TRC加固水工偏心受壓結構的抗裂性能研究

黃錦清

(廣東中恒安檢測評價有限公司，廣東 惠州 516003)

0 前 言

裂縫是水利工程中極為常見的問題，因此結構的防裂是極為重要的工作，根據實際案例及資料顯示，水利工程中發生裂縫不僅會影響水利工程的使用壽命，甚至會引起水質的交叉污染[1]。常規修補縫隙主要采用結構加固的方式，如碳纖維加固法等，但這種修補方式在耐火、耐高溫方面較差，且加固材料與基底協調性差，無法較好的使用在較為潮濕的區域[2]。根據研究發現TRC(纖維編織網增強混凝土)在加固方面卻有著極好的效果,TRC是以纖維編織網為加筋材料結合精細混凝土為粘合劑的一種加固方式，同碳纖維加固方式相比，TRC加固在材料具有耐火、耐高溫等特性，并且即使在潮濕的工作區域中也能夠與基底具有較好的協調性[3]。由于TRC將纖維編織網作為加筋材料，因此具有較好的抗滲性、抗碳化性、抗低溫收縮以及耐腐蝕性等特性，在修補結構的同時可以更好的增強結構的耐久性，進行加固作業時無需額外使用防腐蝕涂層，可以更好的維持結構的限界、延長結構的使用壽命。此外，由于使用精細混凝土作為粘合劑，TRC還具有良好的流動性、自密實性以及抗離析性等特性，能夠應用于水利工程中結構缺損、縫隙等問題的修補[4]。

根據目前的文獻研究顯示，有關TRC方面的研究主要集中于鋼筋混凝土梁受彎與受剪的承載能力方面，缺乏TRC加固工程結構方面的相關研究[5-6]。值得注意的是，目前關于TRC加固偏心受壓結構抗裂方面的研究幾乎屬于空白[7]。因此，本研究將結合偏心受壓構件，分析纖維編織網在配網率及前期受力等方面在TRC加固偏心受壓結構抗裂中的擴展規律。

1 短柱試驗

1.1 試驗試件準備

本次試驗試件尺寸為120 mm(b)×150 mm(h)，試件長細比值為4，試件頂部設置為牛腿狀，整體為大偏心受壓結構，偏心的尺寸設置為100mm。試件詳細參數如表1所示；試件結構圖如圖1所示。

表1 試件參數

1.2 試驗材料

試驗中試驗試件為對稱配筋，縱筋采用4*Φ10(HRB335)鋼筋，箍筋采用Φ6(HPB235)鋼筋；混凝土型號為C30；纖維編織網相互間隔為10mmx10 mm，單根碳纖維面積為0.45 mm。碳玻混編纖維網編制形式如圖2所示。

1.3 加固層鋪設

將纖維編織網上、下的保護層的厚度設置為5mm，相鄰間的間距為3mm；將纖維編織網放于加固層之內。施工流程圖如圖3所示。

1.4 試驗監測布置與測試

在試件的兩側分別設置滾動支座以便于其能夠自由移動。在試件的偏壓柱側面的頂端、柱體1/2處以及1/4處設置電子千分表，用于收集偏壓柱側面的撓度變形；在試件柱中截面沿其高度的方向設置五塊混凝土應變片，測量試件柱中的截面應變規律以及裂縫的擴展情況；在試件中間部分的鋼筋表面設置兩塊鋼筋應變片，測量試件鋼筋應變的變化程度。監測布置意見圖如圖4所示。

圖1 試件結構圖(mm)

圖2 碳玻混編纖維網編制形式

圖3 加固層的施工流程

圖4 監測布置意見圖

2 結果分析

2.1 TRC控制偏心受壓結構裂縫作用機理

在試驗的過程中試件Ⅰ的受拉鋼筋應變發生損壞，未獲取應變的發展經過。試件Ⅱ在加載的后期其鋼筋應變驟降，不過整個試驗中受拉鋼筋未發生斷裂，分析其原因可能是由于鋼筋應變片未得到有效的固定，試驗中應變片發生松動所致。試件偏壓荷載及受拉鋼筋應變關系曲線如圖5所示。

圖5 試件偏壓荷載及受拉鋼筋應變關系曲線

根據圖5數據顯示，相同偏壓狀態下，受拉區域的鋼筋應變數值的大小與使用的纖維編織網層數呈反比關系，因此，可以斷定纖維編織網能夠分散受拉區域中的應力，具有加固效果。而在低偏壓荷載狀態下，受拉區域中發的受拉程度將始終處于較小的狀態，此時構件中的纖維編織網的抗拉特性將無法得到發揮，因此各個試件受拉鋼筋的應變情況均差別不大。當偏壓荷載不斷地增加后，構件中纖維編織網的特性才能不斷的發揮出來，因此，各個試件受拉鋼筋的應變情況將會不斷發生改變。

2.2 裂縫間距

根據各試件裂縫分布情況(如圖6所示)可以發現，試件Ⅰ出現了5條裂縫，其間距為10.5cm，試件Ⅱ出現了6條裂縫，其間距為6.5cm，試件Ⅲ出現了八條裂縫，其間距為4.9cm。而具有受壓歷史情況的試件Ⅳ、試件Ⅴ、試件Ⅵ分別出現五條、六條、八條裂縫，裂縫的間距分別為8.2cm、7.9cm、6.5cm。根據以上試驗的結果可以斷定，試件受到破壞時，在TRC加固作用下其受拉側裂縫增加，裂縫間距顯著縮短，即纖維編織網鋪設的層數越多，試件產生的裂縫就越多，其間距距離就越小。

試件Ⅰ 試件Ⅱ 試件Ⅲ 試件Ⅳ 試件Ⅴ 試件Ⅵ

2.3 裂縫深度擴展性態

根據不同荷載作用下試件截面裂縫擴展深度情況(如表4所示)可以發現，在TRC加固作用下裂縫的起裂荷載將會提升，而裂縫的擴展速率將會顯著降低，而這一規律與試件鋪設纖維編織網的層數具有直接的聯系。

3 本次研究理論分析

3.1 理論假定

構件的為平截面受力；構件的側面變形情況滿足正弦半波函數規律；構件內部結構結合情況完好，且應力變化連續[8]。

表4 不同荷載作用下試件截面裂縫擴展深度情況 cm

3.2 構件主裂縫擴展分析

依據構件主裂縫截面應力變化關系(如圖7所示)以及理論假定，可得到不同組成部分的應力變化關系：

圖7 主裂縫截面應力應變關系

(1)

如圖7所示，主裂縫截面的張拉區域分為T-E區(張拉彈性區域)及T-S區(張拉軟性區域)。由于張拉軟性區域的數值相較張拉彈性區域相對較小，因此本研究中將不再將其作為參考。

根據理論假定，裂縫擴展深度可以表示為：

(2)

式中：Cd為表示裂縫深度；TE為表示混凝土張拉彈性區域的高度；φ為表示黎曼曲率值；ft為表示混凝土彈性模量。

結合構件中纖維編織網對裂縫產生的抑制反應，主裂縫的最大裂縫寬度為：

(3)

式中：αcr為表示受力特征系數(本次研究中取值為2.1)；σs為表示作用于裂縫截面中的鋼筋應力；ES為表示鋼筋發生的彈性模量；lm為表示裂縫之間距離的均值；β為表示裂縫的最大寬度計算系數；c為表示構件鋼筋的外側縱向受拉區域與受拉區底部邊緣的距離；deq為表示構件鋼筋縱向受拉區域與鋼筋的等效直徑距離；Afτ為表示構件中使用的纖維編織網總面積；As為表示所使用的鋼筋截面面積；Atc為表示受拉混凝土的截面面積；τs、τf為表示構件材料的黏合應力均值；ds、df為表示鋼筋、纖維束的直徑；ɑ為表示鋼筋縱向受拉重心與TRC的中心間距。ft為表示混凝土的抗拉強度；η為表示鋼筋中心到受壓區中心的距離系數(本研究中取值0.8712)；

試件的側面變形程度契合正弦半波曲線的變化數值，因此截面曲率公式為：

(4)

式中：um為表示試件截面的最大擾度；L為表示試件的高度；z為表示試件距中間截面的距離；

將試件產生的主裂縫截面分為n條，依據理論假定將得到其中心應變值：

εi=ε0+φzi

(5)

式中：ε0為表示主裂縫截面形心處的應變；εi為表示主裂縫截面中第i條形心處的應變；zi為表示主第i條裂縫截面距主裂縫截面形心間隔。

截面合力及形心的彎矩的求解公式可以表述為：

(6)

將公式(1)至(6)相關聯，并不斷增加截面的最大擾度便可獲得TRC加固固水工偏心受壓結構的主裂縫深度與寬度的全過程曲線。

3.3 理論驗證

使用文章中所述主裂縫擴展理論，比對試件20kN、40kN、60kN、80kN以及100kN的狀態下其主裂縫擴展深度與試驗中的數值[9]。根據對比發現，兩項數值相符，由此可以推斷，偏心受壓主裂縫擴展分析理論具有合理性[10]。公式(3)關于裂縫間距均值也與β具有一定的關系，而β參數值的確定需要通過許多的試驗進行計算獲得。由于本研究的試驗具有一定的限制，因而將無受力歷史試件的β設定為0.66，而對于有受力歷史試件的β設定為0.8。主裂縫擴展深度理論數值及試驗數值對比圖如圖8所示。

3.4 主裂縫擴展經過規律分析

3.4.1 裂縫深度擴展的規律

通過試驗可以發現，試件在無加固的情況下所產生裂縫，其擴展的速率將較為迅速，而TRC試件產生裂縫后其擴展速度顯著低于前者。試驗中裂縫的起裂荷載是與配網率正比，并且在同等荷載情況下，裂縫深度的擴展情況將于配網率形成反比，特別是裂縫產生擴展的初期，試件前期的受力歷史將會較大的影響到TRC控制裂縫深度擴展[11]。

圖8 主裂縫擴展深度理論數值及試驗數值對比圖

3.4.2 裂縫寬度擴展規律

一次受力中的表現是以基體發生裂縫及受力鋼筋發生屈服為發展起始的三種擴展階段，并且與深度擴展相同[12]。可見，通過增加纖維編織網的層能夠有效的抑制裂縫寬度的擴展，特別是寬度擴展的后期階段中，表現最為明顯，且使用TRC在抑制裂縫深度擴展的表現中效果最好。

二次受力中，使用TRC加固的試件裂縫寬度及深度的擴展過程均較為相似[13]。試件前期受力歷史會對TRC抑制裂縫寬度擴展產生影響，即試件前期受力歷史越大，其裂縫寬度擴展的表現就越弱，不過次影響表現將會伴隨受力歷史的增加而降低。另外，裂縫寬度的擴展變化主要是發生在受力后期，因而前期受力對于抑制裂縫寬度的影響較小。

4 結 論

本研究通過試驗分析TRC加固水工偏心受壓結構的抗裂性能表現，并對裂縫擴展全過程理論進行解析，結果顯示：應用TRC可對偏心受壓結構發生裂縫的深度、寬度擴展情況起到較好的抑制作用，通過本次研究希望能偶為今后相關工程裂縫的控制提供一定的參考。