PVA-ECC加固RC足尺梁二次受力试验研究*

卜良桃,陈 军,鲁 晨

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

PVA-ECC加固RC足尺梁二次受力试验研究*

卜良桃†,陈 军,鲁 晨

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

对7根足尺聚乙烯醇纤维水泥(PVA-ECC)加固的钢筋混凝土梁进行了正截面抗弯二次受力的试验研究,通过与另1根同配置未加固钢筋混凝土梁的试验结果的对比,研究了加固梁一次受力幅度及梁侧面纵筋加固高度对抗弯承载力和变形能力的影响.试验采用三面U型加固形式,量测试验梁裂缝分布形态、荷载-挠度曲线、钢筋和混凝土应变发展规律.试验结果表明:PVA-ECC钢筋网薄层加固是一种有效的加固方法,能够显著地提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力、截面刚度以及抗裂性能;当梁侧纵筋加固高度为原梁高一半时,其受力性能与沿原梁全截面高加固时的受力性能相近,故大大节省了钢材的消耗.

加固;聚乙烯醇纤维水泥;钢筋混凝土梁;二次受力;加固高度

近年来,复合砂浆钢筋网加固混凝土构件的技术在国内外有了较大的发展,但对同样具有较好的物理力学性能而且价格较低的聚乙烯醇纤维水泥(PVA-ECC)在加固混凝土构件上的应用在国内外还缺乏系统的试验研究.聚乙烯醇纤维水泥是一种理想的无机复合加固材料,秉承了其他众多加固方法的优点,同时又发挥了其优良的材料特性,具有其他加固方法所不具有的很多优势[1].本文对7根足尺PVA-ECC钢筋网加固的钢筋混凝土梁进行了正截面抗弯二次受力的试验研究,分析了不同一次受力幅度(即一次受力荷载与对比梁屈服荷载之比)、不同梁侧面纵筋加固高度对二次受力试验梁承载力的影响,推导出了其极限抗弯承载力的计算公式.根据试验结果找出了一个较为经济合理的梁侧面纵筋加固高度.作为纤维水泥钢筋网加固钢筋混凝土梁系列研究的一部分,本文很好地提供了PVA-ECC钢筋网加固钢筋混凝土梁的试验依据.

1 PVA-ECC配合比试验及结果

1.1原材料选择

①水泥:选用湖南韶峰水泥集团有限公司生产的“韶峰牌”强度等级为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥;②砂:采用中砂,细度模数为2.3～2.6;③水:自来水;④聚乙烯醇纤维:在本次配合比试验中,所采用的聚乙烯醇纤维规格为φ0.02mm×8mm,抗拉强度为1 400 MPa;⑤外加剂ZM:自流密实、无收缩混凝土外加剂,由湖南固力工程新材料公司提供.

1.2 试验过程及结果

基体水泥砂浆的配合比是影响聚乙烯醇纤维水泥强度的主要因素.因此,在本次配合比试验中,聚乙烯醇纤维掺量不变,为试件体积的2%,以聚乙烯醇纤维水泥砂浆的抗压强度作为主要研究指标,考察的主要因素有:①砂灰比;②水灰比.选用不同组合配合比的聚乙烯醇纤维水泥砂浆进行抗压强度试验,具体配合比参数及14 d抗压强度试验结果见表1.

2 试验方案

2.1 试验梁设计

本次试验共3组8根足尺试验梁,A组为不加固的试验对比梁1根,梁编号为A;B组为改变一次受力幅度的二次受力加固梁,编号为BV 1,BV 2, BV 3及BV 4;C组为改变梁侧面纵筋加固高度的二次受力加固梁,编号为BV 5,BV 6及BV 7,同时B组梁BV 3参与数据对比;所有梁均依据混凝土结构设计规范要求设计,试验梁的截面设计尺寸如图1所示,基本参数见表2.试验梁混凝土强度为C25,纵向加固钢筋均为热轧钢筋HRB400.加固梁采用三面U型加固形式,新老界面采取涂抹界面黏结剂和植剪切销钉等措施,具体施工工艺可以参阅其他相关文献[2].钢筋网为一层,网格纵横间距在梁底和梁两侧中轴以下为6@50×50,梁侧中轴以上为6@ 100×100,钢筋网为绑扎及点焊.原混凝土构件保护层厚度 25 mm,加固梁加固层厚度 25 mm;PVAECC配比采用配合比试验中第2组的配合比,即水泥∶水∶砂∶外加剂(质量比)为1∶0.4∶0.7∶0.18,纤维体积分数为2%.

表1 聚乙烯醇纤维水泥砂浆的抗压强度试验结果Tab.1 Compressive strength test resu lts of PVA-ECC

2.2 加载方案与测试内容

试验采用重物吊篮分级加载,加载装置为杠杆,杠杆放大系数为5.2倍,试验装置见图2.试验时,在吊篮中放入加载重物,通过分配梁将荷载分配给试验梁,试验梁实际承受荷载包括分配梁、杠杆和吊篮装置的自重.试验分级加载,对比梁分级加载到梁屈服(纵筋屈服)直至破坏;对于二次受力的加固梁,先将原梁按表2的要求加载到对比梁钢筋屈服荷载的一定比例后,在不卸载的情况下进行加固处理,养护后再进行二次加载到梁屈服直至破坏.

试验量测每级加载时的梁跨中最大挠度和集中力作用点处的挠度;量测不同部位纵筋、混凝土和部分钢筋网钢筋的应变值;使用裂缝刻度放大镜观测梁裂缝出现部位、发展过程、最终分布情况,并记录裂缝发展过程中关键部位(跨中、支座、受力点)的最大裂缝宽度和对应的加载荷载.B组试验梁侧面加固纵筋应变片布置见图3.

图1 试验梁详图Fig.1 Details of test-beams

表2 试验梁参数Tab.2 Parameters of test-beams

图2 试验装置图Fig.2 Test device

图3 B组试验梁侧面加固纵筋应变片编号图Fig.3 The number of strain-sheet at the side of RC beam

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

所有试验梁均加载到破坏极限状态,屈服荷载和极限荷载比较见表3.由表3可知,加固梁的钢筋屈服荷载和极限荷载均有不同程度的提高:B组试验梁屈服荷载提高幅度最大为87%,最小为48%;极限荷载提高幅度最大为94%,最小为87%.C组试验梁屈服荷载提高幅度最大为57%,最小为39%;极限荷载提高幅度最大为89%,最小为64%.

3.2 试验现象

对比梁的破坏形态为典型的适筋梁破坏形态.第一条裂缝出现在跨中附近,裂缝宽度很小.随着荷载的增大,裂缝逐渐增多,跨中纵向钢筋屈服前,裂缝的最大宽度小于0.1mm,荷载-挠度曲线近似一段直线.纵向钢筋屈服后,裂缝的长度和宽度变化明显,同时挠度的增量也有突变,在裂缝宽度达到1.5mm时,跨中挠度大于17mm,最后构件因受压区混凝土压碎而破坏.

表3 试验结果的比较Tab.3 Comparison of test resu lts

对于二次受力试验梁,原梁经一次受力加载后,原混凝土表面的最大裂缝宽度一般小于0.15 mm,跨中挠度小于10 mm.加固养护后继续加载,在纵向钢筋屈服前,相同荷载增量条件下挠度增加的幅度要较对比梁的小;聚乙烯醇纤维砂浆出现少量新裂缝,最大裂缝宽度一般小于0.1 mm.原纵向钢筋较钢筋网先达到屈服,原钢筋屈服后,加固梁的荷载-挠度曲线的斜率仍然较大,说明加固梁仍处于稳定阶段,可以继续承受荷载.在荷载的继续作用下,梁底加固纵筋接着发生屈服,随后梁侧部分加固纵筋由梁底向上依次屈服,此时跨中挠度均超过15 mm,聚乙烯醇纤维砂浆表面出现大量新裂缝,且原有裂缝明显向上延伸,大约延伸至3/4梁高的位置.当加载至加固梁破坏时,受压区的水平裂缝快速增多,竖向裂缝快速向上伸展,两者交汇后在跨中受压区形成一个三角形的破坏区,受压区混凝土和复合砂浆被压碎,其破坏形态近似于普通钢筋混凝土适筋梁,如图4所示.在加固过程中,采用了涂抹界面剂和植剪切销钉等措施,所有加固梁从加载开始到破坏,纤维水泥和原混凝土界面处未出现裂缝,梁未出现剥离破坏[3],说明纤维水泥与原构件的黏结性能以及销钉的锚固性能良好,上述措施可以有效地避免RC加固梁发生界面黏结破坏和剪切破坏.

图4 试件破坏形态Fig.4 Failuremodes of beam

3.3 挠度分析

对比梁在试验加载过程中出现较明显的3个阶段:从加载开始到出现裂缝、从开裂到钢筋屈服、从钢筋屈服到破坏.这3个阶段的荷载-挠度曲线呈现不同的斜率,开裂前梁的刚度最大,斜率最大;开裂后梁的受压截面变小,刚度下降,反映在荷载-挠度曲线上的就是斜率减小;钢筋屈服后的荷载-挠度曲线的斜率很小,且近似一条直线延伸直至梁破坏.

二次受力试验梁的一次加载阶段挠度-荷载曲线与对比梁相似,加固后二次受力的挠度发展与对比梁不同.荷载-跨中挠度曲线见图5,由图5可知,在加固点处,梁荷载-挠度曲线斜率明显增大,即加固措施能有效提高梁的截面刚度.在荷载继续增加的过程中,梁的挠度缓慢增加,曲线发展到最后阶段没有明显的突变.表现为原梁底纵向钢筋先屈服,然后梁底加固钢筋达到屈服,最后梁侧部分纵向加固钢筋依次屈服.这是因为受力钢筋分阶段屈服,使得加固梁屈服阶段不明显,从而表现出良好的延性.本次试验中由于有侧面钢筋的影响,构件的挠度随荷载的增大速度比对比梁的慢,在梁底钢筋屈服后,加固梁仍将处于稳定状态,可以继续承受荷载作用.纵向加固钢筋一步步达到屈服状态,试验梁的荷载-挠度曲线的斜率慢慢趋向于零,说明加固后梁的延性有明显提高.由图5(a)可知,在荷载相同的情况下, BV 4挠度最大,BV 1挠度最小,即加固后梁表现出的截面刚度为BV 1＞BV 2＞BV 3＞BV 4,试验表明,一次受力不同幅度对加固梁二次受力刚度有一定影响,随着一次受力程度的提高,加固梁的截面刚度逐渐减小,但减小幅度不大.由图5(b)可知,在荷载相同的情况下,BV 3,BV 5的挠度相差非常小,而BV 7挠度明显较大,说明BV 3,BV 5的梁截面刚度大小相近且明显大于BV 7的梁截面刚度.

图5 荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load-deflection curve

3.4 钢筋应变分析

试验梁原梁纵筋荷载-应变曲线如图6(a)及图6(b)所示,在屈服以前原梁纵筋荷载-应变大致成线性关系.二次受力试验梁加固前一次受力纵筋应变与对比梁A纵筋应变一致,加固后二次受力时,原梁纵筋在加固砂浆开裂后才发挥作用,梁底加固纵筋应变也有增加,所以二次受力阶段原梁纵筋荷载-应变曲线的斜率较对比梁A有增大的趋势.由图6 (a)可知,加固梁的屈服荷载随着一次受力幅度的不同而不同,一次受力幅度越高,屈服荷载的提高幅度就越低,所以BV 1屈服荷载相对较高,BV 4屈服荷载相对较低;由图6(b)可知,梁侧面纵向钢筋的加固高度对试验梁的屈服荷载有一定影响,随着梁侧面纵向钢筋加固高度的降低,屈服荷载有下降的趋势,但当梁侧纵向钢筋加固高度为0.5h(h为原梁高)时,屈服荷载与沿全截面高度加固时比较相近;当梁侧纵向钢筋加固高度为0.25h(h为原梁高)及以下时,屈服荷载比沿全截面高度加固时下降明显,所以BV 3屈服荷载相对较高,BV 7屈服荷载相对较低.

B组试验梁梁底加固纵筋荷载-应变曲线见图6 (c),由于应力滞后,当梁底加固纵筋应变为0时,荷载已经达到了一定的数值.但是,达到屈服阶段以后,BV 1、BV 2、BV 3、BV 4 的梁底加固纵筋荷载-应变曲线在一个比较接近的荷载值作用下趋于平缓,即该组二次受力试验梁的极限承载力相差不大.因此,一次受力幅度的不同对加固梁极限承载力影响不十分明显.C组试验梁梁底加固纵筋荷载-应变曲线如图6(d),由于不同高度的梁侧加固纵筋对试验梁的屈服荷载及极限荷载有不同程度的影响,该组试验梁中BV 3与 BV 7的差异非常明显,BV 7与BV 3相比,屈服荷载及极限荷载均下降很明显.由表3知,在梁侧面纵筋加固高度在0.5h以上时,梁侧加固纵筋对试验梁受力性能影响不大;在0.5h以下时,对试验梁受力性能影响较大,且高度越小,影响越大.

二次受力时,梁底加固纵筋应变刚开始滞后于原梁纵筋应变,并保持滞后状态直到原梁纵筋屈服.原梁纵筋屈服后,荷载-应变曲线斜率减小明显,每增加一级荷载后应变增加较大.但是加固梁并没有很快失去承载力,因为梁底及部分梁侧加固纵筋正在发挥作用,加固梁承载力仍有一定的增长空间.

B组试验梁梁侧加固纵筋荷载-应变曲线分别见图7.加固梁侧面钢筋应变片布置见图3.试验测得不同位置钢筋的应变值相差悬殊,靠近梁底面的钢筋受拉应力作用,靠近梁顶面的受压应力作用. 0.5h高处的梁侧面加固纵筋应变较小,说明在此高度的梁侧加固纵筋未完全发挥材料的性能,对试验梁的受力性能影响较小.

结合图5,图6和图7曲线的特点可以看出:对于二次受力构件,当原纵向钢筋处于弹性阶段时,加固的效果主要体现在提高截面刚度上;在纵向钢筋进入塑性阶段后,钢筋网开始充分发挥作用,截面抗弯承载力可以得到大幅度提高.

3.5 混凝土应变分析

荷载-跨中混凝土压应变曲线见图8.在试验过程中,对比梁的跨中梁顶部混凝土压应变数值在纵向钢筋屈服后快速增大,即截面的中和轴上升很快,当混凝土压应变超过1 000时,应变快速超过2 200.在原钢筋屈服后,虽然在相同加载幅度下混凝土压应变值较钢筋屈服前增加的幅度大,但大部分加固梁混凝土压应变仍大于2 000,这说明当钢筋屈服后,由于加固钢筋网的作用使得加固梁的中和轴上升较慢,从而使加固后截面的延性提高.

对比梁A的曲线在梁底纵筋屈服后发生突变,曲线斜率很小,不适合继续承受荷载.二次受力试验梁的荷载-压应变曲线的斜率明显大于对比梁荷载-压应变曲线的斜率,即加固后,梁的受压区承载力明显提高.当构件一次受力时,跨中梁顶混凝土处于沿梁纵向的弯曲受压状态,加固后进行二次受力,聚乙烯醇纤维水泥砂浆及横向钢筋网的约束作用使得压区混凝土的受力状态近似于双向受压,在一定程度上提高了混凝土抗压强度,从而提高了截面极限抗弯承载力.

图6 荷载-跨中底部纵筋拉应变曲线Fig.6 Load-strain of reinforcement curve at the bottom of beam

图7 荷载-跨中侧向纵筋拉应变曲线Fig.7 Load-strain of reinforcement curve at the side of beam

4 承载力计算

加固梁受弯承载力按极限状态计算,基本假定和普通钢筋混凝土梁正截面承载力计算[4]的基本假定相同.

图8 荷载-跨中混凝土压应变曲线Fig.8 Load-strain of concrete curve

文献[2,5]基于复合砂浆钢筋网加固受弯足尺RC梁的二次受力试验结果推导了简单实用的承载力计算公式,如式(1)和式(2)所示:

式中:b为原梁截面宽度;t为梁侧复合砂浆层厚度; h为原梁截面高度;h0为截面有效高度;x为截面受压区高度;d为梁底加固纵筋的直径;f c为混凝土轴心抗压强度;f s为纤维砂浆轴心抗压强度;f sm为梁底加固纵筋屈服强度;f y为原梁受拉区纵向钢筋屈服强度;f′sm为梁侧加固纵筋的屈服强度;A s为原梁受拉区纵向钢筋的截面面积;Asm为梁底加固纵筋的面积;A′sm为梁侧加固纵筋的面积;β为侧向钢筋作用综合影响系数,根据试验结果取0.8;hsm为梁侧加固纵筋合力作用点对受压区混凝土合力作用点的力臂高度,根据本次试验总结,可用公式h sm =h-0.5 x-h′/4计算,h′为梁侧面纵筋加固高度,且当h sm ＜h/2时,按h sm=h/2计算.

根据式(1)和式(2)计算的承载力与本次试验的承载力实测值进行了比较,比较结果见表3,由表3可知,计算值和试验值吻合较好.

5 结 论

通过聚乙烯醇纤维水泥钢筋网加固足尺RC梁抗弯性能的试验研究,可以得到以下结论:

1)利用聚乙烯醇纤维砂浆钢筋网加固RC梁,可以较大幅度地提高RC梁正截面承载能力和截面抗弯刚度.

2)利用聚乙烯醇纤维砂浆钢筋网加固RC梁时,一次受力幅度对加固梁的极限承载力影响不明显.

3)一次受力幅度的不同对加固梁的截面刚度影响显著,一次受力原梁底筋达到的应力水平越高,加固梁截面抗弯刚度提高幅度就越低.

4)当梁侧面纵筋加固高度≥h/2时(h为原梁高),梁侧纵筋加固高度对加固梁受力性能的影响较小;当梁侧面纵筋加固高度＜h/2时,梁侧纵筋加固高度对加固梁受力性能的影响较大,加固梁的正截面承载力及截面抗弯刚度随着加固高度的降低而减小.

5)目前普遍采用的梁侧沿全截面高度布置加固纵筋的方法,并不能完全发挥梁侧所有加固纵筋的性能,当梁侧纵筋加固高度为h/2时,加固梁的各项受力性能与沿全截面高度加固时的受力性能相比,未有明显变化,加固效果良好,且大大节省了钢材的消耗,有较好的社会经济效益.

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Experiment on Fu ll-scale RC Beam Reinforced by Polyvinyl A lcohol-engineered Cementitious Composite M ortar in Flexure Subjected to Secondary Load

BU Liang-tao†,CHEN Jun,LU Chen
(Co llege of Civil Engineering,H unan Univ,Changsha,Hunan 410082,China)

A n experiment study was conducted on the flexural behavior of reinforced concrete beam strengthened by Polyvinyl A lcohol-Engineered Cementitious Composite(PVA-ECC)mortar subjected to secondary load.Based on the comparison between test resu lts of seven beam s reinforced by PVA-ECC steel mesh and one generalbeam,the effect of once-loading extentand heightof reinforcementat the side of RC beam on the flexural strength and deflections capacity was investigated.Beam s were reinforced w ith U-shape,and the crack distribution,load-m ax deflection,strain development of concrete and steel,etc.were measured.Test results have indicated that PVA-ECC steelmesh technology is an efficientmethod to reinforce RC beam,which canm arkedly increase the load-bearing capacity,section stiffness and crack-resisting behavior.In addition,w hen the height of reinforcement at the side of RC beam ishalf of the beam＇sheight, the load-capability of reinforced RC beam changes slightly com pared with the full height of reinforcement RC beam.A lso,this technique can bring about considerab le econom ic benefit.

strengthening;polyviny lalcohol-engineered cementitious composite;RC beam;secondary load;height of rein forcement

TU 317.1

A

1674-2974(2011)01-0001-07 *

2010-02-03

湖南省科技厅科研项目(2007CK 3066)

卜良桃(1963-),男,湖南南县人,湖南大学教授,博士

†通讯联系人,E-mail:plt63@126.com