基于不同加固方式的RC梁加固性能試驗(yàn)對比研究

徐 超，萬 華，胡方杰，高榮雄，魏 鑫

(1. 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；2. 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3. 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

截止2015年底，全國公路橋梁多達(dá)77.92萬座，這其中部分橋梁由于服役時(shí)間久，承載力和耐久性劣化嚴(yán)重；部分橋梁因?yàn)槌d、施工質(zhì)量等原因，開裂、下?lián)喜『Π殡S．據(jù)各省歷年急需維修加固的橋梁數(shù)量統(tǒng)計(jì)，亟待加固維修橋梁比例約占總數(shù)的1.5～2%，每年全國有約1萬多座橋梁面臨加固維修．

面對數(shù)量眾多、責(zé)任重大的橋梁加固任務(wù)，尋求高效、合理的加固方法及新材料成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一．粘貼板材加固法由于材料強(qiáng)度高、施工便捷、幾乎不增加結(jié)構(gòu)恒載及尺寸等優(yōu)勢得到了深入研究和廣泛應(yīng)用．歐美等發(fā)達(dá)國家，制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與指南，如美國ACI-400指南、國際混凝土聯(lián)合協(xié)會制定的由極限狀態(tài)控制的纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和加拿大 CSA標(biāo)準(zhǔn)[1-3]．JTG/T J22-2008[4]和 JTG/T J23-2008[5]規(guī)范也較為詳細(xì)規(guī)定了我國公路橋梁粘貼板材加固的設(shè)計(jì)和施工細(xì)節(jié)，給出了粘貼板材加固的設(shè)計(jì)承載力公式．除此之外，大量學(xué)者基于不同方法和角度開展粘貼板材加固研究[6-7]．Kim等[8]人通過試驗(yàn)，研究碳纖維加固混凝土梁的抗彎性能與延展性，考察了影響梁的抗彎性與延展性的一些參數(shù)．Christopher[9]基于斷裂力學(xué)，分析了裂縫處碳纖維的銷拴作用，給出裂縫處粘結(jié)剪應(yīng)力的分布．曹國輝等人[10]通過8根粘貼 CFRP、GFRP及 CFRP/GFRP 加固鋼筋混凝土梁在不同加載歷程下的對比試驗(yàn)，研究了不同初始應(yīng)力狀態(tài)下CFRP加固鋼筋混凝土梁的裂縫開展、彎曲變形．R.N.Swamy等[11]對粘貼鋼板加固混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了比較試驗(yàn)研究，探討了各種參量（如板材特性、內(nèi)部配箍率、縱筋數(shù)量）對抗剪性能的影響．胡孔國[12]等人基于試驗(yàn)和理論分析，提出了考慮二次受力時(shí)碳纖維布加固混凝土構(gòu)件正截面承載力計(jì)算的方法．劉元志、朱必永等[13]對粘鋼受損混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治觯治鲋锌紤]了混凝土開裂后切向剛度的折減．

盡管大量的研究及工程實(shí)踐不斷豐富了板材加固理論和促進(jìn)工程應(yīng)用，但仍然有許多問題尚待探索和完善．縱觀已有研究，聚焦于某種加固材料下的問題往往受到高度重視，而同樣是粘貼板材，但碳纖維布、碳纖維板和鋼板之間的加固差異對比鮮有研究，為數(shù)不多的對比分析大多來自于具體橋梁加固方案探討的宏觀層面上，不足以系統(tǒng)表達(dá)不同加固方式下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和加固效果．因此，本項(xiàng)目研究從加固方式選擇層面，基于試驗(yàn)和理論探討不同板材加固構(gòu)件的受力性能和破壞模式，從承載力和延性角度為粘貼板材加固具體采用何種材料提供參考．

2 試驗(yàn)概況

2.1 設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8根簡支RC梁，混凝土強(qiáng)度等級為C40，試件尺寸設(shè)計(jì)考慮試驗(yàn)及運(yùn)輸條件，并參考常規(guī)鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)．梁截面上下邊緣分別配置了212鋼筋，為防止試驗(yàn)過程中首先發(fā)生斜截面破壞，箍筋采用φ8@100 mm．試件制作在中交第二航務(wù)工程局有限公司陽邏預(yù)制廠中進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)28 d后，分別在梁底面粘貼碳纖維布、碳纖維板和鋼板．試件信息如表1和圖1．

表1 試驗(yàn)試件信息表Table 1 Information of test specimens

圖1 試驗(yàn)梁示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test beam

2.2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

(1) 混凝土

試件梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，采用的配合比為：水灰比0.42，砂率0.31．采用RC梁試件同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土立方體試塊(尺寸為：150 mm×150 mm×150 mm)測量其立方體極限抗壓強(qiáng)度(fcu)和彈性模量(Ec)，其平均值見表2．

(2) 鋼筋

采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)確定混凝土梁鋼筋的材料性能參數(shù)．取三組 30 cm長鋼筋進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)．測得鋼材屈服強(qiáng)度fy、極限抗拉強(qiáng)度fu、彈性模量Es和伸長率δ等參數(shù)，其參數(shù)平均值見表2．

(3) 鋼板

試驗(yàn)加固用鋼板為Q235，取厚3 mm，截取5 cm寬30 cm長進(jìn)行三組拉伸試驗(yàn)．測得鋼板屈服強(qiáng)度(fspy)、極限抗拉強(qiáng)度(fspu)、彈性模量(Esp)參數(shù)．

(4) 碳纖維板

試驗(yàn)加固用碳板厚1.5 mm，截取5 cm寬30 cm長進(jìn)行三組拉伸試驗(yàn)．測得碳板極限抗拉強(qiáng)度(fcpu)、彈性模量(Ecp)等參數(shù)．由拉伸力-位移曲線可以看出碳板不存在屈服階段，最后為脆性破壞．

(5) 碳纖維布

試驗(yàn)加固用碳布厚0.3 mm，截取5 cm寬30 cm長進(jìn)行三組拉伸試驗(yàn)．測得碳布極限抗拉強(qiáng)度(fccu)、彈性模量(Ecc)等參數(shù)．

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能參數(shù)表Tab.2 Mechanical property parameters of test materials

2.3 試驗(yàn)裝置、加載和測試方案

試驗(yàn)梁兩端采用簡支，支座間距為2 000 mm，采用兩點(diǎn)加載，加載點(diǎn)間距800 mm．加載裝置為油壓千斤頂．加載裝置見圖2．

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

試驗(yàn)中測量的主要內(nèi)容包括：

(1) 每級加載大小F：油壓千斤頂所加載的總力，通過連接在油壓千斤頂上的力傳感器測得．

(2) 試驗(yàn)梁梁底每級撓度曲線：分別在兩端支座處、兩個(gè)四分點(diǎn)及跨中共設(shè)置5個(gè)百分表，測量梁底撓度變形．

(3) 鋼筋、混凝土及板材應(yīng)變：在試驗(yàn)梁表面布置應(yīng)變片，測量每級荷載下試驗(yàn)梁的應(yīng)變．應(yīng)變片布置及編號如圖所示．

圖3 裸梁應(yīng)變片布置圖Fig. 3 Strain gauge layout of bare beam

圖4 碳布應(yīng)變片布置圖Fig. 4 Strain gauge layout of carbon cloth

圖5 碳板、鋼板應(yīng)變片布置圖Fig. 5 Strain gauge layout of carbon plate and steel plate

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中，撓度通過百分表讀出，應(yīng)變及力傳感器數(shù)據(jù)通過應(yīng)變箱采集，采集頻率為1次/秒，該頻率可以滿足試驗(yàn)要求．

3 破壞過程及破壞形態(tài)

裸梁試驗(yàn)兩組破壞模態(tài)基本一致，均為受拉鋼筋屈服后受壓區(qū)混凝土壓碎破壞，但壓碎區(qū)域并非位于正中間，在中心與兩側(cè)受壓點(diǎn)之間．圖6為試件殘余變形曲線．

圖6 殘余變形曲線Fig. 6 Residual deformation curve

可以看出裸梁試件在荷載作用下發(fā)生了明顯的彎曲變形，純彎段變形很大，是典型的受彎破壞．裸梁在加載過程中，裂縫最早在14 000 N時(shí)于跨中附近的純彎段產(chǎn)生，發(fā)展過程中分布較為規(guī)律，均為受彎裂縫，裂縫基本垂直于梁底，從距一側(cè)支座30 cm處起，保持在10 cm左右一條．隨著荷載增加，裂縫由梁底向梁頂延伸，最終破壞時(shí)，支座與受力點(diǎn)之間有 4條裂縫，裂縫高度從 8 cm等差增加，兩個(gè)受力點(diǎn)之間的純彎段裂縫高度約16 cm(4/5梁高)．在鋼筋屈服后撓度增長非?？?，千斤頂所加的力也掉的很快，最后50 000 N左右受壓區(qū)混凝土壓碎，試驗(yàn)結(jié)束．

碳布試件最終破壞模態(tài)同樣為受彎破壞，在純彎段碳布連同底部一層混凝土被拉斷，底部混凝土上會產(chǎn)生沿梁跨方向的橫向裂縫，說明碳布對裂縫的約束作用很明顯；碳布試件極限荷載可以達(dá)到70 000 N左右，相較于裸梁提高40%，效果明顯．碳布試件CC1和CC2前期剛度與裸梁相差不大，16 000 N左右試驗(yàn)梁開裂，開裂荷載較裸梁略有提升，開裂之后裂縫發(fā)展也與裸梁類似，純彎段間隔約10 cm一條，但碳布對裂縫約束作用明顯，裂縫寬度底部小中間大．

碳板試件是端部破壞．最終破壞模態(tài)中試驗(yàn)梁跨中撓度都不大，純彎段裂縫分布中，受力點(diǎn)附近裂縫高度最大，跨中裂縫高度較小，整體呈拋物線分布，這都說明試驗(yàn)梁受彎性能還未完全發(fā)揮；而在試驗(yàn)梁兩端有大量斜向及橫向裂縫，說明制約試驗(yàn)梁承載能力進(jìn)一步提升的是端頭的抗剪能力．CP1在60 000 N左右即破壞，但CP2達(dá)到75 000 N．碳板試件從加載開始，在21 000 N左右試驗(yàn)梁開裂，相較于裸梁的 14 000 N，開裂荷載提高了50%．且開裂之后試驗(yàn)梁依舊保持很好的抗彎性能，同等荷載下?lián)隙容^小，純彎段裂縫少且短，最終梁體為端部受剪破壞，裂縫起點(diǎn)為梁底近支座碳板端頭處，斜向延伸至距梁底4 cm左右(主拉鋼筋高度)后橫向發(fā)展，最后65 000 N左右裂縫寬度過大，混凝土被剪斷，此時(shí)梁體受彎性能依舊良好，跨中撓度僅有13 mm，裂縫也很短，受彎性能并未得到完全發(fā)揮．

鋼板試件同樣是端部破壞．破壞時(shí)跨中撓度比碳板試件更小，純彎段裂縫較少，間距約為 10 cm．裂縫高度為受壓點(diǎn)附近高約13 cm，跨中附近不到10 cm，純彎段還遠(yuǎn)未達(dá)到承載極限．但在支座與受力點(diǎn)之間有大量斜向裂縫，最大高度達(dá)到15 cm左右，說明鋼板由于自身較大的剛度和承載力對試驗(yàn)梁抗彎性能有很大提升，但對支座附近抗剪能力沒有幫助．由于鋼板在兩端及兩個(gè)三分點(diǎn)處植入4根深度為5 cm鋼筋，在植筋作用下鋼板與混凝土之間共同工作性能、抗剪性能得到提升，其極限荷載大于碳板試件，達(dá)到85 000 N． SP1為左側(cè)植筋被剪斷，右側(cè)植筋由于植入深度不夠，鋼板端部拔起，斜向延伸至植筋高度形成的混凝土塊剪斷破壞．SP2為右側(cè)植筋剪斷破壞．鋼板試件由于鋼板較大的剛度，荷載作用下?lián)隙仍鲩L緩慢，開裂荷載較大，達(dá)到21 000 N，且開裂后試驗(yàn)梁剛度降低不明顯，裂縫相較于其他試件較少．在70 000 N左右，SP1和SP2在端頭產(chǎn)生斜向裂縫，隨著荷載繼續(xù)增加，斜向裂縫不斷增多，最終破壞．

圖7 裂縫分布圖Fig. 7 Crack distribution

圖8 破壞模態(tài)圖Fig. 8 Failure modes

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對試驗(yàn)中和試驗(yàn)后觀測到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，主要包括加載過程中試件的荷載-跨中撓度曲線，荷載-鋼筋應(yīng)變曲線及荷載-板材應(yīng)變曲線．

(1) 荷載-跨中撓度曲線

試驗(yàn)荷載-跨中撓度曲線如圖9所示．

曲線B1、B2從斜率上可以分為三個(gè)階段，從0開始到第一個(gè)拐點(diǎn)為第一階段．第一階段混凝土尚未開裂，由于混凝土較大的剛度貢獻(xiàn)，板材對剛度的影響并不明顯，四組試驗(yàn)梁斜率差異不大．曲線第二階段為第一個(gè)拐點(diǎn)至第二個(gè)拐點(diǎn)，該階段為混凝土開裂至鋼筋屈服之前的正常使用階段．第三階段接近水平，為鋼筋屈服之后試驗(yàn)梁荷載很難繼續(xù)提升直至受壓混凝土崩壞．CC1、CC2曲線可以分為四個(gè)階段，混凝土開裂的第一個(gè)拐點(diǎn)略大于B1、B2，第二階段混凝土開裂至鋼筋屈服之前由于碳布的貢獻(xiàn)斜率略大于B1、B2．50 000 N左右由于鋼筋的屈服(對比后文鋼筋應(yīng)力圖可以得出)斜率變小，該階段為鋼筋屈服至碳布破壞之前．70 000 N左右碳布達(dá)到極限，曲線趨于水平，最后碳布拉斷破壞．CP1、CP2曲線拐點(diǎn)不明顯，混凝土開裂前后剛度降低較?。?0 000 N左右曲線突然結(jié)束，說明CP1、CP2并不是受彎破壞，破壞時(shí)試驗(yàn)梁仍具有較大剛度．SP1、SP2曲線斜率直到80 000 N才降低，在 80 000 N之前試驗(yàn)梁剛度幾乎沒有變化．由于鋼板較大的剛度，混凝土開裂對試驗(yàn)梁剛度影響較?。?0 000 N之后，鋼筋及鋼板均未達(dá)到屈服，試驗(yàn)梁剛度變小的原因是其兩端斜裂縫過大，混凝土抗剪達(dá)到極限．

圖9 荷載-跨中撓度曲線Fig. 9 Load-deflection curve

(2) 荷載-應(yīng)變曲線

該曲線斜率表示單位應(yīng)變下荷載增大量．曲線整體分布與撓度曲線類似，混凝土開裂后至鋼筋屈服前四條曲線斜率差異明顯，斜率越大表明鋼筋對增大的荷載貢獻(xiàn)越小，該曲線從側(cè)面可以反映出所粘貼板材的剛度．B1、B2曲線在開裂時(shí)同樣有明顯拐點(diǎn)，直至40 000 N左右鋼筋屈服，斜率接近為0，荷載增長很小的情況下應(yīng)變增長迅速．CC1、CC2曲線中，鋼筋同樣在2000με左右開始屈服，此時(shí)荷載約為45 000 N，之后鋼筋屈服對承載能力幾乎沒有幫助，但碳布尚未破壞，荷載繼續(xù)增大．CP1、CP2和SP1、SP2試驗(yàn)結(jié)束時(shí)鋼筋應(yīng)變都只有1700με左右，尚未屈服但由于梁體端部破壞試驗(yàn)結(jié)束．而SP1、SP2的極限荷載明顯高于CP1、CP2，說明在鋼筋同等應(yīng)變下 SP1、SP2所粘貼的板材提供了更大的承載力．

以跨中板材應(yīng)變?yōu)榇碇底龀鲈撉€．該曲線中SP1、SP2斜率最大，同等荷載下應(yīng)變最小，但其彈模最大，結(jié)合鋼筋應(yīng)變曲線可以看出鋼板是對承載力貢獻(xiàn)最大的．結(jié)合圖10、圖11可以看出，剛度越大的板材，加載過程中應(yīng)變越小，但對梁體承載力依然是剛度越大的，貢獻(xiàn)越大．

圖10 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig. 10 Load-strain curve of steel bar

圖11 荷載-板材應(yīng)變曲線Fig. 11 Load-strain curve of plate

5 結(jié)論

(1) 比較三種不同板材加固效果，剛度越大的板材對試驗(yàn)梁抗彎剛度提升越多，鋼板試件開裂前后剛度幾乎沒有變化．雖然剛度越大的板材應(yīng)變越小，但對承載力的貢獻(xiàn)依舊越大．

(2) 碳布試件與裸梁一樣最終都是受彎破壞，而碳板與鋼板試件均是兩端混凝土受剪破壞，制約試件極限承載力的是混凝土端部受剪能力，植筋作用明顯．

(3) 進(jìn)行粘貼板材加固后，試驗(yàn)梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有顯著提高，剛度越大的板材提升越明顯．即碳纖維布劣于碳纖維板劣于鋼板．

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