高延性混凝土加固RC梁抗剪性能试验研究

邓明科，李琦琦，马福栋，黄 政

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西，西安710055；2.中天建设集团有限公司西南公司 四川，成都 610041)

钢筋混凝土梁是建筑结构的主要水平承重构件和耗能构件，其主要的破坏形式为弯曲破坏和剪切破坏。混凝土梁发生剪切破坏时具有明显的脆性特征，其延性较差，且加固修复难度较大。因此，当混凝土梁的受剪承载力不足时，采用新材料和新技术提高其抗剪性能，改善梁的剪切破坏形态，具有重要的工程意义。

高延性水泥基复合材料(engineered cementi-tious composite，ECC)[1－4]是一种具有高韧性、高抗裂性和高耐损伤能力的新型结构材料。在拉伸和剪切作用下均表现出高延展性，具有典型的多裂缝开展和应变硬化特征，能显著改善混凝土材料的韧性和抗裂能力[5－8]，在土木工程领域具有广阔的应用前景。Maalej等[9]研究表明，ECC在冲击荷载作用下具有良好的抗剪性能。梁兴文等[10]进行了小跨高比纤维增强混凝土连梁的抗震性能试验研究，结果表明纤维增强混凝土可提高连梁的承载力和延性。由此可见，ECC用于以受剪为主的构件，均表现出良好的剪切延性，可显著提高构件的抗剪性能和耐损伤能力。

为推广 ECC在混凝土结构的应用，本课题组将其称为高延性混凝土(highductile concrete,HDC)，并系统研究了其力学性能[11－13]。研究表明，采用HDC替代普通混凝土，可显著改善无腹筋梁[14－15]和短柱[16]的脆性剪切破坏形态；采用HDC加固受损砖砌体墙[17]和混凝土柱[18]，均可显著提高其抗震性能。本文在此基础上，提出采用 HDC加固无腹筋混凝土梁，以提高梁的抗剪承载力和变形能力，并通过静力加载试验，研究 HDC加固层对无腹筋梁的破坏形态和变形能力的影响，为 HDC加固混凝土梁的设计与工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验共设计制作了9个HDC加固的RC梁和4个对比试件，其中 1个采用高性能复合砂浆加固RC梁，其余 3个为未加固梁。试件截面尺寸均为150 mm×300 mm，按剪跨比为1、2和3将试件分为3组，混凝土设计强度等级均为 C30，纵筋采用HRB400级，箍筋采用HPB300级U形箍筋。各试件设计参数见表1，试件尺寸及加固方式见图1。

为充分发挥HDC材料的抗剪性能优势，加固梁均采用三面围套加固方式。HDC加固梁，每侧加固层厚度为15 mm或25 mm；高性能复合砂浆加固梁，加固层厚度为25 mm。其中试件L1-4、L2-4、L2-5和L3-4均在加固层配置箍筋。试件加固施工过程为：首先对试件表面进行凿毛处理；然后固定U形箍筋，清理界面；最后采用人工压抹HDC加固层。

表1 试件设计参数Table 1 main parameters of specimens

图1 试件尺寸及加固示意图Fig.1 Section details and strengthening of test beams

1.2 材料力学性能

为满足较高的强度和延性要求，试验采用的HDC由水泥、粉煤灰、精细河砂、矿物掺合料、水、高效减水剂和PVA纤维按一定的比例配制组成。其中，砂的最大粒径为1.18 mm，水泥为P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅰ级灰，PVA纤维的体积掺量为 2%。试验所用的纤维各项力学性能指标见表2。

表2 PVA纤维各项性能指标Table 2 Performance indicators of PVA

对于HDC材料，采用边长为70.7 mm立方体试块测试其抗压强度；采用尺寸为350 mm×50 mm×15mm的哑铃型拉伸试件，测试其抗拉强度。对于混凝土材料，采用边长为100 mm立方体试块测试其抗压强度，并按换算得到其抗拉强度。对于高性能复合砂浆材料，采用边长为100 mm立方体试块测试其抗压强度，采用尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱体四点弯曲试验确定其抗拉强度。HDC、混凝土和高性能复合砂浆的力学性能试验结果见表3，其中fcu,m为立方体抗压强度实测平均值；fc,m为按式(1)分别换算成标准棱柱体试块的HDC、混凝土和高性能复合砂浆轴心抗压强度值。

式中：δ1为尺寸效应系数；αc1为棱柱体与立方体抗压强度之比。对于混凝土，根据我国规范[19]，取δ1为0.95，按C30混凝土考虑取αc1为0.76。根据课题组前期试验[12]，对 HDC，取δ1为 1.0，αc1为 0.88；对高性能复合砂浆，取δ1为 1.0，αc1为 0.988。钢筋的力学性能见表4。

表3 混凝土、HDC和高性能复合砂浆的力学性能Table 3 Material properties of RC,HDC and high performance composite mortar

表4 钢筋的力学性能Table 4 Mechanical properties of steels

1.3 加载方案

本试验在西安建筑科技大学结构与抗震试验室进行，采用5000 kN电液伺服压力试验机的弯曲平台进行加载，加载装置如图2和图3。为防止试件局部压坏，在支座和加载点处均放置垫板，并铺设细砂找平。试验采用位移控制加载方式，加载速率为0.2 mm/min，当荷载下降至峰值荷载的85%以下或跨中挠度过大时，停止加载。

试验主要测试内容包括：试件承载力、跨中挠度、纵筋和箍筋应变，以及裂缝出现和开展情况。

图2 加载装置Fig.2 Test setup

图3 试验加载现场Fig.3 Test load field

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及破坏形态

3个未加固梁的破坏形态为斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏；10个加固梁的破坏形态有剪压破坏、剥离破坏、弯剪破坏和弯曲破坏。各试件的破坏形态与裂缝分布如图4所示。

图4 试件破坏形态与裂缝分布Fig.4 Photographs and crack patterns of specimens at failure

2.1.1 未加固梁

1)斜压破坏

剪跨比为1时，梁L1-1发生斜压破坏。加载至160 kN时，加载点左侧腹部出现第一条斜裂缝；加载至 180 kN时，梁左侧被斜裂缝分割成若干个倾斜的受压柱体；随后试件变形逐渐增大，斜裂缝之间混凝土剥落，试件承载力突然降低，发生具有明显脆性的斜压破坏。

2)剪压破坏

剪跨比为2时，梁L2-1发生剪压破坏。加载载至65 kN时，加载点右侧出现第一条竖向裂缝；加载至110 kN时，加载点两侧均出现腹剪斜裂缝；加载至 120 kN时，梁右侧形成主斜裂缝，随后斜裂缝两侧混凝土出现明显的剪切错动，加载点处混凝土压碎，试件发生剪压破坏。

3)斜拉破坏

剪跨比为3时，梁L3-1发生斜拉破坏。加载至45 kN时，梁右侧出现第一条竖向裂缝；加载至115 kN时，梁右侧腹部形成主斜裂缝；随后，主斜裂缝明显变宽，梁因斜向被拉裂成两部分而突然破坏，发生典型的斜拉破坏。

2.1.2 加固梁

10个加固梁中，试件L1-3发生剥离破坏，试件L3-3发生弯剪破坏，试件L3-4发生弯曲破坏，其余加固梁均发生剪压破坏。

1)剥离破坏

HDC加固梁L1-3由于加固层较厚(25 mm)，施工时分两次压抹，加固层之间发生了剥离破坏。加载至 220 kN时，跨中出现第一条竖向裂缝；加载至 270 kN时，加载点右侧出现了第一条斜裂缝；加载至 310 kN时，加载点两侧出现细密斜裂缝；随后，右侧斜裂缝贯通形成主斜裂缝；继续加载，主斜裂缝变宽，承载能力开始下降，且试件破坏过程中伴随有纤维拔出和拉断的滋滋响声。最后，试件一侧的加固层出现剥离而发生破坏。

2)剪压破坏

HDC加固梁L1-2、L1-4、L2-2、L2-3、L2-4、L3-2均发生剪压破坏。试件 L2-2采用 15 mm厚HDC面层加固。加载至85 kN时，跨中出现第一条竖向裂缝；加载至 175 kN时，加载点两侧出现多条细密斜裂缝；随后，加载点左侧斜裂缝贯通形成主斜裂缝；继续加载，主斜裂缝变宽，试件变形增大，且试件破坏过程伴随有纤维拔出和拉断的滋滋响声，但裂缝分布和数量不再发生变化；最后，试件发生具有一定延性的剪切破坏。

试件 L2-5采用高性能复合砂浆与箍筋加固，发生剪压破坏。主斜裂缝形成以后，加载点处的高性能复合砂浆压碎破坏比较严重。

3)弯剪破坏

试件L3-3采用25 mm厚HDC面层加固，发生弯剪破坏。加载至90 kN时，加载点右侧出现第一条竖向裂缝；加载至 145 kN时，加载点左右两侧腹部斜裂缝细密开展；加载至 190 kN时，纵筋屈服，右侧斜裂缝分别向支座及加载点延伸，形成主斜裂缝；随后，主斜裂缝宽度增大，试件承载力开始下降。

4)弯曲破坏

试件L3-4采用25 mm厚HDC面层和箍筋加固，发生弯曲破坏。加载至65 kN时，跨中出现第一条竖向裂缝；加载至 190 kN时，加载点左右两侧斜裂缝细密开展，跨中竖向裂缝向上延伸；继续加载，竖向裂缝宽度增大，纵筋屈服，纵筋外侧出现纵向劈裂裂缝，跨中挠度明显，受压区混凝土压碎剥落。

2.2 钢筋应变分析

根据试验过程中对各试件纵筋与箍筋应变的测试结果，可得试件的钢筋屈服情况与破坏形态汇总于表5。

表5 试件破坏形态与钢筋屈服情况Table 5 Failure patterns of specimens and yield condition of steels

1)试件L3-3和L3-4达到峰值荷载前，纵筋均达到屈服，试件受剪承载力未得到充分发挥。其余试件纵筋均未屈服。

2)试件L1-4、L2-4均采用25 mm厚HDC面层和箍筋加固，达到峰值荷载以前，箍筋均达到屈服强度。

3)试件 L2-5采用高性能复合砂浆和箍筋加固，达到峰值荷载前，部分箍筋达到屈服，纵筋均未屈服。

2.3 破坏形态分析

根据上述10根加固梁和3根对比梁的试验结果，对其破坏形态进行比较和分析：

1)剪跨比为1时，采用HDC面层加固改善了无腹筋梁的剪切破坏形态。未加固梁 L1-1发生斜压破坏，其受剪承载力取决于混凝土斜压柱体的受压承载力。采用HDC面层加固的梁L1-2和 L1-4均发生剪压破坏，其受剪承载力取决于剪压区混凝土和HDC的剪压复合受力强度，与试件L1-1相比，其受剪承载力上限值(剪压比)得到明显提高。

对于HDC加固梁L1-3，由于HDC加固面层较厚(25 mm厚)，施工分2层压抹，面层之间发生的剥离破坏。因此，当 HDC加固层较厚时，宜采取一定的锚固措施。

2)剪跨比为2时，采用HDC面层加固可显著提高试件的受剪承载力。未加固梁L2-1和HDC加固梁L2-2、L2-3及L2-4，均发生剪压破坏。与未加固梁L2-1相比，HDC加固梁的承载力和变形能力均有较大幅度提高。由于 HDC具有良好的拉伸应变硬化效应，HDC加固梁腹部均出现明显的多裂缝开展现象；且 HDC具有良好的耐损伤能力，最终未出现 HDC加固面层被压碎、剥落现象，试件保持良好的完整性。

试件 L2-5采用高性能复合砂浆和箍筋加固，与 HDC加固梁相比，裂缝发展较为单一，且加载点混凝土剥落严重，损伤程度较大。

3)剪跨比为3时，随着加固层厚度的增加，以及加固层内配置箍筋，试件的破坏形态逐步得到改善。未加固梁 L3-1发生斜拉破坏，其受剪承载力取决于混凝土的抗拉强度，承载力低且破坏突然。试件L3-2采用15 mm厚HDC面层加固，发生具有一定延性的剪压破坏。试件L3-3的HDC面层厚度增至25 mm，发生延性较好的弯剪破坏。试件L3-4采用25 mm厚HDC面层和箍筋加固，发生了延性弯曲破坏。

以上分析可见，采用HDC面层进行抗剪加固，可在一定程度上代替箍筋的抗剪作用，并改善无腹筋梁的剪切破坏形态，提高梁的剪压比限值。

2.4 荷载-挠度曲线分析

将13根试件的各个特征点汇总于表6。根据试验记录，按剪跨比的不同分别绘出 13根试件的荷载-挠度曲线，如图5所示。本试验中，以试件表面出现明显裂缝确定其开裂荷载Fcr及相应的位移Δcr；以荷载-挠度曲线上最大荷载点对应的荷载和位移确定的峰值荷载Fm与峰值位移Δm；以荷载-挠度曲线上承载力下降到峰值荷载的 85%时对应的点确定极限位移Δu；采用“通用屈服弯矩”确定屈服位移Δy。由图5和表6对比分析可得：

图5 荷载-位移曲线Fig.5 load-deflection curves of specimens

1)试件开裂前，各试件的荷载-挠度曲线基本一致，跨中挠度均随荷载的增加呈线性增长，表示加载前期，HDC加固面层对梁刚度的贡献不明显。试件开裂后，各试件呈曲线发展，且曲线的斜率逐渐降低，表明试件刚度降低，挠度增长速度加快；达到峰值荷载后，各试件的荷载-挠度曲线出现下降，HDC加固试件的承载力下降较为平滑，表明HDC面层可在一定程度上延缓试件的刚度退化。

表6 试验结果Table 6 Test results

2)HDC加固面层厚度对试件的刚度有较大的影响。当剪跨比为1时，试件L1-3加固面层剥离，HDC未充分发挥其作用，故其荷载-挠度曲线与试件L1-2接近。当剪跨比为2、3时，试件开裂后，在相同荷载作用下，随着 HDC加固面层厚度的增加，试件的跨中挠度递减，曲线的斜率增大；但其达到峰值荷载时的跨中挠度得到了显著的提高。

3)剪跨比相同时，HDC加固层内附加箍筋的试件刚度退化缓慢。

2.5 变形能力分析

根据以上试验结果，对各试件的变形能力进行分析可得：

1)剪跨比对 HDC加固梁的变形能力影响较大。剪跨比为1时，HDC加固层以受压为主，对梁变形能力的提高幅度相对较小；当剪跨比较大时，HDC加固层以受剪和受拉为主，梁的极限位移明显提高。当剪跨比为2时，HDC加固梁的极限位移提高幅度为56%~150%，剪跨比为3时，HDC加固梁的极限位移提高幅度为99%~555%。因此，剪跨比较大时，HDC面层可相当于箍筋的作用，加固梁的变形能力得到明显提高。

2)试件L2-2、L2-3的HDC加固层厚度分别为15 mm、25 mm，与未加固梁L2-1相比，其峰值位移提高幅度分别为144%和308%，极限位移提高幅度分别为56%和150%，表明随着HDC加固面层厚度增加，梁发生剪切破坏的变形能力提高。

3)试件L3-4采用25 mm厚HDC面层和箍筋加固，其受剪承载力有富余而发生延性弯曲破坏，试件变形能力大幅度提高。

4)当剪跨比相同时，HDC加固梁的峰值位移和极限位移明显高于未加固梁，表明采用 HDC进行抗剪加固，可显著提高梁发生剪切破坏时的变形能力，实现延性剪切破坏模式。

2.6 承载力分析

采用 HDC面层加固试件的开裂荷载和峰值荷载均有较大程度的提高，其提高幅度与剪跨比和加固方式相关。根据试验记录，按剪跨比的不同分别绘出13根试件的承载力柱状图，如图6所示。由表6和图6对比分析，可以得出以下结论：

1)剪跨比对试件的加固效果有较大的影响。剪跨比为1时，HDC加固梁以拱作用为主，试件L1-2发生剪压破坏时的承载力比未加固梁 L1-1提高了39%；剪跨比为2时，HDC加固梁的桁架和拱共同作用，试件L2-2发生剪压破坏时比未加固梁L2-1提高了51%；剪跨比为3时，HDC加固梁以桁架作用为主，试件 L3-2发生剪压破坏时比未加固梁L3-1提高了29%。可见，采用HDC加固梁可显著提高其抗剪承载力，但不同剪跨比时，HDC面层发挥的作用有所不同。

2)HDC加固层厚度对梁加固效果的影响较大。剪跨比为2时，加固梁L2-2和L2-3的HDC加固层厚度为15 mm和25 mm，与未加固梁L2-1相比，其开裂荷载提高幅度分别为41%和55%，极限承载力提高幅度分别为51%和123%；剪跨比为3时，加固梁L3-2和L3-3的HDC加固层厚度为15 mm和25 mm，与未加固梁 L3-1相比，其开裂荷载提高幅度分别为16%和37%，极限承载力提高幅度分别为29%和66%。可见，随着HDC加固层厚度的增加，梁受剪承载能力明显提高。

3)试件 L2-5采用高性能复合砂浆和箍筋加固，试件L2-3采用25 mm厚HDC进行抗剪加固，2个试件的峰值荷载接近，说明HDC面层能够替代部分箍筋承担的抗剪作用。

图6 承载力柱状图Fig.6 Load histogram of specimens

3 抗剪承载力计算

采用叠加法计算HDC加固梁的受剪承载力：

式中：Vc为原梁的受剪承载力；Vs为加固箍筋的受剪承载力；VHDC为加固层的受剪承载力。

3.1 原梁受剪承载力的计算公式

根据我国《混凝土结构设计规范》[19]，集中荷载作用下无腹筋梁的受剪承载力计算公式为：

式中：λ为剪跨比，取为a/h0，当λ<1.5时取1.5，当λ>3时取3；ft为混凝土轴心抗拉强度；b为原梁截面宽度；h0为原梁截面有效高度。

3.2 加固箍筋受剪承载力的计算公式

根据我国《混凝土结构加固设计规范》[20]，加固箍筋的受剪承载力计算公式为：

式中：αs为加固箍筋强度利用系数，取αs=0.9；fy为加固箍筋抗拉强度设计值；As为同一截面内加固箍筋各肢截面面积之和；s为加固箍筋沿梁长度方向的间距；h01为梁加固后截面有效高度。

3.3 HDC加固层受剪承载力的计算公式

考虑 HDC加固层承担的剪力，为保持计算方法和现行规范一致，使公式的应用较为简便，参考我国《混凝土结构加固设计规范》[20]，提出 HDC加固层受剪承载力计算公式为：

式中：λ为剪跨比，取值同式(3)；αs为HDC加固层强度利用系数，取αs=0.7；fDt为 HDC轴心抗拉强度设计值(注：计算L2-5时，fDt为高性能复合砂浆轴心抗拉强度设计值)；AD为HDC加固层截面面积。

3.4 计算值与试验值比较

由式(2)计算得到各试件的受剪承载力计算值与试验值 如表7所示。

表7 计算值与试验值的对比结果Table 7 Comparison of theoretical and experimental results

由表7可得：

1)当剪跨比为1时，梁以斜压破坏为主，承载力较高，延性较差，为避免发生脆性斜压破坏，我国规范按混凝土抗拉强度计算所得的受剪承载力偏于保守，因此试验值明显高于计算值。

2)当剪跨比为2和3时，按以上公式计算得到的试件受剪承载力与试验值吻合较好。

3)试件L3-4发生了弯曲破坏，因此其受剪承载力计算值高于试件破坏的最大剪力值。

4 结论

通过对9个HDC加固混凝土梁和4个对比试件的抗剪性能研究，考虑加固层厚度、附加箍筋和剪跨比的影响，得出以下结论：

(1)采用HDC面层对无腹筋梁进行抗剪加固，可显著提高梁的抗剪承载力和变形能力，且对斜裂缝的发展起到了很好的阻滞作用，显著改善了混凝土梁的裂缝分布和破坏形态；随着 HDC加固层厚度的增加，混凝土梁的受剪承载力和变形能力均得到进一步提高。但加固层较厚，施工分层压抹时，宜采取一定的锚固措施。

(2)HDC面层可代替部分箍筋的抗剪作用，改善无腹筋梁的剪切破坏形态，实现延性剪切破坏，提高梁的剪压比限值。

(3)采用HDC面层和附加箍筋进行抗剪加固，可增强 HDC对试件的约束作用，进一步提高试件的受剪承载力，并改善无腹筋梁的剪切破坏形态。

(4)本文提出了 HDC加固梁的受剪承载力计算公式，其计算值与试验结果吻合较好，可为HDC加固试件的受剪承载力计算提供参考。