高強不銹鋼絞線-滲透性聚合物砂漿加固法與傳統加固法對比試驗研究

張 海，陸金健，張冠華，張 瀟，李文芙

（1.沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168；2.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166；3.甘肅省公路建設管理集團有限公司 蘭州市 730030）

目前，在危橋加固維修工程中，國內仍舊多采用粘鋼加固法、粘貼碳纖維布（板）加固法等傳統加固方法［1］，高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固法在國外的應用和發展已相對成熟，而我國對此方法的研究還在起步階段，只是在理論方法進行了一系列研究，對于在實際工程中的應用尚未推廣。對比各種加固方法的有效性，開展8根4m矩形梁試驗，對梁粘貼鋼板、粘貼碳纖維板的加固與高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固進行了對比分析。

1 模型實例

1.1 模型參數

試驗共預制8根矩形梁，其中RB-1、RB-2為未加固的對比試件，RCBF-1、RCBF-2為高強鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁，RCBS-1、RCBS-2為粘貼鋼板加固試驗梁，RCBC-1、RCBC-2為粘貼碳纖維板加固梁。8根試驗梁的鋼筋配筋率相同，受拉縱筋均為8C12、HRB400級鋼筋［2］，頂部架立鋼筋均為8A6，箍筋為A6＠112、224，混凝土設計強度等級為C40，試驗梁截面尺寸均為l×b×h＝4000mm×460mm×230mm，凈跨徑L0＝3700mm，如圖1所示。

高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固采用A4.5不銹鋼絞線，其彈性模量為1.16×105MPa，標準抗拉強度為1100MPa，如圖2所示；粘貼鋼板加固采用兩片尺寸為150mm×4mm×3700mm、Q235B級鋼板梁底粘貼加固，如圖3所示；粘貼碳纖維板加固為粘貼8片尺寸b×l為50mm×3700mm的碳纖維板，如圖4所示。參數如表1所示。

1.2 加載方式

以GB／T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》［3］為標準對梁進行加載。對于對比試驗梁以及梁底進行加固處理的梁，應對其預加載。正式加載時，應根據各試驗梁的抗彎承載力估算值進行分級加載。以10kN為一級荷載，加至接近受彎開裂荷載，然后以5kN為一級加載，至梁發生抗彎破壞。每級加載結束后持荷10min，待相關讀數平穩后再進行數據采集和裂縫的觀察。

表1 試驗梁參數

2 試驗結果及分析

2.1 試驗梁破壞形態

2.1.1 對比梁破壞形態

RB-1試驗梁荷載為32kN時出現第一條裂縫，寬度0.04mm；當荷載達到105kN時裂縫寬度達到1mm，隨后進入不穩定發展階段，且裂縫迅速開展；當荷載達到117kN時，梁體出現噼啪聲，最大裂縫達到0.25mm，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到4.5mm，緊接著一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為122kN，破壞面發生在跨中截面，破壞形態見圖5。RB-2試驗梁荷載為33kN時出現第一條裂縫，寬度0.04mm；荷載達到115kN時裂縫寬度達到1mm，裂縫迅速開展；當荷載達到119kN時，梁體出現噼啪聲，混凝土梁體最大裂縫達到0.25mm；緊接著一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到4.3mm，最大承載力為125kN，破壞面發生在跨中截面左側附近。破壞形態見圖6。

2.1.2 不銹鋼絞線-聚合物砂漿梁破壞形態

RCBF-1試驗梁產生第一條裂縫時荷載為37kN，寬度0.04mm；荷載達到106kN時裂縫寬度0.08mm，隨后進入不穩定發展階段，跨中右截面梁側處出現水平向裂縫；當荷載達到147kN時，混凝土梁體出現噼啪聲，梁底鋼絞線被拉斷，加固梁出現一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為172kN，破壞面發生在跨中截面，破壞形態見圖7。RCBF-2試驗梁產生第一條裂縫對應的荷載為38kN，寬度0.04mm；加載至113kN時，純彎段跨中裂縫最大寬度達到0.1mm，且裂縫寬度基本穩定在這一范圍內；當荷載達到148kN時，混凝土梁體出現噼啪聲，梁底鋼絞線被拉斷，隨著荷載繼續增加，加固梁出現一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為178kN，破壞面發生在跨中截面，破壞形態見圖8。

2.1.3 粘貼鋼板加固試驗梁破壞形態

RCBS-1試驗梁加載至42kN時，跨中截面出現第一條彎曲裂縫；151kN時梁底跨中最大裂縫達到0.08mm，且裂縫寬度基本穩定在這一范圍內；當荷載加載至219kN時，梁底鋼板出現響聲，純彎段混凝土最大裂縫達到1mm；隨著荷載進一步增加，混凝土與鋼板之間的粘鋼結構膠出現斷裂，緊接著一聲巨響，試驗梁左側加載點處混凝土壓碎，破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到3.5mm，最大承載力為245kN，破壞面發生在左加載點附近，破壞形態見圖9。RCBS-2試驗梁加載至43kN時，在跨中截面出現第一條彎曲裂縫；161kN時梁底跨中最大裂縫達到0.08mm，且裂縫寬度基本穩定在這一寬度范圍內；當荷載加載至210kN時，試驗梁進入不穩定發展階段，梁底鋼板出現響聲，純彎段混凝土最大裂縫達到1mm；隨著荷載進一步增加，梁底混凝土與鋼板之間的粘鋼結構膠剝落，接著一聲巨響，試驗梁左側加載點處混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到3.8mm，最大承載力為231kN，破壞面發生在跨中截面附近。破壞形態見圖10。

2.1.4 粘貼碳纖維板加固試驗梁破壞形態

RCBC-1試驗梁加載至33kN時，在跨中截面出現第一條彎曲裂縫，寬度0.04mm；荷載162kN時，梁底碳纖維板發出響聲，裂縫最大寬度為0.15mm；加載至200kN時，試驗梁進入不穩定發展階段，最大裂縫寬度達到0.25mm，試驗梁連續出現噼啪聲響，碳纖維板和浸漬膠剝離，導致一側碳纖維板全部從梁底脫落，緊接著一聲巨響，試驗梁跨中左側梁底截面混凝土斷裂，跨中截面混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到4.1mm，最大承載力為226kN，破壞面發生在跨中截面附近，破壞形態見圖11。RCBC-2試驗梁加載至32kN時，在跨中截面出現第一條彎曲裂縫，寬度0.04mm；當荷載加載至194kN時，梁底碳纖維板發出響聲，梁側裂縫最大寬度為0.15mm；加載至206kN時，試驗梁進入不穩定發展階段，最大裂縫寬度達到0.25mm，碳纖維板和浸漬膠剝離，導致一側碳纖維板全部從梁底脫落，緊接著一聲巨響，試驗梁跨中梁底截面混凝土斷裂，右加載點處左側截面混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達到4.0mm，最大承載力為225kN，破壞面發生在右側加載點附近，破壞形態見圖12。

對于未加固試驗梁，彎曲應力主要由混凝土及縱筋傳遞，裂縫形成時，骨料咬合力和混凝土殘余抗拉強度傳遞大部分拉應力，當其裂縫寬度迅速增加后，拉應力主要依賴梁底縱向鋼筋傳遞；梁底縱向鋼筋屈服，裂縫迅速向上發展，受壓區混凝土達到極限壓應變，試驗梁迅速發生彎曲破壞。

對于加固試驗梁，其梁底由于鋪設加固層，彎曲應力先由梁底加固材料傳遞，裂縫形成時，加固材料傳遞大部分拉應力；拉應力主要依賴梁底縱向鋼筋傳遞，當裂縫面上與骨料相互作用的水泥基被剪碎后，部分骨料咬合作用失效，梁底所有縱向鋼筋屈服后，裂縫迅速向上發展，受壓區混凝土達到極限壓應變，試驗梁迅速發生彎曲破壞。

2.2 各加固試驗梁對比分析

2.2.1 承載力對比分析

由試驗梁實測特征荷載如表2所示。可知，不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁較未加固試驗梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載分別提高約15.38%、41.83%、41.7%；粘貼鋼板加固試驗梁較未加固試驗梁分別提高約30.77%、92.79%、92.71%；粘貼碳纖維板加固試驗梁較未加固試驗梁屈服荷載、極限荷載分別提高約87.02%、82.59%。說明加固對試驗梁承載力的提高有很顯著的作用。

試驗梁的荷載-位移曲線見圖13。

不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁加載前期，截面剛度大于傳統加固試驗梁截面剛度，加固層開裂前，跨中撓度與位移呈線性關系。不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁加載前期撓度值低于傳統加固試驗梁，可以看出，不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固能較好地抑制試驗梁下撓。

表2 試驗梁主要試驗結果

2.2.2 梁底縱筋應變曲線對比分析

荷載—鋼筋應變曲線如圖14所示。各加固試驗梁鋼筋應變在受力初期由于鋼絞線、砂漿、鋼板、碳纖維板與縱筋及混凝土共同受力，因而在加載初期鋼筋應變增長緩慢。鋼絞線較Q235級鋼板、碳纖維板抗拉強度高，故高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固梁在加載前期梁底受拉縱筋應變低于粘貼鋼板加固梁及粘貼碳纖維板加固梁，加固效果在前期很明顯。

2.2.3 裂縫對比分析

由圖5～圖12所有試驗梁破壞形態圖可見，各試驗梁裂縫分布有以下特點：首先，裂縫多出現在純彎段，各梁的裂縫分布大致相同。其次，與對比梁裂縫相比較，加固梁的主裂縫間距減小，主裂縫間出現細小裂縫，且裂縫根部均為樹根狀分布。最后，在荷載相同的情況下，加固梁裂縫寬度小于對比梁，裂縫發展更緩慢。

粘鋼加固試驗梁與粘碳纖維板加固試驗梁主裂縫間距約為10cm；高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁主裂縫間距約為5cm，主裂縫之間出現更多細小且密集的裂縫，可見不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固可以較好地限制裂縫的發展。

3 結語

（1）高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固、粘貼鋼板加固、粘貼碳纖維板加固對梁的抗彎承載力的提高有顯著作用。

（2）利用高強不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固較粘貼鋼板、粘貼碳纖維板加固，對梁的剛度提高作用明顯，對裂縫的產生和發展具有較好的約束作用，延遲了被加固梁裂縫的發展。