預張緊鋼絞線網-砂漿面層加固有負彎矩梁抗剪性能試驗

曹忠民 高 淳

(華東交通大學土木建筑學院,南昌 330013)

0 引 言

高強鋼絞線網-聚合物砂漿面層加固技術是一種新型體外配筋加固技術,具有質輕、高強、適應性好等優點。目前關于該技術的研究主要集中在受彎構件的正截面加固[1-7],而對于其斜截面受剪加固的受力性能研究較少[8-10]。由于鋼絞線網不易拉緊且難以固定,導致施工中張緊程度不一,使其加固效果出現很大差異,直接影響加固的質量,從而需要對加固鋼絞線進行預張緊處理。危曉麗[11]通過對比分析得出,采用預張緊鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層技術對某工程梁加固的合理性及可行性。現行國家標準《混凝土結構加固設計規范》GB 50367[12]規定,鋼絲繩網片安裝時應施加預張緊力,預張緊應力大小取0.3frw,frw為鋼絲繩抗拉強度設計值。現行《混凝土結構加固設計規范》[12]第13.3.3條規定,采用預張緊鋼絲繩網片-聚合物砂漿面層抗剪加固鋼筋混凝土梁時,其斜截面承載力計算時受剪加固的鋼絞線的強度設計值,按規范第4.5.4條規定的強度設計值乘以調整系數0.50確定;當為框架梁或懸挑構件時,該調整系數取為0.25。這樣當框架梁或懸挑構件受剪加固時,高強鋼絞線的強度設計值只用到262～300 MPa,極大限制了高強鋼絞線的應用。雖然目前有預應力鋼絞線加固鋼筋混凝土梁受剪性能的研究[13],但是對于預張緊鋼絞線網加固鋼筋混凝土梁受剪性能的研究成果還很少見到。另外,在實際工程中,大多數梁為連續梁,剪跨區負彎矩影響斜截面抗剪承載力的程度缺乏公認的數據。

因此,本文采用可靠的預張緊鋼絞線加固工藝,預先對鋼絞線施加張緊力0.3frw,對鋼筋混凝土伸臂梁進行抗剪加固試驗,研究其斜截面受剪的受力性能,并與類似條件下的對比梁進行比較分析,并建立預張緊鋼絞線網-砂漿面層加固鋼筋混凝土梁斜截面承載力的計算公式。

1 試驗研究

1.1 試件設計和材料性能

試件包括6根鋼筋混凝土梁,其中1根未加固對比伸臂梁、4根預張緊鋼絞線網-砂漿加固的伸臂梁、1根預張緊鋼絞線網-砂漿加固簡支梁。試驗梁的幾何尺寸和配筋如圖1所示。伸臂梁截面尺寸為b×h= 150 mm×300 mm,梁長為2 000 mm,凈跨為1 500 mm,懸臂段長度為400 mm。由于本試驗主要研究受剪性能,為了防止受彎破壞適當增加了縱筋用量,梁底和梁頂均配置2Φ20的縱向鋼筋。為了防止縱筋滑移破壞,在端部彎錨150 mm。梁的箍筋為φ6@ 150。簡支梁的截面尺寸、縱筋和箍筋的配置與伸臂梁的相同,簡支梁凈跨為1 500 mm。

圖1 試驗梁的尺寸、配筋圖(單位:mm)Fig.1 Dimension and reinforcement of tested beams (Unit:mm)

試件的編號和試驗參數見表1。

混凝土、鋼筋的性能測試值見表2,鋼絞線和砂漿的性能測試值見表3。

表1試件及試驗參數

Table 1 Parameters of specimens and experiment

表2試件材料性能

Table 2 Material properties

表3加固材料性能

Table 3 Properties of strengthening material

本試驗的高強鋼絞線采用1×19的鍍鋅鋼絞線,公稱直徑為2.5 mm,實測截面面積為4.58 mm2。實測鋼絞線的應力-應變試驗曲線如圖2所示。

圖2 鋼絞線的應力-應變關系曲線Fig.2 Stress - strain curve of steel wire rope

從圖2可以看出,在初始受力時,鋼絞線處于較為松弛的狀態,鋼絞線拉緊應變較大;隨著鋼絞線的逐漸拉緊,其應力與應變關系趨于線性。通過預張緊,鋼絞線可以很好地改善前期的受力性能。

1.2 加固預張緊系統

本文加固方案的加固預張緊系統如圖3所示。U形加固法是將高強鋼絞線通過扁鋼一端固定在梁一側,另一端連接在扁鋼上,用高強螺栓與梁另一側角鋼連接,通過雙向扭矩扳手扭動螺栓至所需的張緊力。環形加固法采用兩條扁鋼分別固定鋼絞線兩端,將鋼絞線環形纏繞在梁上,再對扁鋼上高強螺栓進行張緊,對鋼絞線施加張緊力。

經標定試驗,扭矩T與預張緊力F的關系為

T=0.161×F×d

(1)

式中,d為螺栓公稱直徑,在本試驗中d為10 mm。

1.3 加固范圍和加載設計

伸臂梁的加固范圍和加載設計如圖4所示。簡支梁的加固范圍和加載設計如圖5所示。

圖3 加固預張緊系統(單位:mm)Fig.3 Pretension and anchor systems (Unit:mm)

圖4 伸臂梁的加固、加載圖(單位:mm)Fig.4 Test setup of cantilever beams (Unit:mm)

圖5 簡支梁的加固、加載圖(單位:mm)Fig.5 Test setup of the simply supported beam (Unit:mm)

本試驗伸臂梁和簡支梁的剪跨均為500 mm,計算剪跨比為1.89。通過在千斤頂下設分配梁加載。伸臂梁試驗段的剪力與千斤頂加載的換算公式為V=0.55P。簡支梁試驗段的剪力與千斤頂加載的換算公式為V=0.5P。為了防止試件加載時由于局部應力過大而發生局部壓壞,在加載處設置有剛性墊塊。

本試驗按照《混凝土結構試驗方法標準》[14](GB/T 50152—2012)進行。先進行預加載,每級荷載為5 kN,預加載到20 kN。預加載后卸載并將儀器調零。正式加載時,在試件出現斜裂縫前加載以每級20 kN進行;出現斜裂縫后,加載改為每級10 kN進行。在試驗數據基本穩定后采集數據。

1.4 量測設計

量測內容包括荷載、應變、撓度和裂縫等。荷載通過荷載傳感器接應變儀采集。應變量測包括鋼筋的應變和鋼絞線的應變,通過DH3816型靜態電阻應變儀和預埋的應變片來測量,測點布置詳見文獻[15]。為測量撓度值,在伸臂梁支座處、兩個集中力作用點位置各安裝百分表。裂縫觀測采用刻度放大鏡對裂縫進行實時描繪,包括開裂荷載和斜裂縫的發展情況,并對裂縫的發展和破壞形態進行描繪。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

對于伸臂梁A1,當彎剪段剪力到87.5 kN時,跨中剪跨段出現斜裂縫,裂縫發展較快,并向支座與加載點延伸;隨著剪力增加,負彎矩受拉裂縫向下延伸與斜裂縫相交;當剪力至137.0 kN時,斜裂縫寬度增大,承載力達到峰值,試件破壞。

對于U形加固的伸臂梁A2,當彎剪段剪力至91.9 kN時在跨中梁底部出現兩條受拉裂縫,同時在負彎矩區段梁的上部也出現受拉裂縫;隨著荷載增加,受拉裂縫向梁內延伸;剪力至103 kN時,在加固砂漿上出現受剪斜裂縫;隨著剪力增大,加固砂漿上出現多條斜裂縫并向支座和加載點延伸,同時位于上部斜裂縫與負彎矩區段受拉豎向裂縫相連,位于下部斜裂縫與跨中受拉裂縫相連;然后梁跨中加載點附近出現多條斜裂縫;剪力至195.3 kN時,梁上裂縫迅速加大,加載點處混凝土部分壓碎,承載力達到峰值。

對于U型加固的伸臂梁A3,當彎剪段剪力加至89.9 kN時,跨中梁底出現受拉裂縫,裂縫向梁內延伸;當剪力至102.9 kN時,剪跨段砂漿上出現斜裂縫;隨著剪力增加,該裂縫逐漸與下部受拉裂縫相連并向上加載點發展;當剪力到137.0 kN時,在之前斜裂縫上部出現另一條斜裂縫,該裂縫上部一條分支與負彎矩區段受拉裂縫逐漸連接;當剪力至176.0 kN時,梁跨中加載點附近出現多條斜裂縫;剪力達到181.0 kN時,加載點下混凝土壓潰,裂縫寬度迅速加大,試件破壞。

對于環形加固的伸臂梁A4,當剪彎段剪力至125.4 kN時,梁跨中出現受拉裂縫;剪力至132.6 kN時,伸臂段出現斜裂縫,加固砂漿上部出現豎向受拉裂縫;梁加固段出現斜裂縫,斜裂縫隨著剪力增加向加載點延展,縫度逐漸增大;剪力到162.8 kN時剪跨段箍筋基本屈服;剪力繼續增加,加載點處部分混凝土壓碎;當剪力到211.8 kN時,斜裂縫寬度和跨中撓度迅速增大,試件破壞。

對于環形加固的伸臂梁A5,當剪彎段剪力至104.0 kN時,梁底跨中未加固區出現兩條受拉裂縫。剪力至123.8 kN時,梁加固砂漿上出現首條受剪斜裂縫,隨著剪力增加,此裂縫寬度增加形成主裂縫,砂漿上出現多條斜裂縫。繼續加載時,裂縫寬度和撓度都明顯增大。當剪力至192.5 kN時,加載點附近的部分混凝土壓碎,試件破壞。

對于U形加固的簡支梁B1,當剪力至54.0 kN時,在跨中附近陸續出現三條細裂縫。當剪力到74.5 kN時,加固砂漿上出現受拉裂縫,從梁底延伸上來,并逐漸向加載點延伸。當剪力至109 kN時,在加固砂漿上出現斜裂縫,并向支座和加載點延伸。隨著剪力增加,砂漿上出現多條斜裂縫。剪力至180 kN時,斜裂縫從砂漿延伸向加載點。當剪彎段剪力到197 kN時,部分混凝土壓潰,試件破壞。

試驗梁的裂縫和破壞形態如圖6所示。

圖6 試驗梁的破壞形態Fig.6 Failure patterns of test beams

通過比較加固的簡支梁與加固伸臂梁的破壞形態可知,簡支梁的斜裂縫主要與梁底的受拉裂縫相接,裂縫多集中在梁底受拉側,而伸臂梁由于在彎剪區出現負彎矩,其斜裂縫除與下部裂縫相接外還與負彎矩處受拉裂縫相接,增加了梁腹出現的裂縫范圍。通過比較伸臂梁A2與簡支梁B1可知,A2的斜截面承載力稍低于B1斜截面承載力,伸臂梁的斜截面承載力可參考簡支梁的斜截面承載力。通過試驗過程可知,采用預張緊鋼絞線網加固后,加固系統具有較好的整體性,預張緊鋼絞線網砂漿面層能有效地發揮其抗剪作用。

試驗梁的斜截面承載力試驗結果如表4所示。

表4斜截面承載力的試驗結果

Table 4 Test results of shear capacity

從表4可知,預張緊鋼絞線網-砂漿面層加固后可以有效提高試件的極限受剪承載力。通過比較各個試驗參數的試驗結果可知,環形加固梁的受剪承載力增量高于U形加固梁;間距較小試件的受剪承載力提高幅度大,加固效果好;U形加固伸臂梁的抗剪承載力略低于相應簡支梁的抗剪承載力。

2.2 箍筋及鋼絞線應變分析

箍筋的剪力-應變關系曲線見圖7,高強鋼絞線的剪力-應變關系曲線見圖8。其中鋼絞線的應變為加載后增加的應變,不包括預拉緊的應變。

圖7 箍筋的剪力-應變曲線Fig.7 Shear force-strain curves of stirrups

圖8 鋼絞線的剪力-應變曲線Fig.8 Shear force-strain curves of steel wire ropes

由上圖可知箍筋與鋼絞線的受剪過程相似,在初始受力階段構件的剪力基本由混凝土承擔,隨著荷載增加,混凝土出現斜裂縫以后,剪力逐漸轉移到箍筋與鋼絞線上,其應變迅速增大直至構件破壞。

從加固梁箍筋的剪力-應變曲線中可以發現,在試件破壞時各梁中箍筋都已達屈服強度,加固試件箍筋應變曲線會出現兩個或多個拐點,這是由于箍筋產生應變后,加固鋼絞線發揮受剪作用,分擔一部分剪力,此時箍筋上剪力得到一定緩解,應變增大的速率明顯減小,箍筋和加固鋼絞線形成協同受剪作用。

A2梁達到極限承載力時,鋼絞線測點處應變最大為6 762 με,再加上預張緊初應變為2 423 με,鋼絞線的總應變為9 145 με。A3梁達到極限承載力時,鋼絞線測點處應變最大值為6 051 με,加上預張拉初應變為2 423 με,鋼絞線的總應變為8 474 με。A4梁達到極限承載力時,鋼絞線測點處應變最大值為8 552 με,加上預張拉初應變為2 423 με,鋼絞線的總應變為10 975 με。A5梁達到極限承載力時,鋼絞線測點處應變最大值為8 024 με,加上預張拉初應變2 423 με,鋼絞線的總應變為10 447 με。B1梁達到極限承載力時,鋼絞線測點處應變最大值為7 598 με,加上預拉緊初應變2 423 με,鋼絞線的總應變為10 021 με。

綜上所述,環形加固中鋼絞線應力發揮水平要高于U形加固;U形加固的伸臂梁的鋼絞線應力略低于簡支梁的鋼絞線應力。

2.3 剪力-跨中撓度關系曲線

試驗梁的剪力-跨中撓度曲線如圖9所示。

圖9 試驗梁的剪力-跨中撓度曲線Fig.9 Shear force-midspan deflection curves

通過比較對比梁和加固梁可知,在相同剪力時加固伸臂梁產生的最大撓度較對比梁產生的最大撓度減小,說明鋼絞線加固能夠增大梁的剛度。另外,加固后梁的撓度得到進一步增大,相對于對比梁,加固梁的極限荷載時的撓度有不同程度的增大,說明加固對增加試件的延性起到了很好的效果。

從加固梁的對比可以看出,在同一荷載下,A2、A4撓度分別較A3、A5撓度小,說明試件配繩率越大,其加固試件的剛度也越大。在同一荷載下,環形加固伸臂梁撓度要小于U形加固伸臂梁撓度,說明環形加固能更好地抑制梁撓度的增大。

通過對加固簡支梁B1和加固伸臂梁A2撓度曲線對比可以發現,簡支梁跨中受彎較伸臂梁更大,因此其跨中撓度也較伸臂梁更大,試件加固后簡支梁的延性也得到了較大提高。

3 受剪承載力計算

目前,對預張緊鋼絞線網-砂漿面層抗剪加固鋼筋混凝土梁斜截面承載力的研究還較少。本文在混凝土結構加固規范計算式的基礎上,考慮加固方式和剪跨比對加固梁的受剪承載力的影響,不考慮聚合物砂漿的作用,建立實用的預張緊鋼絞線網-砂漿面層抗剪加固鋼筋混凝土梁斜截面承載力的計算公式。

采用預張緊鋼絞線網-聚合物砂漿抗剪加固鋼筋混凝土梁時,其斜截面受剪承載力可按下列公式確定:

Vu=Vbo+Vbr

(2)

Vbr=ψvbfrwArwhrw/srw

(3)

式中,Vbo為加固前梁的斜截面承載力(kN),按現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[16]計算;Vbr為配置鋼絞線網片后,對梁斜截面承載力的提高值(kN);ψvb為計算系數,與鋼絞線箍筋構造方式及受力條件有關的抗剪強度折減系數,按現行國家標準《混凝土加固設計規范》[12]表13.3.3采用;frw為受剪加固的鋼絞線的強度設計值(N/mm2),按現行國家標準《混凝土結構加固設計規范》[12]第4.5.4條規定的強度設計值乘以調整系數0.69確定;Arw為配置于同一截面上鋼絞線的全部截面面積(mm2);hrw為鋼絞線箍筋的豎向高度(mm);srw為鋼絞線箍筋的間距(mm)。

預張緊鋼絞線網-砂漿面層加固鋼筋混凝土梁斜截面承載力的計算值與試驗值的比較結果見表5。

表5斜截面承載力計算值與試驗值比較

Table 5 Comparison between calculation values and experimental results of shear capacity

通過比較表5中的計算結果與試驗值可得,本文所提預張緊鋼絞線網-砂漿面層抗剪加固鋼筋混凝土梁斜截面承載力計算公式的計算結果與試驗實測值符合較好,其計算值與試驗值的比值與現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GB 50010)[16]的比值相近,可供實際工程參考。而按現行國家標準《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367)[12]的計算結果偏低,且與《混凝土結構設計規范》(GB 50010)[16]的可靠度不一致。

4 結 論

根據本文試驗結果,可以得到如下結論:

(1) 預張緊鋼絞線網-砂漿面層加固鋼筋混凝土梁能有效提高試件的受剪承載力,極限受剪承載力的提高幅度為32.9%～54.5%;梁的受剪承載力與加固的鋼絞線用量有關,隨著鋼絞線用量增加梁的受剪承載力增加;環形加固法加固梁的受剪承載力增量高于U形加固梁的受剪承載力。

(2) 伸臂梁中鋼絞線的應變與相應簡支梁的應變接近,說明剪跨段內負彎矩對斜截面承載力的影響不大。

(3) 根據試驗結果,建立了預張拉鋼絞線-砂漿面層加固時受剪承載力的計算公式,其計算結果與試驗值符合良好。

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