固方式如圖1所示.

試驗中的PVA-ECC的配合比為：水泥∶水∶砂∶外加劑=1.00∶0.4∶0.7∶0.18，纖維摻量體積分數為2%，其中水泥采用強度等級為Po.42.5的普通硅酸鹽水泥，砂為0.25 mm篩孔過篩的中砂，水為自來水，聚乙烯醇纖維規格為φ0.02 mm×6 mm，抗拉強度為1 400 MPa，試驗梁材料的基本參數見表1.

表1 試驗梁材料參數

圖1 試驗梁模板、配筋圖及加固示意圖(mm)

1.2 加載方案與測試內容

本次試驗采用重物吊籃加載法，通過杠桿放大系數為5.2倍的杠桿加載裝置進行加載，試驗以標定重量的混凝土試塊作為加載砝碼，并通過分配鋼梁傳遞給試件.本次試驗采用分級加載方式，直至試驗梁破壞.

試驗中，通過在支座處及集中荷載作用處設立撓度測點，量測其撓度，每級加載完成后，待機械百分表穩定后再讀數.使用裂縫刻度放大鏡觀察并描繪裂縫的出現和發展情況；運用靜態電阻應變儀對原梁中鋼筋、原梁箍筋、加固鋼筋網、原混凝土和加固層砂漿的應變值進行測量.

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

本次試驗結果如表2所示，由表可知，相對于對比梁，加固梁的屈服荷載和抗剪承載力均有不同程度的提高，且抗剪承載力的提高幅度和剪跨比有關，剪跨比越大的構件抗剪承載力提高幅度越大.

表2 試驗結果

2.2 典型破壞形態

各組試件破壞時，均呈現出典型的鋼筋混凝土梁剪壓破壞形態，如圖2所示.裂縫最初出現在支座負彎矩區域內，表現為豎向受拉裂縫，隨著荷載的繼續增大，試驗梁腹部出現斜裂縫，向支座處和跨中集中力作用點延伸發展，豎向受拉裂縫與試驗梁腹部裂縫斜交，形成彎剪裂縫，當荷載接近破壞荷載時出現一條寬度較大的臨界斜裂縫，與臨界斜裂縫相交的箍筋首先屈服，最后直到斜裂縫端部混凝土在截面壓應力和剪應力雙重作用下壓酥破壞.

圖2 試件破壞形態

2.3 斜裂縫分析

通過記錄對比梁和加固試驗梁的裂縫開展情況 可發現，加固試驗梁的開裂荷載較對比梁也有所提高，表明聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網能很好地抑制裂縫產生.加固后的試驗梁的裂縫分布情況，相對于對比梁出現了寬且稀疏的裂縫,具有細而密的特征,說明聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網有效阻止了斜裂縫聚集擴展成較寬的裂縫,限制了斜裂縫的進一步發展,從而表現為裂縫間距與寬度均較小的裂縫形態.

2.4 撓度分析

試驗中記錄了各試件的荷載-撓度變化關系曲線.第一組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3(a)所示，第二組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3(b)所示.對比兩組曲線圖，可以得出：加固梁的截面剛度有一定的提高，加固層在不同的階段，對剛度的貢獻作用機理也不同，并且加固梁的延性得以改善.

開裂荷載作為曲線的拐點，將曲線劃分成2個階段.第Ⅰ階段即開裂荷載之前，聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網加固層的作用主要表現為尺寸疊加效應，即通過加固層增大了試驗梁的截面尺寸，直接提高了試驗梁的剛度，在圖中曲線表現為在同一荷載下，加固梁較對比梁的撓度小.第Ⅱ階段即開裂荷載之后，聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網加固層主要是通過限制構件裂縫的繼續發展，約束加固梁截面剛度的弱化，從而使加固梁的剛度弱化幅度小于對比梁，間接地提高了加固梁的剛度，在圖中曲線表現為開裂荷載之后的曲線曲率變化較對比梁小.

撓度/mm

撓度/mm

2.5 應變分析

依據測取的應變數據，繪制荷載-箍筋應變曲線，如圖4所示.從圖4(a)中對比梁的荷載-箍筋應變曲線可以看出，在加載初期，對比梁的箍筋應變很小，當加載至開裂荷載時，斜裂縫出現，箍筋應變驟然增大.說明試件開裂前，承受剪力作用的主要是混凝土，但斜裂縫出現后，混凝土將其承擔的應力傳遞給箍筋，從而使箍筋的應變在開裂荷載處突然增大.

對比圖4(a)和(b)中原梁箍筋曲線可知，加固梁中原梁箍筋應變較對比梁小，說明加固梁中的聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網加固層分擔了外荷載.

撓度/mm

撓度/mm

對比圖4(b)中的2條曲線可知，在加載初期，原梁箍筋的應變與加固梁中的聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網加固層的箍筋應變基本保持一致，隨著荷載的增大，斜裂縫的出現，曲線稍有偏離，但基本趨于一致，說明加固層與原梁能夠較好地協同工作，共同承擔外荷載.

聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網加固層箍筋抗剪作用貢獻主要體現在兩個方面.首先加固層箍筋作為原梁箍筋的補充，一起承擔剪力作用，其次加固層箍筋限制了斜裂縫的出現及發展，從而使有效抗剪部分混凝土增多，同時加固層箍筋通過對原梁產生的約束效應，對提高抗剪能力也有一定的作用.

3 加固梁承載力理論分析

本文采用考慮混凝土與腹筋作用的桁架-拱模型，模擬加固試驗梁抗剪工作機理，對加固試驗梁的抗剪承載力進行理論分析.

3.1 桁架作用效應

抗剪鋼筋和混凝土及聚乙烯醇砂漿共同構成桁架，產生桁架抗剪作用，計算簡圖如圖5所示.

圖5 桁架作用計算簡圖

桁架模型中承擔的剪力：

Vt=∑Asvσsv+Asmvσsmv=

ρsvσsvbdjdcotφ+ρsmvσsmvbdjdcotφ．

(1)

根據靜力學平衡得：

γσcbdjdcosφsinφ=(ρsvσsv+ρsmvσsmv)bdjdcotφ．

(2)

根據實驗結果知，對于剪壓破壞的試驗梁，加固箍筋與原梁箍筋能夠較好地協同工作，構件破壞時，加固箍筋與原梁箍筋均達到屈服，故σsv=fsv及σsmv=fsmv，代入式(2)可得：

(3)

式中：fsv和fsmv分別為原梁箍筋抗拉屈服強度及加固箍筋抗拉屈服強度.

3.2 拱作用效應

混凝土和聚乙烯醇砂漿組成斜向壓桿，產生拱抗剪作用，計算簡圖如圖6所示.試驗表明，聚乙烯醇纖維砂漿與混凝土工作協同性較好，且兩者彈性模量相近，故近似認為兩者壓應力相等.由靜力學平衡關系知，拱作用承擔的剪力：

Va=σabmhmtanθ/2.

(4)

圖6 拱作用計算簡圖

拱作用效應隨著剪跨比λ減小、角度θ增大而增大.當λ=0.5時，拱作用抗剪起主導作用，λ=3時，拱作用效應較弱，近似取兩極限情況的線性插值[8]：

σa=(1.2-0.4λ)νfc.

(5)

又由幾何關系且令h0=0.85hm，λ=L/h0得：

(6)

聯立(4)～(6)可得：

(7)

式中：bm為加固梁截面寬度；hm為加固梁截面高度；有效強度系數[9]ν=0.7-fc/165.λ為剪跨比.

3.3 加固梁抗剪承載力公式

由“桁架-拱”模型理論知：

σc+σa=νfc.

(8)

聯立(3)(5)(8)可得：

(9)

故加固構件抗剪承載力為：

Vu=Vt+Va=

(ρsvfyv+ρsmvfymv)bdjdcotφ+

(10)

斜壓桿的角度φ的取值為26.6°≤φ≤45°，故1≤cotφ≤2[10].

3.4 計算值與試驗值比較

將試驗值和理論計算值對比，見表3.可見加固梁抗剪承載力理論計算值與試驗值吻合較好.

表3 理論計算值與試驗值比較

4 結 論

1)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網加固RC伸臂梁，對其開裂荷載及抗剪承載力的提高均有一定的作用.

2)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網加固RC伸臂梁，在有效推遲裂縫產生的同時，又能約束已有裂縫的匯集擴張，抑制裂縫的發展速度，使其呈現出間距及寬度較小的形態.

3)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網加固RC伸臂梁，加固梁的剪切剛度得到提高，加強了其變形能力，對加固梁的延性的提高有一定的作用.

4)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網對RC伸臂梁進行抗剪加固，加固箍筋能有效地分擔荷載作用，其應變曲線與原箍筋應變曲線增長趨勢接近，說明加固層與原構件的協同工作性能較好.

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