预张紧钢绞线网-砂浆面层加固有负弯矩梁抗剪性能试验

曹忠民 高 淳

(华东交通大学土木建筑学院,南昌 330013)

0 引 言

高强钢绞线网-聚合物砂浆面层加固技术是一种新型体外配筋加固技术,具有质轻、高强、适应性好等优点。目前关于该技术的研究主要集中在受弯构件的正截面加固[1-7],而对于其斜截面受剪加固的受力性能研究较少[8-10]。由于钢绞线网不易拉紧且难以固定,导致施工中张紧程度不一,使其加固效果出现很大差异,直接影响加固的质量,从而需要对加固钢绞线进行预张紧处理。危晓丽[11]通过对比分析得出,采用预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层技术对某工程梁加固的合理性及可行性。现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》GB 50367[12]规定,钢丝绳网片安装时应施加预张紧力,预张紧应力大小取0.3frw,frw为钢丝绳抗拉强度设计值。现行《混凝土结构加固设计规范》[12]第13.3.3条规定,采用预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层抗剪加固钢筋混凝土梁时,其斜截面承载力计算时受剪加固的钢绞线的强度设计值,按规范第4.5.4条规定的强度设计值乘以调整系数0.50确定;当为框架梁或悬挑构件时,该调整系数取为0.25。这样当框架梁或悬挑构件受剪加固时,高强钢绞线的强度设计值只用到262～300 MPa,极大限制了高强钢绞线的应用。虽然目前有预应力钢绞线加固钢筋混凝土梁受剪性能的研究[13],但是对于预张紧钢绞线网加固钢筋混凝土梁受剪性能的研究成果还很少见到。另外,在实际工程中,大多数梁为连续梁,剪跨区负弯矩影响斜截面抗剪承载力的程度缺乏公认的数据。

因此,本文采用可靠的预张紧钢绞线加固工艺,预先对钢绞线施加张紧力0.3frw,对钢筋混凝土伸臂梁进行抗剪加固试验,研究其斜截面受剪的受力性能,并与类似条件下的对比梁进行比较分析,并建立预张紧钢绞线网-砂浆面层加固钢筋混凝土梁斜截面承载力的计算公式。

1 试验研究

1.1 试件设计和材料性能

试件包括6根钢筋混凝土梁,其中1根未加固对比伸臂梁、4根预张紧钢绞线网-砂浆加固的伸臂梁、1根预张紧钢绞线网-砂浆加固简支梁。试验梁的几何尺寸和配筋如图1所示。伸臂梁截面尺寸为b×h= 150 mm×300 mm,梁长为2 000 mm,净跨为1 500 mm,悬臂段长度为400 mm。由于本试验主要研究受剪性能,为了防止受弯破坏适当增加了纵筋用量,梁底和梁顶均配置2Φ20的纵向钢筋。为了防止纵筋滑移破坏,在端部弯锚150 mm。梁的箍筋为φ6@ 150。简支梁的截面尺寸、纵筋和箍筋的配置与伸臂梁的相同,简支梁净跨为1 500 mm。

图1 试验梁的尺寸、配筋图(单位:mm)Fig.1 Dimension and reinforcement of tested beams (Unit:mm)

试件的编号和试验参数见表1。

混凝土、钢筋的性能测试值见表2,钢绞线和砂浆的性能测试值见表3。

表1试件及试验参数

Table 1 Parameters of specimens and experiment

表2试件材料性能

Table 2 Material properties

表3加固材料性能

Table 3 Properties of strengthening material

本试验的高强钢绞线采用1×19的镀锌钢绞线,公称直径为2.5 mm,实测截面面积为4.58 mm2。实测钢绞线的应力-应变试验曲线如图2所示。

图2 钢绞线的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress - strain curve of steel wire rope

从图2可以看出,在初始受力时,钢绞线处于较为松弛的状态,钢绞线拉紧应变较大;随着钢绞线的逐渐拉紧,其应力与应变关系趋于线性。通过预张紧,钢绞线可以很好地改善前期的受力性能。

1.2 加固预张紧系统

本文加固方案的加固预张紧系统如图3所示。U形加固法是将高强钢绞线通过扁钢一端固定在梁一侧,另一端连接在扁钢上,用高强螺栓与梁另一侧角钢连接,通过双向扭矩扳手扭动螺栓至所需的张紧力。环形加固法采用两条扁钢分别固定钢绞线两端,将钢绞线环形缠绕在梁上,再对扁钢上高强螺栓进行张紧,对钢绞线施加张紧力。

经标定试验,扭矩T与预张紧力F的关系为

T=0.161×F×d

(1)

式中,d为螺栓公称直径,在本试验中d为10 mm。

1.3 加固范围和加载设计

伸臂梁的加固范围和加载设计如图4所示。简支梁的加固范围和加载设计如图5所示。

图3 加固预张紧系统(单位:mm)Fig.3 Pretension and anchor systems (Unit:mm)

图4 伸臂梁的加固、加载图(单位:mm)Fig.4 Test setup of cantilever beams (Unit:mm)

图5 简支梁的加固、加载图(单位:mm)Fig.5 Test setup of the simply supported beam (Unit:mm)

本试验伸臂梁和简支梁的剪跨均为500 mm,计算剪跨比为1.89。通过在千斤顶下设分配梁加载。伸臂梁试验段的剪力与千斤顶加载的换算公式为V=0.55P。简支梁试验段的剪力与千斤顶加载的换算公式为V=0.5P。为了防止试件加载时由于局部应力过大而发生局部压坏,在加载处设置有刚性垫块。

本试验按照《混凝土结构试验方法标准》[14](GB/T 50152—2012)进行。先进行预加载,每级荷载为5 kN,预加载到20 kN。预加载后卸载并将仪器调零。正式加载时,在试件出现斜裂缝前加载以每级20 kN进行;出现斜裂缝后,加载改为每级10 kN进行。在试验数据基本稳定后采集数据。

1.4 量测设计

量测内容包括荷载、应变、挠度和裂缝等。荷载通过荷载传感器接应变仪采集。应变量测包括钢筋的应变和钢绞线的应变,通过DH3816型静态电阻应变仪和预埋的应变片来测量,测点布置详见文献[15]。为测量挠度值,在伸臂梁支座处、两个集中力作用点位置各安装百分表。裂缝观测采用刻度放大镜对裂缝进行实时描绘,包括开裂荷载和斜裂缝的发展情况,并对裂缝的发展和破坏形态进行描绘。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

对于伸臂梁A1,当弯剪段剪力到87.5 kN时,跨中剪跨段出现斜裂缝,裂缝发展较快,并向支座与加载点延伸;随着剪力增加,负弯矩受拉裂缝向下延伸与斜裂缝相交;当剪力至137.0 kN时,斜裂缝宽度增大,承载力达到峰值,试件破坏。

对于U形加固的伸臂梁A2,当弯剪段剪力至91.9 kN时在跨中梁底部出现两条受拉裂缝,同时在负弯矩区段梁的上部也出现受拉裂缝;随着荷载增加,受拉裂缝向梁内延伸;剪力至103 kN时,在加固砂浆上出现受剪斜裂缝;随着剪力增大,加固砂浆上出现多条斜裂缝并向支座和加载点延伸,同时位于上部斜裂缝与负弯矩区段受拉竖向裂缝相连,位于下部斜裂缝与跨中受拉裂缝相连;然后梁跨中加载点附近出现多条斜裂缝;剪力至195.3 kN时,梁上裂缝迅速加大,加载点处混凝土部分压碎,承载力达到峰值。

对于U型加固的伸臂梁A3,当弯剪段剪力加至89.9 kN时,跨中梁底出现受拉裂缝,裂缝向梁内延伸;当剪力至102.9 kN时,剪跨段砂浆上出现斜裂缝;随着剪力增加,该裂缝逐渐与下部受拉裂缝相连并向上加载点发展;当剪力到137.0 kN时,在之前斜裂缝上部出现另一条斜裂缝,该裂缝上部一条分支与负弯矩区段受拉裂缝逐渐连接;当剪力至176.0 kN时,梁跨中加载点附近出现多条斜裂缝;剪力达到181.0 kN时,加载点下混凝土压溃,裂缝宽度迅速加大,试件破坏。

对于环形加固的伸臂梁A4,当剪弯段剪力至125.4 kN时,梁跨中出现受拉裂缝;剪力至132.6 kN时,伸臂段出现斜裂缝,加固砂浆上部出现竖向受拉裂缝;梁加固段出现斜裂缝,斜裂缝随着剪力增加向加载点延展,缝度逐渐增大;剪力到162.8 kN时剪跨段箍筋基本屈服;剪力继续增加,加载点处部分混凝土压碎;当剪力到211.8 kN时,斜裂缝宽度和跨中挠度迅速增大,试件破坏。

对于环形加固的伸臂梁A5,当剪弯段剪力至104.0 kN时,梁底跨中未加固区出现两条受拉裂缝。剪力至123.8 kN时,梁加固砂浆上出现首条受剪斜裂缝,随着剪力增加,此裂缝宽度增加形成主裂缝,砂浆上出现多条斜裂缝。继续加载时,裂缝宽度和挠度都明显增大。当剪力至192.5 kN时,加载点附近的部分混凝土压碎,试件破坏。

对于U形加固的简支梁B1,当剪力至54.0 kN时,在跨中附近陆续出现三条细裂缝。当剪力到74.5 kN时,加固砂浆上出现受拉裂缝,从梁底延伸上来,并逐渐向加载点延伸。当剪力至109 kN时,在加固砂浆上出现斜裂缝,并向支座和加载点延伸。随着剪力增加,砂浆上出现多条斜裂缝。剪力至180 kN时,斜裂缝从砂浆延伸向加载点。当剪弯段剪力到197 kN时,部分混凝土压溃,试件破坏。

试验梁的裂缝和破坏形态如图6所示。

图6 试验梁的破坏形态Fig.6 Failure patterns of test beams

通过比较加固的简支梁与加固伸臂梁的破坏形态可知,简支梁的斜裂缝主要与梁底的受拉裂缝相接,裂缝多集中在梁底受拉侧,而伸臂梁由于在弯剪区出现负弯矩,其斜裂缝除与下部裂缝相接外还与负弯矩处受拉裂缝相接,增加了梁腹出现的裂缝范围。通过比较伸臂梁A2与简支梁B1可知,A2的斜截面承载力稍低于B1斜截面承载力,伸臂梁的斜截面承载力可参考简支梁的斜截面承载力。通过试验过程可知,采用预张紧钢绞线网加固后,加固系统具有较好的整体性,预张紧钢绞线网砂浆面层能有效地发挥其抗剪作用。

试验梁的斜截面承载力试验结果如表4所示。

表4斜截面承载力的试验结果

Table 4 Test results of shear capacity

从表4可知,预张紧钢绞线网-砂浆面层加固后可以有效提高试件的极限受剪承载力。通过比较各个试验参数的试验结果可知,环形加固梁的受剪承载力增量高于U形加固梁;间距较小试件的受剪承载力提高幅度大,加固效果好;U形加固伸臂梁的抗剪承载力略低于相应简支梁的抗剪承载力。

2.2 箍筋及钢绞线应变分析

箍筋的剪力-应变关系曲线见图7,高强钢绞线的剪力-应变关系曲线见图8。其中钢绞线的应变为加载后增加的应变,不包括预拉紧的应变。

图7 箍筋的剪力-应变曲线Fig.7 Shear force-strain curves of stirrups

图8 钢绞线的剪力-应变曲线Fig.8 Shear force-strain curves of steel wire ropes

由上图可知箍筋与钢绞线的受剪过程相似,在初始受力阶段构件的剪力基本由混凝土承担,随着荷载增加,混凝土出现斜裂缝以后,剪力逐渐转移到箍筋与钢绞线上,其应变迅速增大直至构件破坏。

从加固梁箍筋的剪力-应变曲线中可以发现,在试件破坏时各梁中箍筋都已达屈服强度,加固试件箍筋应变曲线会出现两个或多个拐点,这是由于箍筋产生应变后,加固钢绞线发挥受剪作用,分担一部分剪力,此时箍筋上剪力得到一定缓解,应变增大的速率明显减小,箍筋和加固钢绞线形成协同受剪作用。

A2梁达到极限承载力时,钢绞线测点处应变最大为6 762 με,再加上预张紧初应变为2 423 με,钢绞线的总应变为9 145 με。A3梁达到极限承载力时,钢绞线测点处应变最大值为6 051 με,加上预张拉初应变为2 423 με,钢绞线的总应变为8 474 με。A4梁达到极限承载力时,钢绞线测点处应变最大值为8 552 με,加上预张拉初应变为2 423 με,钢绞线的总应变为10 975 με。A5梁达到极限承载力时,钢绞线测点处应变最大值为8 024 με,加上预张拉初应变2 423 με,钢绞线的总应变为10 447 με。B1梁达到极限承载力时,钢绞线测点处应变最大值为7 598 με,加上预拉紧初应变2 423 με,钢绞线的总应变为10 021 με。

综上所述,环形加固中钢绞线应力发挥水平要高于U形加固;U形加固的伸臂梁的钢绞线应力略低于简支梁的钢绞线应力。

2.3 剪力-跨中挠度关系曲线

试验梁的剪力-跨中挠度曲线如图9所示。

图9 试验梁的剪力-跨中挠度曲线Fig.9 Shear force-midspan deflection curves

通过比较对比梁和加固梁可知,在相同剪力时加固伸臂梁产生的最大挠度较对比梁产生的最大挠度减小,说明钢绞线加固能够增大梁的刚度。另外,加固后梁的挠度得到进一步增大,相对于对比梁,加固梁的极限荷载时的挠度有不同程度的增大,说明加固对增加试件的延性起到了很好的效果。

从加固梁的对比可以看出,在同一荷载下,A2、A4挠度分别较A3、A5挠度小,说明试件配绳率越大,其加固试件的刚度也越大。在同一荷载下,环形加固伸臂梁挠度要小于U形加固伸臂梁挠度,说明环形加固能更好地抑制梁挠度的增大。

通过对加固简支梁B1和加固伸臂梁A2挠度曲线对比可以发现,简支梁跨中受弯较伸臂梁更大,因此其跨中挠度也较伸臂梁更大,试件加固后简支梁的延性也得到了较大提高。

3 受剪承载力计算

目前,对预张紧钢绞线网-砂浆面层抗剪加固钢筋混凝土梁斜截面承载力的研究还较少。本文在混凝土结构加固规范计算式的基础上,考虑加固方式和剪跨比对加固梁的受剪承载力的影响,不考虑聚合物砂浆的作用,建立实用的预张紧钢绞线网-砂浆面层抗剪加固钢筋混凝土梁斜截面承载力的计算公式。

采用预张紧钢绞线网-聚合物砂浆抗剪加固钢筋混凝土梁时,其斜截面受剪承载力可按下列公式确定:

Vu=Vbo+Vbr

(2)

Vbr=ψvbfrwArwhrw/srw

(3)

式中,Vbo为加固前梁的斜截面承载力(kN),按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[16]计算;Vbr为配置钢绞线网片后,对梁斜截面承载力的提高值(kN);ψvb为计算系数,与钢绞线箍筋构造方式及受力条件有关的抗剪强度折减系数,按现行国家标准《混凝土加固设计规范》[12]表13.3.3采用;frw为受剪加固的钢绞线的强度设计值(N/mm2),按现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》[12]第4.5.4条规定的强度设计值乘以调整系数0.69确定;Arw为配置于同一截面上钢绞线的全部截面面积(mm2);hrw为钢绞线箍筋的竖向高度(mm);srw为钢绞线箍筋的间距(mm)。

预张紧钢绞线网-砂浆面层加固钢筋混凝土梁斜截面承载力的计算值与试验值的比较结果见表5。

表5斜截面承载力计算值与试验值比较

Table 5 Comparison between calculation values and experimental results of shear capacity

通过比较表5中的计算结果与试验值可得,本文所提预张紧钢绞线网-砂浆面层抗剪加固钢筋混凝土梁斜截面承载力计算公式的计算结果与试验实测值符合较好,其计算值与试验值的比值与现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010)[16]的比值相近,可供实际工程参考。而按现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367)[12]的计算结果偏低,且与《混凝土结构设计规范》(GB 50010)[16]的可靠度不一致。

4 结 论

根据本文试验结果,可以得到如下结论:

(1) 预张紧钢绞线网-砂浆面层加固钢筋混凝土梁能有效提高试件的受剪承载力,极限受剪承载力的提高幅度为32.9%～54.5%;梁的受剪承载力与加固的钢绞线用量有关,随着钢绞线用量增加梁的受剪承载力增加;环形加固法加固梁的受剪承载力增量高于U形加固梁的受剪承载力。

(2) 伸臂梁中钢绞线的应变与相应简支梁的应变接近,说明剪跨段内负弯矩对斜截面承载力的影响不大。

(3) 根据试验结果,建立了预张拉钢绞线-砂浆面层加固时受剪承载力的计算公式,其计算结果与试验值符合良好。

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