某灌漿料分層梁受力性能試驗研究

樂 毅，楊忠治，何 靜，張澤雨

（1.中國建筑科學研究院天津分院，天津 300380；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

灌漿料因其具備自流性高，早強、高強，微膨脹性等優勢被廣泛應用于高精度設備基礎二次灌漿、巖土工程錨桿錨固、混凝土結構植筋、梁柱加大截面、結構裂縫補強修補、快速硬化搶修工程等領域。混凝土結構增大截面加固法中，當采用灌漿料作為澆筑原材料時，規范［1］提出若其配置不當易導致新澆筑面層出現裂縫，應結合經驗合理配置；此外，因灌漿料具有早強特性，其澆筑不應間斷。

某在施加固工程，因改變使用功能增大樓面使用荷載，采用灌漿料增大梁高加固框架梁。因澆筑過程不連續導致灌漿料側面沿梁高出現明顯分層現象，分層后梁能否滿足正常使用功能，通過其外觀質量、構件實體強度檢測、靜載試驗及計算分析等研究對其進行驗證。

1 工程概況

該現澆混凝土框架結構，部分樓層使用功能由辦公變更為密集柜書庫，樓面活荷載由 2.5 kN/m2增至12 kN/m2，需要進行結構加固。加固改造工程設計中，框架梁采用灌漿料增大梁底截面加固，框架梁原混凝土抗壓強度等級 C50，截面尺寸由 350 mm×650 mm增大為 350 mm×950 mm，新增底部縱筋，加固斷面如圖 1 所示，板底增設工字鋼使樓板單向傳力，框架梁跨度 10.2 m，受荷范圍寬 8.4 m。因灌漿料材料配置不當且澆筑不連續，導致灌漿料側面沿梁高出現分層現象（見圖 2），梁底出現開裂現象，裂縫間距為 0.5～1.2 m。

圖1 加固斷面示意圖

圖2 新澆筑側面明顯分層

為了解增大截面梁能否滿足正常使用功能，受荷后分層結合面是否滑移失效，對建筑加固區域進行兩階段檢查驗證。第一階段是對加固后的框架梁進行外觀質量排查，分別挑選出外觀良好、外觀分層較明顯的梁各 4 根，取芯驗證內部質量及芯樣抗壓、劈裂抗拉強度；第二階段根據前期檢測結果，尋求合適方法估算靜載極限值，篩選出最不利的構件進行靜載試驗。

2 芯樣強度檢測結果

參照規范［2］等要求，對芯樣強度進行驗證，檢測結果如表 1 所示。由檢測結果可知，外觀分層明顯的構件，內部也存在明顯分層（見圖 3），外觀無明顯分層的構件，內部亦無明顯分層（見圖 4）；無分層與分層明顯的芯樣抗壓強度無明顯差異，抗壓強度均不低于 C60，符合設計要求；無分層與分層明顯的芯樣劈裂抗拉強度存在較大差異，參照 C60 等級混凝土軸心抗拉強度標準值應達 2.85 MPa［3］，所檢分層芯樣不滿足要求，無分層芯樣滿足要求。

表1 芯樣強度檢測結果

圖3 分層芯樣

圖4 無分層芯樣

3 靜載極限值估算

因分層芯樣劈裂抗拉強度不足，為確保靜載試驗結果有效，且現場安全可控，靜載試驗前應估算構件極限加載值的大小，作為試驗加載方案的控制指標。規范［4］提出，當檢驗構件承載力時，本案例試驗的最大加載極限值宜達 1.6×（1.2×3+1.4×12）-3=29.64 kN/m2，僅檢驗構件正常使用狀態的極限加載值應達 12 kN/m2。

按照混凝土與鋼筋之間變形協調共同發揮作用的原理，灌漿料需提供充分的粘結力，鋼筋受力如圖 5 及式（1）所示。

圖5 鋼筋粘結受力簡圖

式中：F為鋼筋拉力，N；σs為鋼筋受拉應力，MPa；As為鋼筋面積，mm2；d為鋼筋直徑，mm；l為提供剪切力的長度，mm；τu為鋼筋表面平均剪切應力，MPa。

框架梁增大截面部分底部主筋，若原始裂縫間距 0.5～1.2 m 不變，沒有新出現裂縫，在鋼筋達到設計強度值時，需灌漿料與鋼筋之間提供極限粘結應力τu應達到：τu=360×380/［3.14×22×（500～1 200）］=（1.65～3.98）MPa范圍。參考規范［4］第 13 節粘結強度試驗公式 13.0.4 與劈裂抗拉強度計算公式一致，工程上可近似認為，劈裂抗拉強度等同于灌漿料與鋼筋之間的粘結強度，因此灌漿料與鋼筋間實際粘結強度不足以使鋼筋發揮至屈服。假定鋼筋發揮至設計強度，灌漿料與鋼筋之間粘結強度需滿足 1.65 MPa，對應靜載面荷載極限值應達 1.6×（1.2×3+1.4×12）-3=29.64 kN/m2，而灌漿料與鋼筋之間粘結應力（劈裂抗拉強度）現假定僅能達到 0.8～0.9 MPa，對應靜載面荷載估計（29.64+3）÷［1.65÷（0.8～0.9）］-3=（12.8～14.8）kN/m2。

另通過薄弱面受力簡圖（見圖 6）關注薄弱面在受荷后是否會產生滑移，在現有裂縫間距下，假設鋼筋與灌漿料之間粘結充分，灌漿料外觀分層處宏觀上形成薄弱剪切面，假設鋼筋發揮至屈服一直未發生滑移，建立平衡方程式（2）。

圖6 薄弱面計算簡圖

式中：σs為鋼筋受拉應力，MPa；τ為薄弱面平均剪切應力，MPa；q為梁上線荷載，W為梁正截面抗彎模量，mm3；b為梁寬度，mm；l0為跨厚，取值為 10.2 m；s為裂縫之間間距，mm。

處于梁跨中裂縫之間需要薄弱面提供的層間剪切應力更大，估算薄弱面實際需要提供的抗剪切應力在 10-3MPa量級，參考論文［5］混凝土的抗剪強度約為抗壓強度的 0.095～0.121 倍范圍，劈裂抗拉強度小于抗剪強度，基本可判斷層間滑移現象不會率先發生。

綜上，在充分考慮構件破壞狀態的情況下，工程加載面荷載控制值預估取 15 kN/m2，稍大于正常使用狀態下檢驗值 12 kN/m2，作為工程現場加載極限控制值。

4 靜載試驗

4.1 試驗條件

根據設計要求，試驗選取劈裂抗拉強度較低、分層明顯的構件進行，結合場地試驗條件，選定 5# 梁、8# 梁。采用沙袋加載，擬最大加載值均為 15 kN/m2，試驗分 5 級加載和卸載，每級荷載加載值為最大加載值的 20 %，除最后一級加載和卸載持續時間為 1 h，其他等級加載和卸載后的持續時間為 30 min，加載過程中采用百分表對梁撓度進行測量，同時對裂縫開展情況進行觀察，加載前觀察梁裂縫狀態，標出原有裂縫位置，并選取代表性裂縫進行寬度測量。百分表布置如圖 7 所示，梁加載區域如圖 8 所示。

圖7 百分表測點布置簡圖

圖8 加載區域示意圖（陰影區域）

4.2 試驗結果

1）5# 梁試驗結果。

第一級加載至第五級加載完畢，5# 梁最大豎向變形值為 6.581 mm，卸載后殘余撓度約為最大撓度的 17 %，實測變形與荷載基本為線性關系，變形測量結果詳見表 2；第二級加載至第五級加載完畢后，梁四分之一跨至跨中位置出現新裂縫并伴隨著裂縫開展，裂縫間距為 130～310 mm，裂縫最大變化值為 0.22 mm，裂縫變化情況如表 3 所示。

表2 5# 梁百分表示值變化結果

表3 5# 梁底裂縫變化情況

2）8# 梁試驗結果。

第一級加載至第五級加載完畢，8# 梁最大豎向變形值為 6.502 mm，卸載后殘余撓度約為最大撓度的 13 %，實測變形與荷載基本為線性關系，變形測量結果詳見表 4；第二級加載至第五級加載完畢后，梁四分之一跨至跨中位置出現新裂縫并伴隨著裂縫開展，裂縫間距為 140～300 mm，裂縫最大變化值為 0.14 mm，裂縫變化情況如表 5 所示。

表4 8# 梁加載、卸載百分表示值變化結果

表5 8# 梁底裂縫變化情況

5 結論及建議

1）增大截面法采用灌漿料作為原材料時，應充分考慮材料早強特性，且應重點關注材料配置，避免新澆筑面層出現分層或裂縫。

2）對梁底采用增大截面法使用灌漿料出現分層現象時，取芯進行劈裂抗拉強度檢測方法能評估灌漿料的抗拉強度大小，工程上可近似認為相當于灌漿料與鋼筋之間粘結強度。

3）對梁底采用增大截面法使用灌漿料出現分層現象時，提出一種適合項目自身的安全可實施靜載極限預估值的判斷方法。

4）在靜載預估值作用下，所測框架梁構件撓度未超過規范L0/250 的要求，實測加載變形情況與荷載基本為線性關系，卸載后殘余撓度小于最大撓度 20 %［6］。Q