PVA-ECC加固RC足尺梁二次受力試驗研究*

卜良桃,陳 軍,魯 晨

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

PVA-ECC加固RC足尺梁二次受力試驗研究*

卜良桃?,陳 軍,魯 晨

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

對7根足尺聚乙烯醇纖維水泥(PVA-ECC)加固的鋼筋混凝土梁進行了正截面抗彎二次受力的試驗研究,通過與另1根同配置未加固鋼筋混凝土梁的試驗結(jié)果的對比,研究了加固梁一次受力幅度及梁側(cè)面縱筋加固高度對抗彎承載力和變形能力的影響.試驗采用三面U型加固形式,量測試驗梁裂縫分布形態(tài)、荷載-撓度曲線、鋼筋和混凝土應(yīng)變發(fā)展規(guī)律.試驗結(jié)果表明:PVA-ECC鋼筋網(wǎng)薄層加固是一種有效的加固方法,能夠顯著地提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載力、截面剛度以及抗裂性能;當(dāng)梁側(cè)縱筋加固高度為原梁高一半時,其受力性能與沿原梁全截面高加固時的受力性能相近,故大大節(jié)省了鋼材的消耗.

加固;聚乙烯醇纖維水泥;鋼筋混凝土梁;二次受力;加固高度

近年來,復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固混凝土構(gòu)件的技術(shù)在國內(nèi)外有了較大的發(fā)展,但對同樣具有較好的物理力學(xué)性能而且價格較低的聚乙烯醇纖維水泥(PVA-ECC)在加固混凝土構(gòu)件上的應(yīng)用在國內(nèi)外還缺乏系統(tǒng)的試驗研究.聚乙烯醇纖維水泥是一種理想的無機復(fù)合加固材料,秉承了其他眾多加固方法的優(yōu)點,同時又發(fā)揮了其優(yōu)良的材料特性,具有其他加固方法所不具有的很多優(yōu)勢[1].本文對7根足尺PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固的鋼筋混凝土梁進行了正截面抗彎二次受力的試驗研究,分析了不同一次受力幅度(即一次受力荷載與對比梁屈服荷載之比)、不同梁側(cè)面縱筋加固高度對二次受力試驗梁承載力的影響,推導(dǎo)出了其極限抗彎承載力的計算公式.根據(jù)試驗結(jié)果找出了一個較為經(jīng)濟合理的梁側(cè)面縱筋加固高度.作為纖維水泥鋼筋網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁系列研究的一部分,本文很好地提供了PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁的試驗依據(jù).

1 PVA-ECC配合比試驗及結(jié)果

1.1原材料選擇

①水泥:選用湖南韶峰水泥集團有限公司生產(chǎn)的“韶峰牌”強度等級為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥;②砂:采用中砂,細度模數(shù)為2.3～2.6;③水:自來水;④聚乙烯醇纖維:在本次配合比試驗中,所采用的聚乙烯醇纖維規(guī)格為φ0.02mm×8mm,抗拉強度為1 400 MPa;⑤外加劑ZM:自流密實、無收縮混凝土外加劑,由湖南固力工程新材料公司提供.

1.2 試驗過程及結(jié)果

基體水泥砂漿的配合比是影響聚乙烯醇纖維水泥強度的主要因素.因此,在本次配合比試驗中,聚乙烯醇纖維摻量不變,為試件體積的2%,以聚乙烯醇纖維水泥砂漿的抗壓強度作為主要研究指標(biāo),考察的主要因素有:①砂灰比;②水灰比.選用不同組合配合比的聚乙烯醇纖維水泥砂漿進行抗壓強度試驗,具體配合比參數(shù)及14 d抗壓強度試驗結(jié)果見表1.

2 試驗方案

2.1 試驗梁設(shè)計

本次試驗共3組8根足尺試驗梁,A組為不加固的試驗對比梁1根,梁編號為A;B組為改變一次受力幅度的二次受力加固梁,編號為BV 1,BV 2, BV 3及BV 4;C組為改變梁側(cè)面縱筋加固高度的二次受力加固梁,編號為BV 5,BV 6及BV 7,同時B組梁BV 3參與數(shù)據(jù)對比;所有梁均依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求設(shè)計,試驗梁的截面設(shè)計尺寸如圖1所示,基本參數(shù)見表2.試驗梁混凝土強度為C25,縱向加固鋼筋均為熱軋鋼筋HRB400.加固梁采用三面U型加固形式,新老界面采取涂抹界面黏結(jié)劑和植剪切銷釘?shù)却胧?具體施工工藝可以參閱其他相關(guān)文獻[2].鋼筋網(wǎng)為一層,網(wǎng)格縱橫間距在梁底和梁兩側(cè)中軸以下為6@50×50,梁側(cè)中軸以上為6@ 100×100,鋼筋網(wǎng)為綁扎及點焊.原混凝土構(gòu)件保護層厚度 25 mm,加固梁加固層厚度 25 mm;PVAECC配比采用配合比試驗中第2組的配合比,即水泥∶水∶砂∶外加劑(質(zhì)量比)為1∶0.4∶0.7∶0.18,纖維體積分數(shù)為2%.

表1 聚乙烯醇纖維水泥砂漿的抗壓強度試驗結(jié)果Tab.1 Compressive strength test resu lts of PVA-ECC

2.2 加載方案與測試內(nèi)容

試驗采用重物吊籃分級加載,加載裝置為杠桿,杠桿放大系數(shù)為5.2倍,試驗裝置見圖2.試驗時,在吊籃中放入加載重物,通過分配梁將荷載分配給試驗梁,試驗梁實際承受荷載包括分配梁、杠桿和吊籃裝置的自重.試驗分級加載,對比梁分級加載到梁屈服(縱筋屈服)直至破壞;對于二次受力的加固梁,先將原梁按表2的要求加載到對比梁鋼筋屈服荷載的一定比例后,在不卸載的情況下進行加固處理,養(yǎng)護后再進行二次加載到梁屈服直至破壞.

試驗量測每級加載時的梁跨中最大撓度和集中力作用點處的撓度;量測不同部位縱筋、混凝土和部分鋼筋網(wǎng)鋼筋的應(yīng)變值;使用裂縫刻度放大鏡觀測梁裂縫出現(xiàn)部位、發(fā)展過程、最終分布情況,并記錄裂縫發(fā)展過程中關(guān)鍵部位(跨中、支座、受力點)的最大裂縫寬度和對應(yīng)的加載荷載.B組試驗梁側(cè)面加固縱筋應(yīng)變片布置見圖3.

圖1 試驗梁詳圖Fig.1 Details of test-beams

表2 試驗梁參數(shù)Tab.2 Parameters of test-beams

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test device

圖3 B組試驗梁側(cè)面加固縱筋應(yīng)變片編號圖Fig.3 The number of strain-sheet at the side of RC beam

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

所有試驗梁均加載到破壞極限狀態(tài),屈服荷載和極限荷載比較見表3.由表3可知,加固梁的鋼筋屈服荷載和極限荷載均有不同程度的提高:B組試驗梁屈服荷載提高幅度最大為87%,最小為48%;極限荷載提高幅度最大為94%,最小為87%.C組試驗梁屈服荷載提高幅度最大為57%,最小為39%;極限荷載提高幅度最大為89%,最小為64%.

3.2 試驗現(xiàn)象

對比梁的破壞形態(tài)為典型的適筋梁破壞形態(tài).第一條裂縫出現(xiàn)在跨中附近,裂縫寬度很小.隨著荷載的增大,裂縫逐漸增多,跨中縱向鋼筋屈服前,裂縫的最大寬度小于0.1mm,荷載-撓度曲線近似一段直線.縱向鋼筋屈服后,裂縫的長度和寬度變化明顯,同時撓度的增量也有突變,在裂縫寬度達到1.5mm時,跨中撓度大于17mm,最后構(gòu)件因受壓區(qū)混凝土壓碎而破壞.

表3 試驗結(jié)果的比較Tab.3 Comparison of test resu lts

對于二次受力試驗梁,原梁經(jīng)一次受力加載后,原混凝土表面的最大裂縫寬度一般小于0.15 mm,跨中撓度小于10 mm.加固養(yǎng)護后繼續(xù)加載,在縱向鋼筋屈服前,相同荷載增量條件下?lián)隙仍黾拥姆纫^對比梁的小;聚乙烯醇纖維砂漿出現(xiàn)少量新裂縫,最大裂縫寬度一般小于0.1 mm.原縱向鋼筋較鋼筋網(wǎng)先達到屈服,原鋼筋屈服后,加固梁的荷載-撓度曲線的斜率仍然較大,說明加固梁仍處于穩(wěn)定階段,可以繼續(xù)承受荷載.在荷載的繼續(xù)作用下,梁底加固縱筋接著發(fā)生屈服,隨后梁側(cè)部分加固縱筋由梁底向上依次屈服,此時跨中撓度均超過15 mm,聚乙烯醇纖維砂漿表面出現(xiàn)大量新裂縫,且原有裂縫明顯向上延伸,大約延伸至3/4梁高的位置.當(dāng)加載至加固梁破壞時,受壓區(qū)的水平裂縫快速增多,豎向裂縫快速向上伸展,兩者交匯后在跨中受壓區(qū)形成一個三角形的破壞區(qū),受壓區(qū)混凝土和復(fù)合砂漿被壓碎,其破壞形態(tài)近似于普通鋼筋混凝土適筋梁,如圖4所示.在加固過程中,采用了涂抹界面劑和植剪切銷釘?shù)却胧?所有加固梁從加載開始到破壞,纖維水泥和原混凝土界面處未出現(xiàn)裂縫,梁未出現(xiàn)剝離破壞[3],說明纖維水泥與原構(gòu)件的黏結(jié)性能以及銷釘?shù)腻^固性能良好,上述措施可以有效地避免RC加固梁發(fā)生界面黏結(jié)破壞和剪切破壞.

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failuremodes of beam

3.3 撓度分析

對比梁在試驗加載過程中出現(xiàn)較明顯的3個階段:從加載開始到出現(xiàn)裂縫、從開裂到鋼筋屈服、從鋼筋屈服到破壞.這3個階段的荷載-撓度曲線呈現(xiàn)不同的斜率,開裂前梁的剛度最大,斜率最大;開裂后梁的受壓截面變小,剛度下降,反映在荷載-撓度曲線上的就是斜率減小;鋼筋屈服后的荷載-撓度曲線的斜率很小,且近似一條直線延伸直至梁破壞.

二次受力試驗梁的一次加載階段撓度-荷載曲線與對比梁相似,加固后二次受力的撓度發(fā)展與對比梁不同.荷載-跨中撓度曲線見圖5,由圖5可知,在加固點處,梁荷載-撓度曲線斜率明顯增大,即加固措施能有效提高梁的截面剛度.在荷載繼續(xù)增加的過程中,梁的撓度緩慢增加,曲線發(fā)展到最后階段沒有明顯的突變.表現(xiàn)為原梁底縱向鋼筋先屈服,然后梁底加固鋼筋達到屈服,最后梁側(cè)部分縱向加固鋼筋依次屈服.這是因為受力鋼筋分階段屈服,使得加固梁屈服階段不明顯,從而表現(xiàn)出良好的延性.本次試驗中由于有側(cè)面鋼筋的影響,構(gòu)件的撓度隨荷載的增大速度比對比梁的慢,在梁底鋼筋屈服后,加固梁仍將處于穩(wěn)定狀態(tài),可以繼續(xù)承受荷載作用.縱向加固鋼筋一步步達到屈服狀態(tài),試驗梁的荷載-撓度曲線的斜率慢慢趨向于零,說明加固后梁的延性有明顯提高.由圖5(a)可知,在荷載相同的情況下, BV 4撓度最大,BV 1撓度最小,即加固后梁表現(xiàn)出的截面剛度為BV 1＞BV 2＞BV 3＞BV 4,試驗表明,一次受力不同幅度對加固梁二次受力剛度有一定影響,隨著一次受力程度的提高,加固梁的截面剛度逐漸減小,但減小幅度不大.由圖5(b)可知,在荷載相同的情況下,BV 3,BV 5的撓度相差非常小,而BV 7撓度明顯較大,說明BV 3,BV 5的梁截面剛度大小相近且明顯大于BV 7的梁截面剛度.

圖5 荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve

3.4 鋼筋應(yīng)變分析

試驗梁原梁縱筋荷載-應(yīng)變曲線如圖6(a)及圖6(b)所示,在屈服以前原梁縱筋荷載-應(yīng)變大致成線性關(guān)系.二次受力試驗梁加固前一次受力縱筋應(yīng)變與對比梁A縱筋應(yīng)變一致,加固后二次受力時,原梁縱筋在加固砂漿開裂后才發(fā)揮作用,梁底加固縱筋應(yīng)變也有增加,所以二次受力階段原梁縱筋荷載-應(yīng)變曲線的斜率較對比梁A有增大的趨勢.由圖6 (a)可知,加固梁的屈服荷載隨著一次受力幅度的不同而不同,一次受力幅度越高,屈服荷載的提高幅度就越低,所以BV 1屈服荷載相對較高,BV 4屈服荷載相對較低;由圖6(b)可知,梁側(cè)面縱向鋼筋的加固高度對試驗梁的屈服荷載有一定影響,隨著梁側(cè)面縱向鋼筋加固高度的降低,屈服荷載有下降的趨勢,但當(dāng)梁側(cè)縱向鋼筋加固高度為0.5h(h為原梁高)時,屈服荷載與沿全截面高度加固時比較相近;當(dāng)梁側(cè)縱向鋼筋加固高度為0.25h(h為原梁高)及以下時,屈服荷載比沿全截面高度加固時下降明顯,所以BV 3屈服荷載相對較高,BV 7屈服荷載相對較低.

B組試驗梁梁底加固縱筋荷載-應(yīng)變曲線見圖6 (c),由于應(yīng)力滯后,當(dāng)梁底加固縱筋應(yīng)變?yōu)?時,荷載已經(jīng)達到了一定的數(shù)值.但是,達到屈服階段以后,BV 1、BV 2、BV 3、BV 4 的梁底加固縱筋荷載-應(yīng)變曲線在一個比較接近的荷載值作用下趨于平緩,即該組二次受力試驗梁的極限承載力相差不大.因此,一次受力幅度的不同對加固梁極限承載力影響不十分明顯.C組試驗梁梁底加固縱筋荷載-應(yīng)變曲線如圖6(d),由于不同高度的梁側(cè)加固縱筋對試驗梁的屈服荷載及極限荷載有不同程度的影響,該組試驗梁中BV 3與 BV 7的差異非常明顯,BV 7與BV 3相比,屈服荷載及極限荷載均下降很明顯.由表3知,在梁側(cè)面縱筋加固高度在0.5h以上時,梁側(cè)加固縱筋對試驗梁受力性能影響不大;在0.5h以下時,對試驗梁受力性能影響較大,且高度越小,影響越大.

二次受力時,梁底加固縱筋應(yīng)變剛開始滯后于原梁縱筋應(yīng)變,并保持滯后狀態(tài)直到原梁縱筋屈服.原梁縱筋屈服后,荷載-應(yīng)變曲線斜率減小明顯,每增加一級荷載后應(yīng)變增加較大.但是加固梁并沒有很快失去承載力,因為梁底及部分梁側(cè)加固縱筋正在發(fā)揮作用,加固梁承載力仍有一定的增長空間.

B組試驗梁梁側(cè)加固縱筋荷載-應(yīng)變曲線分別見圖7.加固梁側(cè)面鋼筋應(yīng)變片布置見圖3.試驗測得不同位置鋼筋的應(yīng)變值相差懸殊,靠近梁底面的鋼筋受拉應(yīng)力作用,靠近梁頂面的受壓應(yīng)力作用. 0.5h高處的梁側(cè)面加固縱筋應(yīng)變較小,說明在此高度的梁側(cè)加固縱筋未完全發(fā)揮材料的性能,對試驗梁的受力性能影響較小.

結(jié)合圖5,圖6和圖7曲線的特點可以看出:對于二次受力構(gòu)件,當(dāng)原縱向鋼筋處于彈性階段時,加固的效果主要體現(xiàn)在提高截面剛度上;在縱向鋼筋進入塑性階段后,鋼筋網(wǎng)開始充分發(fā)揮作用,截面抗彎承載力可以得到大幅度提高.

3.5 混凝土應(yīng)變分析

荷載-跨中混凝土壓應(yīng)變曲線見圖8.在試驗過程中,對比梁的跨中梁頂部混凝土壓應(yīng)變數(shù)值在縱向鋼筋屈服后快速增大,即截面的中和軸上升很快,當(dāng)混凝土壓應(yīng)變超過1 000時,應(yīng)變快速超過2 200.在原鋼筋屈服后,雖然在相同加載幅度下混凝土壓應(yīng)變值較鋼筋屈服前增加的幅度大,但大部分加固梁混凝土壓應(yīng)變?nèi)源笥? 000,這說明當(dāng)鋼筋屈服后,由于加固鋼筋網(wǎng)的作用使得加固梁的中和軸上升較慢,從而使加固后截面的延性提高.

對比梁A的曲線在梁底縱筋屈服后發(fā)生突變,曲線斜率很小,不適合繼續(xù)承受荷載.二次受力試驗梁的荷載-壓應(yīng)變曲線的斜率明顯大于對比梁荷載-壓應(yīng)變曲線的斜率,即加固后,梁的受壓區(qū)承載力明顯提高.當(dāng)構(gòu)件一次受力時,跨中梁頂混凝土處于沿梁縱向的彎曲受壓狀態(tài),加固后進行二次受力,聚乙烯醇纖維水泥砂漿及橫向鋼筋網(wǎng)的約束作用使得壓區(qū)混凝土的受力狀態(tài)近似于雙向受壓,在一定程度上提高了混凝土抗壓強度,從而提高了截面極限抗彎承載力.

圖6 荷載-跨中底部縱筋拉應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain of reinforcement curve at the bottom of beam

圖7 荷載-跨中側(cè)向縱筋拉應(yīng)變曲線Fig.7 Load-strain of reinforcement curve at the side of beam

4 承載力計算

加固梁受彎承載力按極限狀態(tài)計算,基本假定和普通鋼筋混凝土梁正截面承載力計算[4]的基本假定相同.

圖8 荷載-跨中混凝土壓應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain of concrete curve

文獻[2,5]基于復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固受彎足尺RC梁的二次受力試驗結(jié)果推導(dǎo)了簡單實用的承載力計算公式,如式(1)和式(2)所示:

式中:b為原梁截面寬度;t為梁側(cè)復(fù)合砂漿層厚度; h為原梁截面高度;h0為截面有效高度;x為截面受壓區(qū)高度;d為梁底加固縱筋的直徑;f c為混凝土軸心抗壓強度;f s為纖維砂漿軸心抗壓強度;f sm為梁底加固縱筋屈服強度;f y為原梁受拉區(qū)縱向鋼筋屈服強度;f′sm為梁側(cè)加固縱筋的屈服強度;A s為原梁受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積;Asm為梁底加固縱筋的面積;A′sm為梁側(cè)加固縱筋的面積;β為側(cè)向鋼筋作用綜合影響系數(shù),根據(jù)試驗結(jié)果取0.8;hsm為梁側(cè)加固縱筋合力作用點對受壓區(qū)混凝土合力作用點的力臂高度,根據(jù)本次試驗總結(jié),可用公式h sm =h-0.5 x-h′/4計算,h′為梁側(cè)面縱筋加固高度,且當(dāng)h sm ＜h/2時,按h sm=h/2計算.

根據(jù)式(1)和式(2)計算的承載力與本次試驗的承載力實測值進行了比較,比較結(jié)果見表3,由表3可知,計算值和試驗值吻合較好.

5 結(jié) 論

通過聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網(wǎng)加固足尺RC梁抗彎性能的試驗研究,可以得到以下結(jié)論:

1)利用聚乙烯醇纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁,可以較大幅度地提高RC梁正截面承載能力和截面抗彎剛度.

2)利用聚乙烯醇纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁時,一次受力幅度對加固梁的極限承載力影響不明顯.

3)一次受力幅度的不同對加固梁的截面剛度影響顯著,一次受力原梁底筋達到的應(yīng)力水平越高,加固梁截面抗彎剛度提高幅度就越低.

4)當(dāng)梁側(cè)面縱筋加固高度≥h/2時(h為原梁高),梁側(cè)縱筋加固高度對加固梁受力性能的影響較小;當(dāng)梁側(cè)面縱筋加固高度＜h/2時,梁側(cè)縱筋加固高度對加固梁受力性能的影響較大,加固梁的正截面承載力及截面抗彎剛度隨著加固高度的降低而減小.

5)目前普遍采用的梁側(cè)沿全截面高度布置加固縱筋的方法,并不能完全發(fā)揮梁側(cè)所有加固縱筋的性能,當(dāng)梁側(cè)縱筋加固高度為h/2時,加固梁的各項受力性能與沿全截面高度加固時的受力性能相比,未有明顯變化,加固效果良好,且大大節(jié)省了鋼材的消耗,有較好的社會經(jīng)濟效益.

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Experiment on Fu ll-scale RC Beam Reinforced by Polyvinyl A lcohol-engineered Cementitious Composite M ortar in Flexure Subjected to Secondary Load

BU Liang-tao?,CHEN Jun,LU Chen
(Co llege of Civil Engineering,H unan Univ,Changsha,Hunan 410082,China)

A n experiment study was conducted on the flexural behavior of reinforced concrete beam strengthened by Polyvinyl A lcohol-Engineered Cementitious Composite(PVA-ECC)mortar subjected to secondary load.Based on the comparison between test resu lts of seven beam s reinforced by PVA-ECC steel mesh and one generalbeam,the effect of once-loading extentand heightof reinforcementat the side of RC beam on the flexural strength and deflections capacity was investigated.Beam s were reinforced w ith U-shape,and the crack distribution,load-m ax deflection,strain development of concrete and steel,etc.were measured.Test results have indicated that PVA-ECC steelmesh technology is an efficientmethod to reinforce RC beam,which canm arkedly increase the load-bearing capacity,section stiffness and crack-resisting behavior.In addition,w hen the height of reinforcement at the side of RC beam ishalf of the beam＇sheight, the load-capability of reinforced RC beam changes slightly com pared with the full height of reinforcement RC beam.A lso,this technique can bring about considerab le econom ic benefit.

strengthening;polyviny lalcohol-engineered cementitious composite;RC beam;secondary load;height of rein forcement

TU 317.1

A

1674-2974(2011)01-0001-07 *

2010-02-03

湖南省科技廳科研項目(2007CK 3066)

卜良桃(1963-),男,湖南南縣人,湖南大學(xué)教授,博士

?通訊聯(lián)系人,E-mail:plt63@126.com