纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究*

王青

(合肥科技职业学院建筑工程系, 安徽 合肥 231201)

0 引言

在混凝土结构中,梁体是一个重要的横向构件,它不仅要承载和传输水平荷载,而且还必须承担起竖向主要负荷,一旦钢筋混凝土梁发生损坏,就会造成结构的损坏,从而对建筑和周边设备的安全产生直接的威胁[1].虽然高强混凝土的抗压能力较强,但随着其强度提高,钢筋混凝土梁的脆性变大,使其难以满足适应性和耐久性的要求,从而制约其广泛使用[2].由于混凝土梁受剪机制较多,剪力破坏脆性大,预兆性较弱,目前关于钢筋混凝土梁结构的抗剪破坏规律尚无定论,且理论值较难达到一致[3],特别是采用新型高强材料的钢筋混凝土梁结构,其抗剪破坏特征、斜裂缝形态、剪力韧性、剪开裂载荷和受剪承载能力等方面尚需深入探讨.

邢丽丽等人[4]分析了纤维增强复合材料(AFRP)在不同的预损度下,FRP条间距和FRP强度对其抗剪承载力的影响,并确定了钢筋混凝土的不同预损程度.通过试验证明了,AFRP加固技术可以有效地提高钢筋混凝土受损梁的抗压能力,在不同的受损程度下,纤维增强复合材料对钢筋混凝土受损梁的加固效果越强,其受损面越小,对其起到的加固效果越好.当受损强度超过荷载且达到70%左右时,此时再使用AFPR进行加固不会得到理想的效果,加固后不具备更强的承压能力.利用AFRP进行加固时,要想得到较好的加固效果,需要减小粘贴间距.李艳等人[5]以钢筋混凝土复合梁的三点弯曲荷载为试验基础,探讨了剪切比、ECC层板和配箍率对组合梁受剪特性的影响,发现在相同容积的ECC中,使用相同体积的ECC替代构件,其承载能力和抗剪切能力得到了显著改善;ECC层对组合梁斜裂的发展起到了很好的控制作用,并且可以减缓其弯曲的视觉,并且随着ECC层的增加,其承载能力和延性也会随之增加,结果证明了剪切比值仍是影响组合梁失效形式的主要原因.邓明科等人[6]探讨了高延性混凝土(HDC)加固钢筋混凝土梁的受剪性能.通过对7根HDC加固梁和4根未加固梁进行静力试验,研究了剪跨比、配箍率、加固层厚度和加固层附加箍筋对梁的破坏形态、荷载-挠度曲线、受剪承载力以及裂缝产生的影响.试验结果表明,该研究提出的HDC加固钢筋混凝土梁的受剪承载力计算值与试验值吻合较好.解伟等人[7]研究了八点集中加载下高强钢筋混凝土深梁的受剪性能试验,分析了纵筋、水平腹筋和竖向箍筋配筋率对承载力的影响.搭建了ANSYS有限元模型,并与规范计算结果进行对比,发现配筋率增大能显著提高深梁的承载力,ANSYS模型较好地反映了受剪机理,规范计算结果较保守.蒋轩昂等人[8]通过对大尺寸CFRP加固梁进行试验,发现不同配纤率下加固梁的受剪承载力有所提高.然而,随着配纤率的增加,CFRP的抗剪加固效率系数下降.此外,通过分析发现,CFRP的抗剪贡献随着配纤率的增加而增加,但加固效率呈现下降趋势.

基于以上研究背景,本文以纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁为研究对象,进行了受剪性能试验研究,分析了影响钢筋混凝土梁受剪性能的因素.研究包括设计制作试件、加固筋笼、浇筑混凝土、养护及拆模等步骤,然后对试件进行加载测试.结果显示,在增加荷载和增大剪跨比的情况下,无腹筋梁试件和有腹筋梁试件都会出现裂缝.此外,随着配箍率的增大,C40试件梁的极限荷载和初裂荷载逐渐增大,而C80试件梁的极限荷载和初裂荷载逐渐减小.综上所述,配箍率对钢筋混凝土梁的极限荷载具有显著影响.

1 试验部分

1.1 设计试验试件

试验采用10个纤维网格增强超高性能加固钢筋混凝土梁试件,将其分成两组,分别是有腹筋梁和无腹筋梁.两个试验批次的梁体长度1400 mm,跨度800 mm,无腹筋梁的断面尺寸120 mm×120 mm,有腹筋梁的断面尺寸120 mm×230 mm,腹筋梁剪跨都是220 mm.混凝土强度、纵筋截面、剪跨比、配筋比例等是混凝土强度的重要指标.本文主要探讨纤维网格增强超高性能混凝土加固后[9],钢筋混凝土梁受剪的破坏形式及其在不同参数下的作用.试验构件的设计参数及配筋情况如表1和表2所示,有腹筋梁的配筋情况和测点布置情况如图1所示.

表1 无腹筋梁试件参数

表2 有腹筋梁试件参数

(a)B-40-4和B-80-4

(b)B-40-5和B-80-5

1.2 试件加工

图1给出高性能钢筋混凝土有腹筋梁的配筋情况,不带腹筋的钢筋混凝土梁仅有2条纵向钢筋,其工艺制作包括模板制作、加固筋笼制作、浇筑混凝土、养护和拆模、粘贴应变片、刷白、画线等步骤,具体如下.

(1)以苯乙烯胶为黏结剂胶合料,经七个单板挤制而成的木制胶模,其厚度为15 mm,尺寸2 000×1 000 mm,并经涂布处理,平整光滑,可拆卸[10].利用两种不同横条的规格分别为120 mm×120 mm×1 000 mm和120 mm×120 mm×1 000 mm的模板,用射钉将该模板用来制作一个模子,并在模子的内部缝隙上喷洒一层玻璃胶,以避免面板缝隙的渗漏[11].

(2)用加固筋绑缚住没有腹部筋条的纵筋,以保证两条纵筋的间隔不变,不产生纵向弯曲,对于带腹筋的钢筋笼网,应首先将其置于纵、竖向筋的位置,然后用钢丝将其与纵、竖向钢筋进行捆绑,以构成加强筋,保证各加强筋的精确定位[12],更加牢固.

(3)试验中使用原位混合的自下式混合器,先用清水打湿搅拌器内管,再按配比进行预拌[13].混合机构使用混凝土包裹砂工艺,将砂、石和65%的水混合1 min,然后将水泥和45%的水进行90 s的混合.出料后由小车搬运到模具中,人工装入模具并使用振动棒振捣密实[14].

(4)混凝土浇筑完成后,先用刮刀平整,初凝前进行二次平整,然后喷灌并覆盖保鲜膜以避免水分流失[15].每日两次喷灌一周后进行拆卸.

(5)将应变件贴于加固的纵筋和箍筋上,使用TK158-75ASA应变件,并以502胶水作为黏合剂[16].强化筋的接合处是纵向钢筋的中间、横筋的中间、前跨内箍筋垂直部分的中间.应变板固定在需要粘合的地方,磨平后与接插件用502胶水连接并固化处理[17],用胶粘剂密封应变板后固定,并使用环氧树脂胶来强化.采用密封剂和环氧树脂在试验期间具有防振、抗冲击功能.

(6)为了清晰描绘裂纹,在横梁两侧刷上白灰并划线分格,每个方框大小为80 mm×40 mm,并标明横杆号码.另一侧和跨中顶面贴上应变构件,位置在横梁跨中侧和顶面、跨内竖向荷载点与承台连接处.

1.3 加载试件及数据采集

调试好加固试验梁后,进行箍筋、纵筋和混凝土应变块的连接和温度的补偿,并将仪器和电源接地.当测试工作完成后,将第一阶段的载荷预先进行处置,以检测各仪表的工作状态,在正式测试前对应变检测仪进行初始化处理,记录试验数值.在斜截面开裂之前,每个阶段荷载为10%的开裂荷载量,10 min后,当荷载达到倾斜荷载的90%时,每个阶段的荷载变为裂纹载荷的5%,保持15 min,直至出现第一个倾斜裂纹[18].混凝土梁断裂后,增大了载荷的级差,每个阶段的载荷达到了15%,在载荷超过最大负荷90%的情况下,每个阶段的载荷达到了最大载荷的5%,并将承载时间提高到15 min.

每个阶段的钢筋混凝土梁受剪性能测试结束后,试样的变形基本上趋于平稳,收集过程中的所有数据,然后进行下一阶段的加载.在载荷达到85%以上时,应采取保护措施防止仪器受损,直至试验体出现破坏,加载示意图如图2所示.

图2 试件加载示意图

在试验中,利用数据收集装置对分布范围内的两个受力元件进行荷载测量,通过3个位置进行测量,对加固钢筋混凝土和支架的变形进行记录,通过应变仪收集加固钢筋混凝土梁的受剪能力,每次加载时,都要注意在测试期间出现的声响和异常状况,并将其记录下来.记录加固钢筋混凝土梁的裂缝荷载、裂缝位置、裂缝分布和裂缝最大裂缝宽度,完成后用马克笔画出裂缝分布,并对其进行拍照记录.最后,对试验构件的破坏形式进行观测和记录.

2 结果分析

2.1 试验现象

试验过程中,分别以B-40-1无腹筋梁试件和B-40-4有腹筋梁试件为例,利用1.3的加载方案,得到两类试件的破坏类型,如图3和图4所示.

图3 B-40-1无腹筋梁试件的破坏类型

根据图3的结果可知,B-40-1无腹筋梁试件在加载过程中,随着荷载的增加,试件梁出现了受弯裂缝,继续增加荷载之后,试件梁出现了受剪斜裂缝,从而使得试件梁形成裂缝,试件被破坏.图4的结果显示,对于B-40-4有腹筋梁试件而言,随着荷载的逐渐增加,试件同样出现了斜裂缝,且裂缝周围出现了局部压碎的现象,导致试验梁破坏.

图4 B-40-4有腹筋梁试件的破坏类型

2.2 分析影响钢筋混凝土梁受剪性能的因素

为了分析影响纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能的因素,本文以无腹筋梁为试验对象,分别测试了剪跨比、配筋率对试件极限荷载和初裂荷载的影响,又以有腹筋梁为试验对象,测试了配箍率对有腹筋梁试件极限荷载的影响.

2.2.1 剪跨比对钢筋混凝土梁受剪性能的影响

对于纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁而言,当截面尺寸和配筋率相同时,剪跨比对无腹筋梁试件极限荷载和初裂荷载的影响如表3和表4所示.

表3 剪跨比对无腹筋梁试件极限荷载的影响

表4 剪跨比对无腹筋梁试件初裂荷载的影响

从表3的结果可以看出,在极限荷载测试中,随着剪跨比的增大,无腹筋梁试件的极限荷载越来越小,对于混凝土强度为C40的试件梁而言,当剪跨比从1.68增加到2.04时,试件梁的极限荷载从74 kN减小到60 kN,当剪跨比从2.04增加到2.69时,试件梁的极限荷载从60 kN减小到40 kN;对于混凝土强度为C80的试件梁而言,当剪跨比从1.68增加到2.04时,试件梁的极限荷载从58 kN减小到34 kN,减小了41.38%,当剪跨比从2.04增加到2.69时,试件梁的极限荷载从34 kN减小到25 kN,减小了26.47%.从表4的结果可以看出,初裂荷载测试中,对于混凝土强度为C40的试件梁而言,当剪跨比从1.68增加到2.04时,试件梁的初裂荷载从56 kN减小到34 kN,减小了39.29%,当剪跨比从2.04增加到2.69时,试件梁的初裂荷载从34 kN减小到22 kN,减小了35.29%;对于混凝土强度为C80的试件梁而言,当剪跨比从1.68增加到2.04时,试件梁的初裂荷载从58 kN减小到34 kN,当剪跨比从2.04增加到2.69时,试件梁的极限荷载从34 kN减小到26 kN.由此可见,试验梁的剪跨比越小,极限荷载和初裂荷载的降低趋势越明显,也就是随着剪跨比的增大,钢筋混凝土的受剪性能逐渐减小,且剪跨比越大,钢筋混凝土受剪性能的降低越显著.钢筋混凝土梁的开裂荷载随着剪跨比的增大而减小,且当剪跨比越小时,开裂荷载的减小趋势增大.

2.2.2 配筋率对钢筋混凝土梁受剪性能的影响

当试件的截面尺寸和剪跨比相同时,测试了配筋率对无腹筋梁试件极限荷载和初裂荷载的影响,结果如图5所示.

(a)配筋率对无腹筋梁试件极限荷载的影响

(b)配筋率对无腹筋梁试件初裂荷载的影响

根据图5的结果可知,随着配筋率的增大,无腹筋梁试件极限荷载呈现先下降后上升的趋势,混凝土强度C40和C80的无腹筋梁试件初裂荷载在1.25%的配筋率前变化趋势一致,呈现出上升趋势,在1.25%后呈现相反的趋势.对于混凝土强度为C40的试件梁而言,当配筋率从0.5%增加到1.25%时,试件梁的极限荷载从30 kN增加到34 kN,增加了13.33%,当配筋率从1.25%增加到2.35%时,试件梁的极限荷载从34 kN减小到31 kN,减小了8.82%,其受剪承载力逐渐增大.初裂荷载测试中,对于混凝土强度为C80的试件梁而言,当配筋率从0.5%增加到1.25%时,试件梁的初裂荷载从29 kN增加到34 kN,增加了14.71%,当配筋率从1.25%增加到2.35%时,试件梁的初裂荷载从34 kN增加到44 kN,增加了29.41%,其受剪承载力没有出现明显的变化.原因是纤维网格增强超高性能混凝土加固之后,钢筋混凝土梁的受剪弹性模量比较小,受剪承载力的损失主要体现在销栓作用下承受的剪力以及受压区高度的变化受到配筋率的影响.纵筋的销栓作用对混凝土强度为C40的试件梁影响比较明显,对于混凝土强度为C80的试件梁,其强度和弹性模量都比混凝土强度为C40的试件梁高,因此混凝土强度为C80的试件梁在受剪性能上受到配筋率的影响较小.

2.2.3 配箍率对钢筋混凝土梁受剪性能的影响

由于配箍会限制裂缝的发展,因此在有腹筋梁试件的受剪性能测试中,不考虑初裂荷载.当试件的截面尺寸、剪跨比和配筋率相同时,测试了配箍率对有腹筋梁试件极限荷载的影响,结果如图6所示.

图6 配箍率对有腹筋梁试件极限荷载的影响

图6的结果显示,随着配箍率的增加,有腹筋梁试件极限荷载也随之增大.对于混凝土强度为C40的试件梁而言,当配箍率从0.28%增大到0.64%时,有腹筋梁试件极限荷载从258 kN升高到264 kN,增加了2.33%,当配箍率从0.64%增大到1.28%时,有腹筋梁试件极限荷载从264 kN增大到289 kN,增加了9.47%.对于混凝土强度为C80的试件梁,当配箍率从0.28%增大到0.64%时,有腹筋梁试件极限荷载从330 kN增大到374 kN,增加了13.33%,当配箍率从0.64%增大到1.28%时,有腹筋梁试件极限荷载从374 kN增大到393 kN,增加了5.08%.

由此可见,当配箍率逐渐增大时,C80试件梁的极限荷载增大幅度比C40试件梁高,说明纤维网格增强超高性能混凝土加固之后,钢筋混凝土能够发挥出较强的箍筋抗剪作用,而且当配箍率较低时,箍筋在试件中表现出良好的受剪性能.

3 结束语

本文以纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁为试验对象,提出了受剪性能试验研究,结果显示,剪跨比、配筋率和配箍率都会影响钢筋混凝土梁的受剪性能.本文研究虽然能够得到影响纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能的因素,但是还存在很多需要改进的地方,在今后的研究中,希望通过数值模拟的方法,分析钢筋混凝土梁的耐久性,从而延长其使用寿命.