界面粗糙度及加固层长度对加固梁的力学性能影响

杨志刚，史承功，李晓霞

(1.山东理工大学 建筑工程与空间信息学院，山东 淄博 255049；2.济南四建(集团)有限责任公司，山东 济南 250031；3.淄博职业学院 人工智能与大数据学院，山东 淄博 255314)

目前中国房屋建筑的平均寿命约为30年左右,20世纪80年代之前建造的房屋已经接近其使用寿命,且当时在设计时未考虑抗震设防或者考虑的抗震设防烈度过低,不满足现行的抗震规范的要求,在抗震安全方面存在隐患。另外,目前有些房屋使用维护不当,受各种偶然破坏因素的影响,使其结构存在安全隐患,近些年频发的房屋倒塌事故也验证了这一点。若为了保证人民生命财产的安全全部拆除此类房屋,对社会将是极大的浪费。在国家倡导建设节约型社会的大背景下,唯一经济有效的方法是对其进行加固改造。从目前建设行业的大环境来看,中国建筑行业的发展也开始逐步由大量新建转变为维修与加固改造为主的新态势,所以建筑结构改造和加固技术的研究已成为工程领域的研究热点[1]。

现阶段混凝土结构的加固方法已经比较成熟,常见的有增大截面法、外包法型钢、粘钢法、预应力加固法、粘贴碳纤维布等,其中增大截面法是一种传统的湿作业方法,因其经济、高效、便于取材等优点而被广泛使用。在现行设计规范中,为方便计算,通常把加固后的混凝土构件视为一整体,按照平面假设进行设计[2-3];但实际上,浇注加固层后的构件并非一个整体,由于新旧混凝土接触面的黏结力难以达到整体浇筑的效果,构件在弯曲受力时存在滑移现象。

已有文献对加大截面法进行研究,但大多集中在刚度和承载力提高方面,如李祖辉等[4]对三种不同结合面处理对加固梁的力学性能进行了研究,提出结合面粘贴钢丝网可以改善梁的受力性能, 提高梁的承载力。马云龙等[5]通过对叠合梁弯曲试验,验证了新旧混凝土界面处采用插筋方式对梁的承载力有较大提高。接触面滑移数值的大小对加固构件的承载能力和新旧混凝土接触面的结合能力的影响至关重要,但已有研究对新旧混凝土结合面滑移方面的研究相对较少。文献[6]曾研究了预制梁上浇筑现浇板受力时的界面滑移现象,但结论不明确,且不属于构件加固范畴。文献[7]对从不同的设计角度对其接触面的滑移值做了规定,如加固构件在正常使用极限状态时,其滑移值不超过0.7 mm,而在极限承载能力状态时的滑移值不超过2.0 mm。

本研究主要通过试验研究钢筋混凝土梁加大截面加固后的力学性能,主要研究新旧混凝土接触面的处理情况(粗糙度)和加固层长度对其界面滑移、梁变形及承载力的影响。为充分研究接触面的滑移状况,试件制作中未考虑新旧混凝土界面的植筋,试验的结果亦同整体浇筑的梁的试验结果进行了对比分析。

1 试验概况

本试验共制作了7根钢筋混凝土矩形梁,如图1所示。原梁混凝土强度等级为C30。为方便加固层混凝土浇筑,加固层采用C35无收缩灌浆料,梁纵筋为HRB335级,箍筋为HPB300级,其中1根梁做为未加固原梁,矩形截面尺寸为200 mm×300 mm,跨度为2 000 mm, 其配筋为底部受拉区2φ14,上部受压区为2φ10架立筋。纵筋均通常布置,端部加90度弯钩锚固,梁保护层厚度为25 mm。为防止试验中梁出现剪切破坏,箍筋按2φ8@100均匀布置,此梁作为控制梁记为B0。

(a)试件B0

(b) 试件B1、B2

(c)试件Bst1、Bst2、Bst4

(d)试件Bst3图1 试件尺寸及配筋

另有4根为加固钢筋混凝土梁,未加固之前的梁的尺寸、配筋均同B0, 加固方法为在梁底部受拉区浇筑50 mm厚混凝土层,加固层内配置2φ14纵向钢筋,保护层20 mm,且未配置横向箍筋和插筋,新旧混凝土接触面内未有钢筋通过。4根加固梁在浇筑混凝土加固层之前,梁底面均需要凿毛处理,施工中一般采用电锤凿毛。由于试验梁截面较小,为避免振动引起梁内微裂缝,试验中采用人工轻凿对梁底进行粗糙化处理。一般将凿毛平均深度4～7 mm视为理想糙面,平均深度1～3 mm为不理想糙面[8]。4根加固梁的区别主要在于新旧混凝土接触面的处理不同,其中Bst1和Bst2分别为理想粗糙面和不理想粗糙面,加固层均沿原梁底通常布置,Bst3为理想粗糙面,但加固层未伸至支座,距离梁端200 mm,Bst4与Bst1基本条件相同,但梁底增加了切槽,沿梁底用切割机切出宽30 mm深20 mm长度同梁宽的槽,槽沿梁长间距为300 mm,操作时应避开箍筋位置,且避免切断纵筋。

剩余2根梁B1、B2为长2 000 mm,截面尺寸200 mm×350 mm的一次性整浇梁,梁上部受压区纵筋位置及数量同B0,下部钢筋为4φ14。整体梁的详细数据见表1,加固梁的详细数据见表2。

表1 整体梁数据

表2 加固梁数据

2 试验过程

6根试验梁均采用四点弯曲梁模式在压力试验机上完成试验,采用位移控制模式加载,加载速度为按0.01 mm/s,试验中主要测量了各个试验构件的荷载、变形及界面滑移三个参数。采用数显百分尺测量加固层面的界面滑移量,测点的布置位置见图2—图4。每根加固梁安装6个测量装置,测量位置基本对称,在每个测量点的加固层和原梁层对应位置分别用结构胶粘贴测钢板,两测试钢板的水平间距在满足测量条件下宜尽量接近,避免由于百分尺的扭转而产生测量误差,另外试验中未考虑由于混凝土的收缩和徐变引起的滑移。

图2 Bst1、Bst2滑移---测点布置图

图3 Bst3滑移测点布置图

图4 Bst4滑移测点布置图

3 界面滑移测试结果

每根加固梁的荷载-滑移量关系曲线如图5—图7所示。

图6 Bst2荷载-滑移量曲线

图7 Bst3荷载-滑移量曲线

图8 Bst4荷载-滑移量曲线

从加固梁的荷载-滑移曲线可以得到如下结论：

1)随着荷载增加,新旧混凝土接触面均出现滑移现象,但滑移量差别较大。沿梁底全长加固的滑移量小于非全长加固梁, 理想粗糙面的滑移量小于非理想粗糙面。理想粗糙面且经切槽处理后梁的滑移量最小,非理想粗糙面的滑移量最大。

2)非理想粗糙面梁的较大滑移量会引起界面出现明显裂缝,显著降低其承载力。非全长加固梁虽然也出现较大滑移量,但承载力较非理想粗糙面梁有所提高,说明粗糙面较对滑移变形和加固承载力有明显影响,加固层长度影响次之。

3)尽管试件制作时的截面尺寸、配筋、加载方式都是左右对称,但是测出的滑移量值却非对称,其中Bst2和Bst3更为明显。究其原因应该是由于试件在制作、养护中产生的微裂缝非对称分布引起的,而微裂缝对于测点的滑移值影响较大[9],相应地对接触面剪应力的影响也比较大。如图9所示,微裂缝在弯曲拉应力作用下逐渐发展,开口处出现应力集中,此处新旧混凝土结合面逐渐剥离,丧失的界面剪应力逐渐转移到周边区域,剪应力增大直至许用剪应力后发生更多剥离破坏,直至加固层全部失效。控制微裂缝的发展是实际工程施工中较难保证的,尤其是在受拉区增加混凝土加固层,微裂缝在拉力作用下更加敏感。

4)从图9也可以看出,在梁底切槽后能减小界面滑移,说明切槽对微裂缝的开展有一定的抑制作用,但影响程度较小,其原因是通过切槽将界面剪应力传递方式转化为槽内混凝土的局部挤压应力,减轻了局部剥离破坏引起的加固失效。

5)按照文献[7]的建议,加固梁的极限承载能力状态下的截面滑移量为2 mm,而Bst2、Bst3在试验中的滑移量均超过了2 mm,可以认为这两根梁均超过了其承载能力的极限状态,已经发生破坏。

6)比较四个加固构件的荷载-滑移曲线可以看出,试件Bst2、Bst3左右两侧的滑移数值明显差别较大,试件出现的破坏主要是加固层与原结构的竖向剥离破坏,当剥离破坏出现时,在图形上出现了明显的突变。试验中发现Bst3的整个加固界面发生了完全的剥离破坏,加固层剥离以后的试件承载能力与未加固梁的试验结果几乎一致。Bst2的加固界面剥离破坏主要集中在了右半部分,其承载力较未加固梁仍有一定程度的提高。Bst1试验中的最大界面滑移量为1.25 mm,未出现明显的剥离破坏,试件的整体加固效果明显。Bst4试验中的最大界面滑移量为0.70 mm,加固承载力较Bst1有所提高,但提高幅度不大。

关于试验的最大荷载值与对应的滑移值,滑移值为0.7、2.0 mm时对应的荷载值详见表3。

0.7、2.0 mm分别代表构件的正常使用极限状态和承载能力极限状态的最大滑移限值,从表3可以看到,在正常使用极限状态下,Bst3的承载力能达到Bst2承载力的1.7倍,同样发现在达到此种状态时Bst1、Bst4能达到Bst3的1.9倍。在验证承载能力极限状态时, 只有Bst2和Bst3超过了滑移值2.0 mm,

表3 试验荷载与滑移值

加固行为失效。如果不考虑极限状态的分类,四根加固梁的加载趋势基本一致,出现差别的主要原因在于其加固界面处理方式的不同,Bst1、Bst4由于界面处理良好,加载时的力学性能与相同截面的整浇梁的性能类似,Bst2由于界面处理较差,属于非理想粗糙面,其加载时的力学性能明显较差,有时会甚至低于Bst3的试验结果。

4 荷载-挠度试验结果分析

试验中还对试件的荷载与跨中挠度关系进行了比较分析。4根加固梁与1根原梁的荷载-挠度关系曲线见图10。图11表示的是4根加固梁与2根整体浇筑梁的荷载-挠度关系曲线。

图10 荷载-挠度曲线图(加固梁与原梁)

图11 荷载-挠度曲线图(加固梁与整浇梁)

从图10可以看出,加固梁的承载力较原梁均有提高,其中界面处理良好且全长加固的Bst1、Bst4承载力最高。Bst3尽管界面处理理想,但是加固层未延伸至支座,其前期变形与Bst1相似。荷载达到75 kN以后,出现两段明显的平台,实验中也发现该梁共发生了两次明显的剥离破坏,一方面说明加固层未全长布置降低了梁的加固承载力,另一方面也说明理想的界面处理能延缓梁的破坏进程,提高梁的延性。因此,可以得到如下结论：在受拉区进行加大截面高度改造时,应尽量沿梁全长布置,或者在加固层端部采取可靠的锚固措施。Bst1、Bst2、Bst4尽管端部没有采取额外的锚固措施,但是加固层都延伸至了支座,支座反力加大了端部的界面摩擦力,相应的界面滑移值较小。

Bst2虽然加固层延伸至全梁长,但接触面粗糙度处理不理想,其承载力与未加固原梁B0相同,说明基本没有加固效果,也再次证明了加固截面法施工时,新旧混凝土接触面粗糙度处理的重要性。另外,从图10可以看出,加固梁Bst2、Bst3的荷载-挠度曲线均有突变的情形,表现为荷载急剧降低,主要原因是界面层的滑移超过了极限值而发生了剥离破坏,加固层突然失效而造成的。

从图11可以看出,Bst1、Bst4由于良好的处理界面和沿全长的加固长度,其整体的强度和刚度与整体浇筑的相同截面和配筋的梁B1、B2几乎相同,但加固梁的延性却有一定的降低。在相同荷载作用下,Bst4的变形略小于Bst1,说明新旧混凝土界面的切槽能提高梁的刚度,减小界面滑移,但对强度影响不大。Bst2和Bst3前期的刚度与整浇梁相同,但界面发生剥离破坏后,其强度却远低于整浇梁。

5 结论

本论文主要对加大截面法加固混凝土梁后的新旧混凝土界面力学性能进行了试验研究,试验中考虑了接触面的粗糙度、加固层的延伸长度两方面的影响,并与原梁及整浇梁的试验结果进行了对比,得到结论如下：

1)从试验结果可以看出,加大截面法是一种能有效提高梁的强度和刚度的加固方法,理想的界面处理及加固层全长布置的加固效果等同于整浇梁,但梁的延性降低。

2)在梁受拉侧增加截面高度时,增加新旧混凝土接触面的粗糙度以及加固层应沿梁全长布置能明显影响加固效果,其中接触面的良好处理是提高梁加固承载力的最重要因素,未经处理的光滑接触面几乎没有加固效果。接触面虽经理想粗糙化处理,但加固层锚固长度不足时,承载力只能达到预计的60%左右。

3)界面滑移试验现象证明,滑移量分别等于0.7 mm、2.0 mm时可以作为加固梁正常使用和承载力极限状态的参考数据。

4)尤其要注意,当加固层未沿梁全长布置或端部锚固装置设置不足时,加固层极易发生整体剥离,完全丧失加固效果。试验中发现,支座处的滑移值基本为零,由于界面微裂缝存在的偶然性,尽管试验条件对称布置,但界面滑移值为非对称分布,说明由于混凝土收缩、徐变等因素引起的微裂缝对新旧混凝土的界面力学性能有一定的影响,可以作为以后的研究方向。

5)当新旧混凝土接触面的粗糙度处理不理想及加固层长度未延伸至梁支座时,尽管加载初期加固梁刚度与整浇梁相同,但在后期发生界面剥离破坏时,梁刚度会突然降低,挠度急剧增加,正常使用环境中容易出现安全风险。