RC伸臂梁采用PVA-ECC加固抗剪試驗研究*

卜良桃，汪文淵，何放龍

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

由于地震、洪水等自然災(zāi)害或建筑結(jié)構(gòu)的使用功能改變及房屋老化等種種原因，建筑結(jié)構(gòu)加固的普遍性及重要性日益凸顯[1]，因而建筑結(jié)構(gòu)加固施工方法及施工工藝的研究也不斷深化.

聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)鋼筋網(wǎng)加固是一種以PVA-ECC作為基材，輔以鋼筋網(wǎng)作為增強材料，使其與被加固構(gòu)件形成整體并共同承擔(dān)荷載作用的加固方法.其施工順序為：首先在被加固構(gòu)件表面綁扎鋼筋，然后抹涂一層PVA-ECC并養(yǎng)護.施工中采用在被加固構(gòu)件表面植入剪切銷釘及抹刷界面劑的雙重措施，來保證加固層與被加固構(gòu)件能夠共同工作.由于PVA-ECC具有較好的物理性能且價格低廉，相對于傳統(tǒng)加固方法，PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固方法具有抗裂性好、施工簡單、耐高溫及經(jīng)濟性好等優(yōu)點[2-4].現(xiàn)階段已對聚乙烯醇纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC柱受壓及加固RC梁受彎作了相應(yīng)的研究[5-6]，本文在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，進一步對PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固混凝土伸臂梁進行抗剪性能的試驗研究，并依據(jù)桁架-拱模型原理，推導(dǎo)了PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固梁的抗剪承載力公式，為該加固方法的推廣，提供具有實際意義的成果.

1 試驗方案

1.1 試驗梁設(shè)計

本次試驗共制作了4根試件，包含2根不加固的對比梁和2根采用PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固的一次受力梁.以剪跨比作為變量，將試件梁分成兩組，每組由1根對比梁和1根加固梁構(gòu)成.第一組梁編號為B1和B2，剪跨比為1.6，第二組梁編號為B3和B4，剪跨比為2.0，其中B1和B3為對比梁，B2和B4為加固梁.對比梁截面尺寸為150 mm×300 mm，梁長度為3 000 mm，梁端外伸100 mm，混凝土強度設(shè)計等級為C30，梁底縱向鋼筋為4ф22(兩排對稱布置)，梁頂縱向鋼筋為2ф20，箍筋為ф6@150.加固梁采用三面U形加固，其試驗梁模板配筋圖及加固方式如圖1所示.

試驗中的PVA-ECC的配合比為：水泥∶水∶砂∶外加劑=1.00∶0.4∶0.7∶0.18，纖維摻量體積分數(shù)為2%，其中水泥采用強度等級為Po.42.5的普通硅酸鹽水泥，砂為0.25 mm篩孔過篩的中砂，水為自來水，聚乙烯醇纖維規(guī)格為φ0.02 mm×6 mm，抗拉強度為1 400 MPa，試驗梁材料的基本參數(shù)見表1.

表1 試驗梁材料參數(shù)

圖1 試驗梁模板、配筋圖及加固示意圖(mm)

1.2 加載方案與測試內(nèi)容

本次試驗采用重物吊籃加載法，通過杠桿放大系數(shù)為5.2倍的杠桿加載裝置進行加載，試驗以標定重量的混凝土試塊作為加載砝碼，并通過分配鋼梁傳遞給試件.本次試驗采用分級加載方式，直至試驗梁破壞.

試驗中，通過在支座處及集中荷載作用處設(shè)立撓度測點，量測其撓度，每級加載完成后，待機械百分表穩(wěn)定后再讀數(shù).使用裂縫刻度放大鏡觀察并描繪裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況；運用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對原梁中鋼筋、原梁箍筋、加固鋼筋網(wǎng)、原混凝土和加固層砂漿的應(yīng)變值進行測量.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

本次試驗結(jié)果如表2所示，由表可知，相對于對比梁，加固梁的屈服荷載和抗剪承載力均有不同程度的提高，且抗剪承載力的提高幅度和剪跨比有關(guān)，剪跨比越大的構(gòu)件抗剪承載力提高幅度越大.

表2 試驗結(jié)果

2.2 典型破壞形態(tài)

各組試件破壞時，均呈現(xiàn)出典型的鋼筋混凝土梁剪壓破壞形態(tài)，如圖2所示.裂縫最初出現(xiàn)在支座負彎矩區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為豎向受拉裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增大，試驗梁腹部出現(xiàn)斜裂縫，向支座處和跨中集中力作用點延伸發(fā)展，豎向受拉裂縫與試驗梁腹部裂縫斜交，形成彎剪裂縫，當荷載接近破壞荷載時出現(xiàn)一條寬度較大的臨界斜裂縫，與臨界斜裂縫相交的箍筋首先屈服，最后直到斜裂縫端部混凝土在截面壓應(yīng)力和剪應(yīng)力雙重作用下壓酥破壞.

圖2 試件破壞形態(tài)

2.3 斜裂縫分析

通過記錄對比梁和加固試驗梁的裂縫開展情況 可發(fā)現(xiàn)，加固試驗梁的開裂荷載較對比梁也有所提高，表明聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)能很好地抑制裂縫產(chǎn)生.加固后的試驗梁的裂縫分布情況，相對于對比梁出現(xiàn)了寬且稀疏的裂縫,具有細而密的特征,說明聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)有效阻止了斜裂縫聚集擴展成較寬的裂縫,限制了斜裂縫的進一步發(fā)展,從而表現(xiàn)為裂縫間距與寬度均較小的裂縫形態(tài).

2.4 撓度分析

試驗中記錄了各試件的荷載-撓度變化關(guān)系曲線.第一組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3(a)所示，第二組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3(b)所示.對比兩組曲線圖，可以得出：加固梁的截面剛度有一定的提高，加固層在不同的階段，對剛度的貢獻作用機理也不同，并且加固梁的延性得以改善.

開裂荷載作為曲線的拐點，將曲線劃分成2個階段.第Ⅰ階段即開裂荷載之前，聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固層的作用主要表現(xiàn)為尺寸疊加效應(yīng)，即通過加固層增大了試驗梁的截面尺寸，直接提高了試驗梁的剛度，在圖中曲線表現(xiàn)為在同一荷載下，加固梁較對比梁的撓度小.第Ⅱ階段即開裂荷載之后，聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固層主要是通過限制構(gòu)件裂縫的繼續(xù)發(fā)展，約束加固梁截面剛度的弱化，從而使加固梁的剛度弱化幅度小于對比梁，間接地提高了加固梁的剛度，在圖中曲線表現(xiàn)為開裂荷載之后的曲線曲率變化較對比梁小.

撓度/mm

撓度/mm

2.5 應(yīng)變分析

依據(jù)測取的應(yīng)變數(shù)據(jù)，繪制荷載-箍筋應(yīng)變曲線，如圖4所示.從圖4(a)中對比梁的荷載-箍筋應(yīng)變曲線可以看出，在加載初期，對比梁的箍筋應(yīng)變很小，當加載至開裂荷載時，斜裂縫出現(xiàn)，箍筋應(yīng)變驟然增大.說明試件開裂前，承受剪力作用的主要是混凝土，但斜裂縫出現(xiàn)后，混凝土將其承擔(dān)的應(yīng)力傳遞給箍筋，從而使箍筋的應(yīng)變在開裂荷載處突然增大.

對比圖4(a)和(b)中原梁箍筋曲線可知，加固梁中原梁箍筋應(yīng)變較對比梁小，說明加固梁中的聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固層分擔(dān)了外荷載.

撓度/mm

撓度/mm

對比圖4(b)中的2條曲線可知，在加載初期，原梁箍筋的應(yīng)變與加固梁中的聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固層的箍筋應(yīng)變基本保持一致，隨著荷載的增大，斜裂縫的出現(xiàn)，曲線稍有偏離，但基本趨于一致，說明加固層與原梁能夠較好地協(xié)同工作，共同承擔(dān)外荷載.

聚乙烯醇水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固層箍筋抗剪作用貢獻主要體現(xiàn)在兩個方面.首先加固層箍筋作為原梁箍筋的補充，一起承擔(dān)剪力作用，其次加固層箍筋限制了斜裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展，從而使有效抗剪部分混凝土增多，同時加固層箍筋通過對原梁產(chǎn)生的約束效應(yīng)，對提高抗剪能力也有一定的作用.

3 加固梁承載力理論分析

本文采用考慮混凝土與腹筋作用的桁架-拱模型，模擬加固試驗梁抗剪工作機理，對加固試驗梁的抗剪承載力進行理論分析.

3.1 桁架作用效應(yīng)

抗剪鋼筋和混凝土及聚乙烯醇砂漿共同構(gòu)成桁架，產(chǎn)生桁架抗剪作用，計算簡圖如圖5所示.

圖5 桁架作用計算簡圖

桁架模型中承擔(dān)的剪力：

Vt=∑Asvσsv+Asmvσsmv=

ρsvσsvbdjdcotφ+ρsmvσsmvbdjdcotφ．

(1)

根據(jù)靜力學(xué)平衡得：

γσcbdjdcosφsinφ=(ρsvσsv+ρsmvσsmv)bdjdcotφ．

(2)

根據(jù)實驗結(jié)果知，對于剪壓破壞的試驗梁，加固箍筋與原梁箍筋能夠較好地協(xié)同工作，構(gòu)件破壞時，加固箍筋與原梁箍筋均達到屈服，故σsv=fsv及σsmv=fsmv，代入式(2)可得：

(3)

式中：fsv和fsmv分別為原梁箍筋抗拉屈服強度及加固箍筋抗拉屈服強度.

3.2 拱作用效應(yīng)

混凝土和聚乙烯醇砂漿組成斜向壓桿，產(chǎn)生拱抗剪作用，計算簡圖如圖6所示.試驗表明，聚乙烯醇纖維砂漿與混凝土工作協(xié)同性較好，且兩者彈性模量相近，故近似認為兩者壓應(yīng)力相等.由靜力學(xué)平衡關(guān)系知，拱作用承擔(dān)的剪力：

Va=σabmhmtanθ/2.

(4)

圖6 拱作用計算簡圖

拱作用效應(yīng)隨著剪跨比λ減小、角度θ增大而增大.當λ=0.5時，拱作用抗剪起主導(dǎo)作用，λ=3時，拱作用效應(yīng)較弱，近似取兩極限情況的線性插值[8]：

σa=(1.2-0.4λ)νfc.

(5)

又由幾何關(guān)系且令h0=0.85hm，λ=L/h0得：

(6)

聯(lián)立(4)～(6)可得：

(7)

式中：bm為加固梁截面寬度；hm為加固梁截面高度；有效強度系數(shù)[9]ν=0.7-fc/165.λ為剪跨比.

3.3 加固梁抗剪承載力公式

由“桁架-拱”模型理論知：

σc+σa=νfc.

(8)

聯(lián)立(3)(5)(8)可得：

(9)

故加固構(gòu)件抗剪承載力為：

Vu=Vt+Va=

(ρsvfyv+ρsmvfymv)bdjdcotφ+

(10)

斜壓桿的角度φ的取值為26.6°≤φ≤45°，故1≤cotφ≤2[10].

3.4 計算值與試驗值比較

將試驗值和理論計算值對比，見表3.可見加固梁抗剪承載力理論計算值與試驗值吻合較好.

表3 理論計算值與試驗值比較

4 結(jié) 論

1)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC伸臂梁，對其開裂荷載及抗剪承載力的提高均有一定的作用.

2)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC伸臂梁，在有效推遲裂縫產(chǎn)生的同時，又能約束已有裂縫的匯集擴張，抑制裂縫的發(fā)展速度，使其呈現(xiàn)出間距及寬度較小的形態(tài).

3)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC伸臂梁，加固梁的剪切剛度得到提高，加強了其變形能力，對加固梁的延性的提高有一定的作用.

4)采用PVA-ECC水泥砂漿鋼筋網(wǎng)對RC伸臂梁進行抗剪加固，加固箍筋能有效地分擔(dān)荷載作用，其應(yīng)變曲線與原箍筋應(yīng)變曲線增長趨勢接近，說明加固層與原構(gòu)件的協(xié)同工作性能較好.

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