TRC加固水工偏心受压结构的抗裂性能研究

黄锦清

(广东中恒安检测评价有限公司，广东 惠州 516003)

0 前 言

裂缝是水利工程中极为常见的问题，因此结构的防裂是极为重要的工作，根据实际案例及资料显示，水利工程中发生裂缝不仅会影响水利工程的使用寿命，甚至会引起水质的交叉污染[1]。常规修补缝隙主要采用结构加固的方式，如碳纤维加固法等，但这种修补方式在耐火、耐高温方面较差，且加固材料与基底协调性差，无法较好的使用在较为潮湿的区域[2]。根据研究发现TRC(纤维编织网增强混凝土)在加固方面却有着极好的效果,TRC是以纤维编织网为加筋材料结合精细混凝土为粘合剂的一种加固方式，同碳纤维加固方式相比，TRC加固在材料具有耐火、耐高温等特性，并且即使在潮湿的工作区域中也能够与基底具有较好的协调性[3]。由于TRC将纤维编织网作为加筋材料，因此具有较好的抗渗性、抗碳化性、抗低温收缩以及耐腐蚀性等特性，在修补结构的同时可以更好的增强结构的耐久性，进行加固作业时无需额外使用防腐蚀涂层，可以更好的维持结构的限界、延长结构的使用寿命。此外，由于使用精细混凝土作为粘合剂，TRC还具有良好的流动性、自密实性以及抗离析性等特性，能够应用于水利工程中结构缺损、缝隙等问题的修补[4]。

根据目前的文献研究显示，有关TRC方面的研究主要集中于钢筋混凝土梁受弯与受剪的承载能力方面，缺乏TRC加固工程结构方面的相关研究[5-6]。值得注意的是，目前关于TRC加固偏心受压结构抗裂方面的研究几乎属于空白[7]。因此，本研究将结合偏心受压构件，分析纤维编织网在配网率及前期受力等方面在TRC加固偏心受压结构抗裂中的扩展规律。

1 短柱试验

1.1 试验试件准备

本次试验试件尺寸为120 mm(b)×150 mm(h)，试件长细比值为4，试件顶部设置为牛腿状，整体为大偏心受压结构，偏心的尺寸设置为100mm。试件详细参数如表1所示；试件结构图如图1所示。

表1 试件参数

1.2 试验材料

试验中试验试件为对称配筋，纵筋采用4*Φ10(HRB335)钢筋，箍筋采用Φ6(HPB235)钢筋；混凝土型号为C30；纤维编织网相互间隔为10mmx10 mm，单根碳纤维面积为0.45 mm。碳玻混编纤维网编制形式如图2所示。

1.3 加固层铺设

将纤维编织网上、下的保护层的厚度设置为5mm，相邻间的间距为3mm；将纤维编织网放于加固层之内。施工流程图如图3所示。

1.4 试验监测布置与测试

在试件的两侧分别设置滚动支座以便于其能够自由移动。在试件的偏压柱侧面的顶端、柱体1/2处以及1/4处设置电子千分表，用于收集偏压柱侧面的挠度变形；在试件柱中截面沿其高度的方向设置五块混凝土应变片，测量试件柱中的截面应变规律以及裂缝的扩展情况；在试件中间部分的钢筋表面设置两块钢筋应变片，测量试件钢筋应变的变化程度。监测布置意见图如图4所示。

图1 试件结构图(mm)

图2 碳玻混编纤维网编制形式

图3 加固层的施工流程

图4 监测布置意见图

2 结果分析

2.1 TRC控制偏心受压结构裂缝作用机理

在试验的过程中试件Ⅰ的受拉钢筋应变发生损坏，未获取应变的发展经过。试件Ⅱ在加载的后期其钢筋应变骤降，不过整个试验中受拉钢筋未发生断裂，分析其原因可能是由于钢筋应变片未得到有效的固定，试验中应变片发生松动所致。试件偏压荷载及受拉钢筋应变关系曲线如图5所示。

图5 试件偏压荷载及受拉钢筋应变关系曲线

根据图5数据显示，相同偏压状态下，受拉区域的钢筋应变数值的大小与使用的纤维编织网层数呈反比关系，因此，可以断定纤维编织网能够分散受拉区域中的应力，具有加固效果。而在低偏压荷载状态下，受拉区域中发的受拉程度将始终处于较小的状态，此时构件中的纤维编织网的抗拉特性将无法得到发挥，因此各个试件受拉钢筋的应变情况均差别不大。当偏压荷载不断地增加后，构件中纤维编织网的特性才能不断的发挥出来，因此，各个试件受拉钢筋的应变情况将会不断发生改变。

2.2 裂缝间距

根据各试件裂缝分布情况(如图6所示)可以发现，试件Ⅰ出现了5条裂缝，其间距为10.5cm，试件Ⅱ出现了6条裂缝，其间距为6.5cm，试件Ⅲ出现了八条裂缝，其间距为4.9cm。而具有受压历史情况的试件Ⅳ、试件Ⅴ、试件Ⅵ分别出现五条、六条、八条裂缝，裂缝的间距分别为8.2cm、7.9cm、6.5cm。根据以上试验的结果可以断定，试件受到破坏时，在TRC加固作用下其受拉侧裂缝增加，裂缝间距显著缩短，即纤维编织网铺设的层数越多，试件产生的裂缝就越多，其间距距离就越小。

试件Ⅰ 试件Ⅱ 试件Ⅲ 试件Ⅳ 试件Ⅴ 试件Ⅵ

2.3 裂缝深度扩展性态

根据不同荷载作用下试件截面裂缝扩展深度情况(如表4所示)可以发现，在TRC加固作用下裂缝的起裂荷载将会提升，而裂缝的扩展速率将会显著降低，而这一规律与试件铺设纤维编织网的层数具有直接的联系。

3 本次研究理论分析

3.1 理论假定

构件的为平截面受力；构件的侧面变形情况满足正弦半波函数规律；构件内部结构结合情况完好，且应力变化连续[8]。

表4 不同荷载作用下试件截面裂缝扩展深度情况 cm

3.2 构件主裂缝扩展分析

依据构件主裂缝截面应力变化关系(如图7所示)以及理论假定，可得到不同组成部分的应力变化关系：

图7 主裂缝截面应力应变关系

(1)

如图7所示，主裂缝截面的张拉区域分为T-E区(张拉弹性区域)及T-S区(张拉软性区域)。由于张拉软性区域的数值相较张拉弹性区域相对较小，因此本研究中将不再将其作为参考。

根据理论假定，裂缝扩展深度可以表示为：

(2)

式中：Cd为表示裂缝深度；TE为表示混凝土张拉弹性区域的高度；φ为表示黎曼曲率值；ft为表示混凝土弹性模量。

结合构件中纤维编织网对裂缝产生的抑制反应，主裂缝的最大裂缝宽度为：

(3)

式中：αcr为表示受力特征系数(本次研究中取值为2.1)；σs为表示作用于裂缝截面中的钢筋应力；ES为表示钢筋发生的弹性模量；lm为表示裂缝之间距离的均值；β为表示裂缝的最大宽度计算系数；c为表示构件钢筋的外侧纵向受拉区域与受拉区底部边缘的距离；deq为表示构件钢筋纵向受拉区域与钢筋的等效直径距离；Afτ为表示构件中使用的纤维编织网总面积；As为表示所使用的钢筋截面面积；Atc为表示受拉混凝土的截面面积；τs、τf为表示构件材料的黏合应力均值；ds、df为表示钢筋、纤维束的直径；ɑ为表示钢筋纵向受拉重心与TRC的中心间距。ft为表示混凝土的抗拉强度；η为表示钢筋中心到受压区中心的距离系数(本研究中取值0.8712)；

试件的侧面变形程度契合正弦半波曲线的变化数值，因此截面曲率公式为：

(4)

式中：um为表示试件截面的最大扰度；L为表示试件的高度；z为表示试件距中间截面的距离；

将试件产生的主裂缝截面分为n条，依据理论假定将得到其中心应变值：

εi=ε0+φzi

(5)

式中：ε0为表示主裂缝截面形心处的应变；εi为表示主裂缝截面中第i条形心处的应变；zi为表示主第i条裂缝截面距主裂缝截面形心间隔。

截面合力及形心的弯矩的求解公式可以表述为：

(6)

将公式(1)至(6)相关联，并不断增加截面的最大扰度便可获得TRC加固固水工偏心受压结构的主裂缝深度与宽度的全过程曲线。

3.3 理论验证

使用文章中所述主裂缝扩展理论，比对试件20kN、40kN、60kN、80kN以及100kN的状态下其主裂缝扩展深度与试验中的数值[9]。根据对比发现，两项数值相符，由此可以推断，偏心受压主裂缝扩展分析理论具有合理性[10]。公式(3)关于裂缝间距均值也与β具有一定的关系，而β参数值的确定需要通过许多的试验进行计算获得。由于本研究的试验具有一定的限制，因而将无受力历史试件的β设定为0.66，而对于有受力历史试件的β设定为0.8。主裂缝扩展深度理论数值及试验数值对比图如图8所示。

3.4 主裂缝扩展经过规律分析

3.4.1 裂缝深度扩展的规律

通过试验可以发现，试件在无加固的情况下所产生裂缝，其扩展的速率将较为迅速，而TRC试件产生裂缝后其扩展速度显著低于前者。试验中裂缝的起裂荷载是与配网率正比，并且在同等荷载情况下，裂缝深度的扩展情况将于配网率形成反比，特别是裂缝产生扩展的初期，试件前期的受力历史将会较大的影响到TRC控制裂缝深度扩展[11]。

图8 主裂缝扩展深度理论数值及试验数值对比图

3.4.2 裂缝宽度扩展规律

一次受力中的表现是以基体发生裂缝及受力钢筋发生屈服为发展起始的三种扩展阶段，并且与深度扩展相同[12]。可见，通过增加纤维编织网的层能够有效的抑制裂缝宽度的扩展，特别是宽度扩展的后期阶段中，表现最为明显，且使用TRC在抑制裂缝深度扩展的表现中效果最好。

二次受力中，使用TRC加固的试件裂缝宽度及深度的扩展过程均较为相似[13]。试件前期受力历史会对TRC抑制裂缝宽度扩展产生影响，即试件前期受力历史越大，其裂缝宽度扩展的表现就越弱，不过次影响表现将会伴随受力历史的增加而降低。另外，裂缝宽度的扩展变化主要是发生在受力后期，因而前期受力对于抑制裂缝宽度的影响较小。

4 结 论

本研究通过试验分析TRC加固水工偏心受压结构的抗裂性能表现，并对裂缝扩展全过程理论进行解析，结果显示：应用TRC可对偏心受压结构发生裂缝的深度、宽度扩展情况起到较好的抑制作用，通过本次研究希望能偶为今后相关工程裂缝的控制提供一定的参考。