RC伸臂梁采用PVA-ECC加固抗剪试验研究*

卜良桃，汪文渊，何放龙

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

由于地震、洪水等自然灾害或建筑结构的使用功能改变及房屋老化等种种原因，建筑结构加固的普遍性及重要性日益凸显[1]，因而建筑结构加固施工方法及施工工艺的研究也不断深化.

聚乙烯醇纤维水泥砂浆(PVA-ECC)钢筋网加固是一种以PVA-ECC作为基材，辅以钢筋网作为增强材料，使其与被加固构件形成整体并共同承担荷载作用的加固方法.其施工顺序为：首先在被加固构件表面绑扎钢筋，然后抹涂一层PVA-ECC并养护.施工中采用在被加固构件表面植入剪切销钉及抹刷界面剂的双重措施，来保证加固层与被加固构件能够共同工作.由于PVA-ECC具有较好的物理性能且价格低廉，相对于传统加固方法，PVA-ECC钢筋网加固方法具有抗裂性好、施工简单、耐高温及经济性好等优点[2-4].现阶段已对聚乙烯醇纤维砂浆钢筋网加固RC柱受压及加固RC梁受弯作了相应的研究[5-6]，本文在国内外学者研究的基础上，进一步对PVA-ECC钢筋网加固混凝土伸臂梁进行抗剪性能的试验研究，并依据桁架-拱模型原理，推导了PVA-ECC钢筋网加固梁的抗剪承载力公式，为该加固方法的推广，提供具有实际意义的成果.

1 试验方案

1.1 试验梁设计

本次试验共制作了4根试件，包含2根不加固的对比梁和2根采用PVA-ECC钢筋网加固的一次受力梁.以剪跨比作为变量，将试件梁分成两组，每组由1根对比梁和1根加固梁构成.第一组梁编号为B1和B2，剪跨比为1.6，第二组梁编号为B3和B4，剪跨比为2.0，其中B1和B3为对比梁，B2和B4为加固梁.对比梁截面尺寸为150 mm×300 mm，梁长度为3 000 mm，梁端外伸100 mm，混凝土强度设计等级为C30，梁底纵向钢筋为4ф22(两排对称布置)，梁顶纵向钢筋为2ф20，箍筋为ф6@150.加固梁采用三面U形加固，其试验梁模板配筋图及加固方式如图1所示.

试验中的PVA-ECC的配合比为：水泥∶水∶砂∶外加剂=1.00∶0.4∶0.7∶0.18，纤维掺量体积分数为2%，其中水泥采用强度等级为Po.42.5的普通硅酸盐水泥，砂为0.25 mm筛孔过筛的中砂，水为自来水，聚乙烯醇纤维规格为φ0.02 mm×6 mm，抗拉强度为1 400 MPa，试验梁材料的基本参数见表1.

表1 试验梁材料参数

图1 试验梁模板、配筋图及加固示意图(mm)

1.2 加载方案与测试内容

本次试验采用重物吊篮加载法，通过杠杆放大系数为5.2倍的杠杆加载装置进行加载，试验以标定重量的混凝土试块作为加载砝码，并通过分配钢梁传递给试件.本次试验采用分级加载方式，直至试验梁破坏.

试验中，通过在支座处及集中荷载作用处设立挠度测点，量测其挠度，每级加载完成后，待机械百分表稳定后再读数.使用裂缝刻度放大镜观察并描绘裂缝的出现和发展情况；运用静态电阻应变仪对原梁中钢筋、原梁箍筋、加固钢筋网、原混凝土和加固层砂浆的应变值进行测量.

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

本次试验结果如表2所示，由表可知，相对于对比梁，加固梁的屈服荷载和抗剪承载力均有不同程度的提高，且抗剪承载力的提高幅度和剪跨比有关，剪跨比越大的构件抗剪承载力提高幅度越大.

表2 试验结果

2.2 典型破坏形态

各组试件破坏时，均呈现出典型的钢筋混凝土梁剪压破坏形态，如图2所示.裂缝最初出现在支座负弯矩区域内，表现为竖向受拉裂缝，随着荷载的继续增大，试验梁腹部出现斜裂缝，向支座处和跨中集中力作用点延伸发展，竖向受拉裂缝与试验梁腹部裂缝斜交，形成弯剪裂缝，当荷载接近破坏荷载时出现一条宽度较大的临界斜裂缝，与临界斜裂缝相交的箍筋首先屈服，最后直到斜裂缝端部混凝土在截面压应力和剪应力双重作用下压酥破坏.

图2 试件破坏形态

2.3 斜裂缝分析

通过记录对比梁和加固试验梁的裂缝开展情况 可发现，加固试验梁的开裂荷载较对比梁也有所提高，表明聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网能很好地抑制裂缝产生.加固后的试验梁的裂缝分布情况，相对于对比梁出现了宽且稀疏的裂缝,具有细而密的特征,说明聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网有效阻止了斜裂缝聚集扩展成较宽的裂缝,限制了斜裂缝的进一步发展,从而表现为裂缝间距与宽度均较小的裂缝形态.

2.4 挠度分析

试验中记录了各试件的荷载-挠度变化关系曲线.第一组试验梁的荷载-挠度曲线如图3(a)所示，第二组试验梁的荷载-挠度曲线如图3(b)所示.对比两组曲线图，可以得出：加固梁的截面刚度有一定的提高，加固层在不同的阶段，对刚度的贡献作用机理也不同，并且加固梁的延性得以改善.

开裂荷载作为曲线的拐点，将曲线划分成2个阶段.第Ⅰ阶段即开裂荷载之前，聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网加固层的作用主要表现为尺寸叠加效应，即通过加固层增大了试验梁的截面尺寸，直接提高了试验梁的刚度，在图中曲线表现为在同一荷载下，加固梁较对比梁的挠度小.第Ⅱ阶段即开裂荷载之后，聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网加固层主要是通过限制构件裂缝的继续发展，约束加固梁截面刚度的弱化，从而使加固梁的刚度弱化幅度小于对比梁，间接地提高了加固梁的刚度，在图中曲线表现为开裂荷载之后的曲线曲率变化较对比梁小.

挠度/mm

挠度/mm

2.5 应变分析

依据测取的应变数据，绘制荷载-箍筋应变曲线，如图4所示.从图4(a)中对比梁的荷载-箍筋应变曲线可以看出，在加载初期，对比梁的箍筋应变很小，当加载至开裂荷载时，斜裂缝出现，箍筋应变骤然增大.说明试件开裂前，承受剪力作用的主要是混凝土，但斜裂缝出现后，混凝土将其承担的应力传递给箍筋，从而使箍筋的应变在开裂荷载处突然增大.

对比图4(a)和(b)中原梁箍筋曲线可知，加固梁中原梁箍筋应变较对比梁小，说明加固梁中的聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网加固层分担了外荷载.

挠度/mm

挠度/mm

对比图4(b)中的2条曲线可知，在加载初期，原梁箍筋的应变与加固梁中的聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网加固层的箍筋应变基本保持一致，随着荷载的增大，斜裂缝的出现，曲线稍有偏离，但基本趋于一致，说明加固层与原梁能够较好地协同工作，共同承担外荷载.

聚乙烯醇水泥砂浆钢筋网加固层箍筋抗剪作用贡献主要体现在两个方面.首先加固层箍筋作为原梁箍筋的补充，一起承担剪力作用，其次加固层箍筋限制了斜裂缝的出现及发展，从而使有效抗剪部分混凝土增多，同时加固层箍筋通过对原梁产生的约束效应，对提高抗剪能力也有一定的作用.

3 加固梁承载力理论分析

本文采用考虑混凝土与腹筋作用的桁架-拱模型，模拟加固试验梁抗剪工作机理，对加固试验梁的抗剪承载力进行理论分析.

3.1 桁架作用效应

抗剪钢筋和混凝土及聚乙烯醇砂浆共同构成桁架，产生桁架抗剪作用，计算简图如图5所示.

图5 桁架作用计算简图

桁架模型中承担的剪力：

Vt=∑Asvσsv+Asmvσsmv=

ρsvσsvbdjdcotφ+ρsmvσsmvbdjdcotφ．

(1)

根据静力学平衡得：

γσcbdjdcosφsinφ=(ρsvσsv+ρsmvσsmv)bdjdcotφ．

(2)

根据实验结果知，对于剪压破坏的试验梁，加固箍筋与原梁箍筋能够较好地协同工作，构件破坏时，加固箍筋与原梁箍筋均达到屈服，故σsv=fsv及σsmv=fsmv，代入式(2)可得：

(3)

式中：fsv和fsmv分别为原梁箍筋抗拉屈服强度及加固箍筋抗拉屈服强度.

3.2 拱作用效应

混凝土和聚乙烯醇砂浆组成斜向压杆，产生拱抗剪作用，计算简图如图6所示.试验表明，聚乙烯醇纤维砂浆与混凝土工作协同性较好，且两者弹性模量相近，故近似认为两者压应力相等.由静力学平衡关系知，拱作用承担的剪力：

Va=σabmhmtanθ/2.

(4)

图6 拱作用计算简图

拱作用效应随着剪跨比λ减小、角度θ增大而增大.当λ=0.5时，拱作用抗剪起主导作用，λ=3时，拱作用效应较弱，近似取两极限情况的线性插值[8]：

σa=(1.2-0.4λ)νfc.

(5)

又由几何关系且令h0=0.85hm，λ=L/h0得：

(6)

联立(4)～(6)可得：

(7)

式中：bm为加固梁截面宽度；hm为加固梁截面高度；有效强度系数[9]ν=0.7-fc/165.λ为剪跨比.

3.3 加固梁抗剪承载力公式

由“桁架-拱”模型理论知：

σc+σa=νfc.

(8)

联立(3)(5)(8)可得：

(9)

故加固构件抗剪承载力为：

Vu=Vt+Va=

(ρsvfyv+ρsmvfymv)bdjdcotφ+

(10)

斜压杆的角度φ的取值为26.6°≤φ≤45°，故1≤cotφ≤2[10].

3.4 计算值与试验值比较

将试验值和理论计算值对比，见表3.可见加固梁抗剪承载力理论计算值与试验值吻合较好.

表3 理论计算值与试验值比较

4 结 论

1)采用PVA-ECC水泥砂浆钢筋网加固RC伸臂梁，对其开裂荷载及抗剪承载力的提高均有一定的作用.

2)采用PVA-ECC水泥砂浆钢筋网加固RC伸臂梁，在有效推迟裂缝产生的同时，又能约束已有裂缝的汇集扩张，抑制裂缝的发展速度，使其呈现出间距及宽度较小的形态.

3)采用PVA-ECC水泥砂浆钢筋网加固RC伸臂梁，加固梁的剪切刚度得到提高，加强了其变形能力，对加固梁的延性的提高有一定的作用.

4)采用PVA-ECC水泥砂浆钢筋网对RC伸臂梁进行抗剪加固，加固箍筋能有效地分担荷载作用，其应变曲线与原箍筋应变曲线增长趋势接近，说明加固层与原构件的协同工作性能较好.

[1] 曹双寅,邱洪兴,王恒华. 结构可靠性鉴定与加固技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002:1-3.

CAO Shuang-yin, QIU Hong-xing, WANG Heng-hua. The evaluation of structural reliability and reinforcement technique[M]. Beijing: China's Water Conservancy and Hydropower Press, 2002:1-3.(In Chinese)

[2] NELSON P K, LI V C, KAMADA T,etal. Fracture toughness of microfiber reinforced cement compsites[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002,14(5): 385-391．

[3] 王永波,罗晖. PVA纤维在水泥基材料中作用的研究[J].重庆建筑, 2005(7):62-64.

WANG Yong-bo, LUO Hui. The study on the effect of PVA fiber cement material[J]. Chongqing Architecture, 2005(7):62-64. (In Chinese)

[4] 高淑玲,徐世烺. PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J]. 大连理工大学学报, 2007,47(2):233-239.

GAO Shu-ling, XU Shi-lang. Experimental research on tension property of polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2007, 47(2):233-239. (In Chinese)

[5] 卜良桃,陈军,鲁晨. PVA-ECC加固RC足尺梁二次受力试验研究[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2011,38(1):1-7.

BU Liang-tao, CHEN Jun, LU Chen. Experiment on full-scale RC beam reinforced by polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite mortar in flexure subjected to secondary load[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences, 2011, 38(1):1-7 . (In Chinese)

[6] 卜良桃,袁超,鲁晨,等. 聚乙烯醇纤维水泥砂浆钢筋网加固RC柱偏压性能试验研究[J]. 建筑结构,2013(8):82-88.

BU Liang-tao, YUAN Chao, LU Chen,etal. Study on bearing capacity of PVA-ECC steel mesh reinforced concrete column subjected to eccentric load[J]. Building Structure, 2013(8):82-88. (In Chinese)

[7] 贾平一,李延涛,王立军. 基于桁架拱模型的抗剪承载力计算方法[J]. 河北建筑工程学院学报, 2001, 19(1):7-9.

JIA Ping-yi, LI Yan-tao, WANG Li-jun. Calculation methods of shear stregth on truss-arch model[J]. Journal of Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, 2001, 19(1):7-9. (In Chinese)

[8] Joint ACI-ASCE Committee 426 on Shear and Diagonal Tension of the Committee on Masonry and Concrete of the Structural Division. The shear strength of reinforced concrete members[J]. Journal of the Structural Division, 1973, 99(6):1091-1187.

[9] 刘立新. 钢筋混凝土深梁、短梁和浅梁受剪承载力的统一计算方法[J]. 建筑结构学报,1995, 16 (4):13-21．

LIU Li-xin. An unified calculation method for shear capacity of RC deep beams, short beams and shallow beams[J]. Journal of Building Structures, 1995, 16 (4):13-21. (In Chinese)

[10]曾令宏,尚守平,万剑平,等.复合砂浆钢筋网加固约束梁抗剪性能试验[J]. 桂林工学院学报, 2008, 28(1):34-38.

ZENG Ling-hong, SHANG Shou-ping, WAN Jian-ping,etal. Reinforced concrete beams shearthened with high-performance ferrocement[J]. Journal of Guilin University of Technology, 2008, 28(1): 34-38. (In Chinese)