RC伸臂梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶性能研究

卜良桃，劉裔彬

(湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

據統計，我國大約有三分之一的住宅安全儲備不足，由于部分建筑結構老齡化、生產規模及工藝更新、抗震設防標準提高、老建筑的保護利用等，需要加固補強的結構越來越多．混凝土結構傳統的加固方法很多，主要有加大截面法、增補鋼筋法、體外預應力法、改變傳力途徑法、改變受力體系法、粘鋼法、包鋼法、粘貼碳纖維法等[1]．這些方法雖然有它們的適用性，但缺陷和不足也很突出．

RC梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶施工工藝簡單方便．只需先對混凝土表面進行鑿毛處理，然后對表面進行清洗，涂抹界面劑，再在RC梁表面每隔一定間距植入剪切銷釘，鋪設鋼筋網，最后粉抹或噴射鋼纖維水鳥砂漿即可．鋼纖維砂漿和混凝土材性相近，鋼纖維砂漿鋼筋網薄層能和原構件協同工作．與傳統加固方法相比，基本不增加構件幾何尺寸和重量，試用性較強，易于推廣．

目前，對RC梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶的抗剪性能研究較少，理論分析模型主要為傳統的桁架—拱模型[2]．為此，本文在借鑒和總結國內外相關課題研究成果的基礎上[3-6]通過RC伸臂梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶剪切破壞試驗，采用塑性分析方法，提出RC伸臂梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶抗剪極限承載力計算公式，具有一定的理論意義．

1 試驗方案

1.1 試驗梁設計

本次試驗共制作4根RC梁，試件截面設計尺寸為b×h=150 mm×300 mm ，構件長度取為L=3 200 mm，試驗梁設計參數見表1、試驗梁材料參數見表2．原梁混凝土強度等級為 C30，加固層厚度為 25 mm，加固砂漿采用M40的鋼纖維砂漿，由p.o.42.5普通硅酸鹽水泥、中砂、鋼纖維和水組成，配合比為水泥：砂：水為 1：1.9：0.45，鋼纖維參量體積分數為2%．試件分為兩組，第一組（B1、B2）的剪跨長度為650 mm，第二組（B3、B4）的剪跨長度為 750 mm，抗剪加固帶采用通長四面環包．具體見圖1．

表1 試驗梁設計參數Tab.1 Designing detail of test beam

圖1 試驗梁受力簡圖、原梁及加固梁配筋示意圖Fig.1 Details of test-beams

表2 試驗梁材料參數參數Tab.2 Detail of material

1.2 加載方案與測試內容

試驗梁通過放大系數為5.2的杠桿加載，在吊籃中按順序堆放有質量標記混凝土試塊,加載裝置見圖 2．參照《混凝土結構試驗方法標準》[7]，首先對試驗梁進行預加載，預加載值不大于理論開裂荷載計算值的70%，本試驗取30 kN；試驗梁采用分級加載，每級按短期試驗荷載值的 10%進行加載；當加載到理論開裂荷載計算值的90%時，以后每級按短期試驗荷載值的 5%加載；每級加載持荷時間為15 min，待各儀器數值穩定后讀數．試驗使用裂縫寬度儀測量裂縫在各荷載下的寬度，使用百分表測量集中荷載作用點、支座處撓度，運用電阻應變儀和應變片測量混凝土、砂漿、箍筋、環包鋼筋網應變值，箍筋應變測試部位如圖3所示．

圖3 箍筋應變測試部位Fig.3 Stirrup strain test site

2 試驗結果與分析

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

2.1 試驗結果

本次試驗所有試驗梁均發生斜截面剪切破壞，試驗結果如表3所示．試驗結果表明，加固梁的開裂荷載和極限荷載均有一定程度的提高，加固梁受剪極限荷載提高幅度大于開裂荷載提高幅度， 加固梁剪跨比變化，加固梁受剪極限荷載值相近．

表3 試驗結果Tab.3 Experimentational Results

2.2 典型破壞形態

原梁和加固梁均呈現典型剪壓破壞形態．試驗梁最先在彎矩較大的區段出現豎向裂縫，隨著荷載的增加，裂縫斜向延伸，裂縫傾角減?。诩艨缍文辰孛娓共砍霈F腹剪型裂縫，腹剪裂縫由中部沿集中荷載作用點和支座處雙向延伸，離集中荷載作用點越近，裂縫越平緩，形成一條臨界斜裂縫，見圖4．臨界斜裂縫形成后，荷載作用點附近的混凝土受壓區出現水平狀混凝土受壓裂縫，隨著臨界斜裂縫寬度增加和受壓區縮小，受壓區混凝土被壓碎．試驗梁伸臂段出現反向斜裂縫，最終破壞發生在簡支段．

圖4 臨界斜裂縫Fig.4 Critical diagonal crack

2.3 裂縫分析

在試驗過程中，描繪了對比梁和加固梁裂縫寬度變化規律，試驗結果見圖 5．試驗結果表明，對比梁斜裂縫出現后，開展迅速，斜裂縫寬度和間距較大，相反，加固梁裂縫開展緩慢，斜裂縫寬度和間距較小．在相同的荷載作用下，加固梁裂縫寬度小于對比梁．加載到原梁箍筋和加固箍筋屈服后，斜裂縫發展速度加大．試驗梁破壞時，加固梁裂縫數量細而密，少量鋼纖維被拔出．試驗結果表明，鋼纖維沙漿鋼筋網能有效地延緩構件開裂，限制裂縫發展，增加構件抗裂性．

圖5 荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load-crack width curves of beams

2.4 撓度分析

在試驗過程中，記錄并描繪了試驗梁的荷載—撓度曲線，試驗結果見圖6．試驗結果表明，對比梁撓度變化較快，撓度相同時，每組對比梁荷載均小于加固梁，破壞時，加固梁撓度小于對比梁，說明鋼纖維砂漿鋼筋網使構件剛度增加．由試驗結果分析，加固梁開裂前，鋼纖維砂漿鋼筋網薄層與原梁工作協同，砂漿層使構件截面尺寸增大，從而增加了構件抗彎剛度．加固梁開裂后，裂縫削弱截面抗彎剛度，而鋼纖維砂漿鋼筋網能有效限制斜裂縫發展，使加固梁抗彎剛度削弱程度小于對比梁，所以加固梁抗彎剛度較對比梁大．

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-Deflection Curves of Beams

2.5 應變分析

根據試驗過程中測得的對比梁和加固梁箍筋應變數據，描繪對比梁和加固梁箍筋荷載—應變曲線，應變取值為每根箍筋所測應變平均值，試驗結果如圖7所示．試驗結果表明，試驗梁開裂后，箍筋應變顯著增大，主要因為試驗梁開裂后，混凝土和砂漿層退出工作，箍筋受荷貢獻突增，從而箍筋應變顯著增加．在相同荷載作用下，每組加固梁箍筋應變均小于對比梁，這是因為鋼纖維砂漿鋼筋網薄層中橫向箍筋承擔了一部分荷載，使加固梁箍筋應力減小，即加固梁箍筋應變較對比梁箍筋應變?。畬Ρ攘汗拷钋螅瑯嫾⒑芸炱茐?，加固梁箍筋屈服后，由于鋼纖維砂漿鋼筋網薄層中橫向箍筋還未屈服，能夠繼續承擔荷載，延性增加，所以破壞時加固層箍筋應變更大，加固梁原箍筋與加固層箍筋應變步調基本一致，說明加固層與原構件能協同工作、整體受力．

圖7 荷載-箍筋應變曲線Fig.7 Load-Stirrup Strain Curves of Beams

3 抗剪加固帶受剪極限承載力計算

本文根據混凝土和鋼筋的本構關系及試驗梁的試驗結果，采用塑性分析方法，提出RC伸臂梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶斜截面抗剪強度計算公式．

3.1 基本假定

假設混凝土、鋼纖維砂漿、鋼筋為完全剛塑性材料[8]，鋼筋只承受軸向拉應力，忽略混凝土和鋼纖維砂漿的拉應力，由于鋼纖維砂漿與混凝土協同變形，受壓變形模量相近，可將鋼纖維砂漿和混凝土視作同種材料，共同受壓．鋼筋單軸受拉，屈服條件為

由修正的莫爾—庫倫準則，并考慮混凝土的塑性軟化現象，處于平面應力狀態下的混凝土和鋼纖維砂漿的屈服條件為：

式中：sσ為鋼筋應力，yf為鋼筋的屈服強度，1σ、2σ為平面應力下混凝土與鋼纖維砂漿主應力，cf為混凝土軸心抗壓強度，ν為混凝土塑性軟化系數，此處采用Nielsen經驗系數[9]，取

3.2 理論推導

根據塑性分析原理，抗剪加固帶選用如圖8所示塑性破壞機構，屈服截面將梁分為Ⅰ、Ⅱ兩部分剛體，Ⅰ部分剛體僅發生相對轉動，相對轉角為θ，Ⅱ部分剛體僅發生相對豎直向下位移ω，屈服截面寬度值對計算結果未有影響，可取單位寬度，屈服截面與水平軸線夾角為α．利用虛功原理可求出塑性上限解，由于塑性下限解求解復雜，此處僅將上限解作為計算結果．圖8中mb、mh分別為加固帶截面寬度和截面高度，l為塑性鉸線長度．

圖8 塑性破壞機構Fig.8 The Plastic Failure Model

由幾何關系有

抗剪加固帶屈服時，

混凝土與鋼纖維砂漿所做內功為：

箍筋所做內功為:

外荷載所做功為：

由虛功原理知：

式中：svA 、smvA 分別為原梁箍筋面積、加固橫向鋼筋面積，yvf為原梁箍筋屈服強度，ymvf 為加固橫向鋼筋屈服強度，γ為考慮加固薄層橫向鋼筋應力發揮不均勻性的抗剪系數[10]，為安全起見，此處γ=0.9，vs、mvs 分別為原梁箍筋和加固橫向鋼筋間距．聯立(2)～(3)、(5)～(9)式有：

P的極值即為結構上限解，求P極值，對(10)求導，

其中：

將P的塑性上限作為抗剪極限承載力計算公式，故鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶抗剪極限承載力為：

其中： α =arccos(1 -2ψ)、

3.3 抗剪承載力試驗值與理論計算值

采用塑性分析所得抗剪加固帶抗剪極限承載力比傳統桁架-拱模型計算承載力高，但均小于試驗值．抗剪加固帶抗剪承載力試驗值與計算值見表4．結果表明，計算值與試驗值吻合較好，由于未對結構塑性下限分析，計算公式有待進一步研究．

表4 理論計算值與試驗值比較Tab.4 Comparison between calculated and testing value

4 結論

(1)鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶中加固橫向鋼筋和原箍筋的應變基本同步變化，加固層和原構件協同工作良好，可一定程度上提高伸臂梁的抗剪極限承載力，但剪跨比的不同，加固梁抗剪極限承載力提高幅度差異不大；

(2)鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶可阻滯裂縫發展，提高開裂荷載，使裂縫細而密，增加構件抗裂性能；

(3)鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶可增加梁剛度、延性；

(4)塑性法所得RC伸臂梁鋼纖維砂漿鋼筋網抗剪加固帶抗剪極限承載力計算公式具有一定的安全儲備，承載力計算值與試驗值差異不大，值得科研工作者更深層次研究．

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