體外預(yù)應(yīng)力加固RC超靜定梁抗彎性能試驗研究

趙少偉，鄧 瑜，郭 蓉

（1．河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300132；2.河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

由于體外預(yù)應(yīng)力具有施工工序簡單，加固效果顯著的特點(diǎn)，其研究在國內(nèi)外都得到了廣泛的重視，并取得了重要的進(jìn)展．許多國家如德國、法國、英國、美國、日本等國家，圍繞體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)開展了大量的試驗研究工作，使體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的理論研究、施工和設(shè)計都達(dá)到了較高的水平．僅在法國，近二十年來，就己先后建成了40余座體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁[1-2]．在國內(nèi)，中國建筑科學(xué)研究院陳瑜、關(guān)建光等利用雙向張拉連續(xù)多跨折線型體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)加固浙江開氏實業(yè)有限公司的無梭織造車間的主梁，采用該技術(shù)加固的車間使用狀態(tài)良好[3]．

縱觀國內(nèi)外在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究，可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的研究集中在簡支梁方面，而對于超靜定結(jié)構(gòu)的研究很少，試驗資料及理論的欠缺使體外預(yù)應(yīng)力在超靜定結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用中受到限制．本文通過對3根鋼筋混凝土超靜定梁試驗研究，對比分析了施加體外預(yù)應(yīng)力對梁受彎性能改變，其試驗結(jié)論對于運(yùn)用體外預(yù)應(yīng)力加固超靜定梁的設(shè)計應(yīng)用提供了參考．

1 試驗設(shè)計

1.1 構(gòu)件總體設(shè)計

試驗共設(shè)計了3根超靜定梁，構(gòu)件模型如圖1，梁固端支座尺寸為××=800×300×800mm．構(gòu)件設(shè)計情況見表1．表1中JGL-1、JGL-2采用j15.24的1860級高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為體外預(yù)應(yīng)力筋．

表1 構(gòu)件設(shè)計Tab.1 Component design

1.2 細(xì)部構(gòu)造

體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)造有所不同，對體外預(yù)應(yīng)力筋的錨固及轉(zhuǎn)向塊處有特殊的要求：

1）錨固端的構(gòu)造

對于加固梁，在預(yù)應(yīng)力筋錨固處有較大的張拉力集中作用，為了防止錨固端的混凝土因局部應(yīng)力過大而開裂，在支座里預(yù)埋四片鋼筋網(wǎng)片，見圖2，以提高局部承載能力．在每個支座相應(yīng)位置處綁扎兩根直徑為20mm的鋼套管，以便預(yù)應(yīng)力筋從中穿過，并在穿筋前往套管中涂入黃油以利于潤滑．

2）轉(zhuǎn)向塊及加載點(diǎn)處的構(gòu)造

由于體外預(yù)應(yīng)力筋為折線型，在轉(zhuǎn)向塊處對混凝土梁有向上的集中荷載，為了防止混凝土局部壓碎在此處設(shè)置了尺寸200×150×10mm的鋼墊板，并將轉(zhuǎn)向塊與預(yù)應(yīng)力筋的接觸面設(shè)計成圓弧形（如圖2），以避免對鋼絞線造成損傷．

圖1 構(gòu)件模型Fig.1 Models pecimen

圖2 細(xì)部構(gòu)造Fig.2 Specimen's details

1.3 試驗方案

試件均采用液壓千斤頂加載，通過分配梁作用形成二集中力同步加載．試驗觀測方案及測點(diǎn)布置如圖3所示．

圖3 儀表布置及加載裝置Fig.3 Apparatus and loading equipment

2 試驗結(jié)果分析

2.1 承載力、撓度分析

3根梁極限承載力見表2．采用體外預(yù)應(yīng)力加固后的兩根梁承載能力有大幅度提高，卸載后加固的梁JGL-2與不卸載加固的梁JGL-1相比極限承載力提高比例相差13.6%，原因是卸載后加固梁JGL-2內(nèi)普通鋼筋的作用得到了充分發(fā)揮．

3根梁的荷載—撓度曲線見圖4，從圖中可以看出，體外預(yù)應(yīng)力加固后，JGL-1、JGL-2在同樣荷載作用下，其撓度均小于DBL的撓度，可見，體外預(yù)應(yīng)力加固可有效減小梁在荷載作用下的變形，提高了梁體的剛度．卸載后加固對構(gòu)件加固后二次受力時的撓度有較大的影響，JGL-2從加固后到受拉鋼筋屈服前，在相同荷載作用下，其撓度一直小于JGL-1，這主要是因為JGL-2卸荷后進(jìn)行加固，體外預(yù)應(yīng)力筋在其剛開始受力時就對裂縫開展、撓度變形發(fā)揮作用，而對于持荷加固的JGL-1，體外預(yù)應(yīng)力筋的作用發(fā)揮較晚，因而對使用階段受力性能的改善程度低于卸載后加固梁JGL-2．

2.2 開裂荷載、裂縫分析

張拉體外預(yù)應(yīng)力筋后，原有裂縫閉合，再次施加荷載，觀察梁體跨中、端部裂縫出現(xiàn)情況．試驗測得各梁的開裂荷載如表3所示．

由試驗梁裂縫開展情況的觀測結(jié)果可以看出，體外預(yù)應(yīng)力加固后，各截面的開裂荷載均大于未加固梁，說明體外預(yù)應(yīng)力能提高構(gòu)件的開裂荷載．體外預(yù)應(yīng)力對梁裂縫的開展有明顯抑制作用，它可以推遲裂縫的出現(xiàn)，使裂縫發(fā)展緩慢，裂縫間距變小；JGL-1加載至33.2 kN時裂縫寬度達(dá)到0.6 mm，而JGL-2在相同荷載作用下裂縫寬度為0.4mm，JGL-1破壞時裂縫寬度已經(jīng)超過1.85mm，JGL-2的裂縫寬度為1.6 mm，說明采用體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件前對構(gòu)件進(jìn)行卸載比未卸載構(gòu)件能更好地推遲裂縫的出現(xiàn)，并減小裂縫的寬度．

表2 試件極限承載力Tab.2 Specimens' peak load

表3 截面開裂荷載Tab.3 Section cracked loading

2.3 應(yīng)變分析

2.3.1 跨中與梁端的鋼筋應(yīng)變

從圖5、圖6、圖7的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線中可以看出，3根試驗梁在混凝土開裂前均呈線性關(guān)系，試驗梁 JGL-1在梁端鋼筋達(dá)到屈服時進(jìn)行加固，JGL-2當(dāng)梁端鋼筋達(dá)到屈服將豎向荷載卸為零后進(jìn)行加固，從圖6、圖7的曲線中能看出，施加體外預(yù)應(yīng)力使兩根梁的鋼筋應(yīng)變均有較大程度的回縮．預(yù)應(yīng)力的施加相當(dāng)于對試驗梁進(jìn)行了卸荷，抵消了JGL-1的部分荷載，對JGL-2相當(dāng)于施加了反向的彎矩，JGL-2鋼筋的應(yīng)變由正值變成負(fù)值．

從圖中看出，梁加固完成初期，梁端鋼筋的應(yīng)變的回縮量大于跨中鋼筋，這是因為試驗梁在加固前梁端彎矩較大，預(yù)應(yīng)力加固產(chǎn)生的內(nèi)力方向與原受力方向相反．隨著使用荷載的增加，由于梁端受到的彎矩大于跨中，梁端鋼筋屈服，然后跨中鋼筋屈服直至試驗梁破壞．

2.3.2 荷載—鋼筋、鋼絞線應(yīng)變

圖8、圖9為跨中截面荷載—鋼筋、鋼絞線應(yīng)變曲線，從圖中可看出，在體外預(yù)應(yīng)力張拉期間，豎向荷載保持不變，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力一直在增長直至張拉完畢，JGL-1、JGL-2均張拉至150kN，JGL-1、JGL-2的鋼絞線應(yīng)變分別增長至4 371、4 224．

預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后進(jìn)行豎向加載，應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)顯示，JGL-1、JGL-2預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變一直沒有增加反而有所減小，這是因為試驗梁在體外預(yù)應(yīng)力加固后立即進(jìn)行豎向荷載試驗，預(yù)應(yīng)力筋存在一定的預(yù)應(yīng)力損失．繼續(xù)加載，待預(yù)應(yīng)力損失完畢，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變開始增加，在豎向荷載加載初期，預(yù)應(yīng)力筋增量較小，呈線性增長，原裂縫重新開裂以后，曲線斜率變小，應(yīng)力增量幅度有所增加，當(dāng)荷載加至鋼筋屈服時，對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋的荷載—應(yīng)變曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，鋼筋所承擔(dān)的應(yīng)力增加很少，外荷載引起的截面拉力增加主要由體外預(yù)應(yīng)力筋來承擔(dān)，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變迅速增加，曲線的斜率明顯變?。R近破壞時，應(yīng)變達(dá)到最大值，此時JGL-1、JGL-2的鋼絞線應(yīng)變分別為4 974、5 910．

對于JGL-1、JGL-2，在未加固前，原鋼筋混凝土梁都存在著一定的初始撓度和損傷，鋼筋和混凝土已經(jīng)存在著初始的應(yīng)變，在采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固后，雖然在一定程度上減少了構(gòu)件撓度和鋼筋的應(yīng)變，對于構(gòu)件撓度和鋼筋應(yīng)變的減小程度JGL-2是大于JGL-1的，從鋼絞線的應(yīng)變來看，JGL-2的鋼絞線是先于JGL-1發(fā)揮作用的．

圖4 梁跨中荷載-撓度曲線Fig.4 Mid-span load-deflection curves

圖5 DBL鋼筋荷載—應(yīng)變曲線Fig.5 DBL's steel bar load-strain curves

圖6 JGL-1鋼筋荷載—應(yīng)變曲線Fig.6 JGL-1's steel bar Load-strain curves

圖7 JGL-2鋼筋荷載—應(yīng)力曲線Fig.7 JGL-2's steel bar load-strain curves

與圖4的荷載—撓度相比較可看出，體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變增量與梁體的變形有直接的關(guān)系，梁的撓度增加越快，體外預(yù)應(yīng)力筋的增量也就越快．原梁鋼筋屈服后，鋼絞線的作用進(jìn)一步發(fā)揮，預(yù)應(yīng)力筋在加固后構(gòu)件中承擔(dān)著重要的作用．

從表4可知，達(dá)到極限承載力時，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力比有效應(yīng)力分別增加了45.2%、49.6%，這是體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土極限承載力能夠大幅度提高的原因，加固前構(gòu)件是否卸載對預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量的影響不是很大．

表4 體外預(yù)應(yīng)力筋試驗結(jié)果Tab.4 External prestressed tendon test results

圖8 JGL-1鋼筋、鋼絞線應(yīng)變曲線Fig.8 JGL-1 steel bar and Strand stress curves

圖9 JGL-2鋼筋、鋼絞線應(yīng)變曲線Fig.9 JGL-2 steel bar and Strand stress curves

3 結(jié)論

1）體外預(yù)應(yīng)力加固梁可以顯著減小梁的跨中撓度并提高構(gòu)件的開裂荷載，減小裂縫寬度，比普通梁極限承載力提高了近兩倍，受彎承載力極限狀態(tài)時，非預(yù)應(yīng)筋已經(jīng)屈服，此時預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力僅達(dá)到其強(qiáng)度的一半，且加固梁有較好的變形能力；

2）JGL-1、JGL-2均是先在一梁端出現(xiàn)塑性鉸，隨后另一梁端也出鉸，然后由梁端向跨中調(diào)幅，最后破壞是由于跨中截面達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，發(fā)生了完全的塑性內(nèi)力重分布；

3）采用體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件前是否卸荷對構(gòu)件加固后的二次受力性能有較大的影響，進(jìn)行卸載的構(gòu)件比未卸載的構(gòu)件加固后的二次受力性能改善的更好；

4）由于試驗條件所限不能同時張拉試件中的兩根預(yù)應(yīng)力筋，試驗中采取先張拉一根力筋并錨固后，再張拉另一根的方式，這種方式會引起部分的預(yù)應(yīng)力損失，同時可能由于張拉時存在的扭矩，可能對試驗結(jié)果有一定的影響，但這種影響對本文所從事的研究影響不大．

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