預應力TRM加固RC梁正截面承載能力試驗

任偉*，劉賀，李平2，趙滿

(1.長安大學舊橋檢測與加固技術交通行業(yè)重點實驗室， 陜西西安7100642.哈爾濱市市政工程設計院， 黑龍江哈爾濱150009)

0 引言

高強纖維材料用來加固橋梁、建筑等結構物，一直是結構加固的重點研究對象[1]。高強纖維材料具有輕質(zhì)高強、施工簡便的特點，目前常用的纖維加固材料有碳纖維(CFRP)，芳綸纖維(AFRP)等。本文所用加固材料—纖維織物網(wǎng)是用芳綸纖維編織而成，相對于碳纖維，芳綸纖維的抗剪和抗沖擊強度均較優(yōu)，而且芳綸纖維不導電，可以用在地鐵等特殊場合中。

在常規(guī)粘貼非預應力FRP加固混凝土梁試驗中， FRP發(fā)揮不到五分之一的強度時FRP就會因梁的變形而剝離[2]，所以直接粘貼FRP加固是很不經(jīng)濟的[3]。并且在鋼筋屈服后不久，外貼FRP就開始剝離，對梁的極限荷載的提高幫助甚微[4]。為了解決傳統(tǒng)外貼FRP加固方法中FRP利用率低和被動加固的問題，可對FRP施加預應力使FRP對梁體主動施力。經(jīng)過眾多學者的研究[5-10]，目前對FRP材料施加預應力的方法有以下幾種：反拱法、波形錨具法、端錨固法和通過外部反力架張拉法。

上述方法除端錨固法外，其他方法由于受到施工條件和施工困難程度的影響很難在實橋上應用[11]。如反拱法需先用千斤頂對梁體跨中位置頂升，對設備要求高，并且容易對梁體造成破壞；波形錨具法不適用于跨徑較大的梁；外部反力架張拉法需要用噸位較大的千斤頂，施工復雜。本文所采用的張拉錨固設備是本課題組按照端錨固法的加固思路和小噸位、分散錨固的加固形式自主設計研發(fā)的，并且已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利。

本文所用的張拉錨固設備是通過扭轉施力法來施加預應力，簡便易行，滿足現(xiàn)場施工的條件。本文利用該張拉錨固設備來進行預應力TRM(纖維織物網(wǎng)增強砂漿)加固，對比分析加固后RC梁受彎性能的變化。

1 試驗方案

1.1 試件設計

為了使試驗梁尺寸在滿足安裝張拉錨固設備的要求的基礎上盡量縮小，本次試驗把矩形梁設計成兩端漸變加寬的形式。試驗梁長為3.3 m，跨度為3.2 m，截面尺寸為160 mm×320 mm。試驗梁底部主筋為2Ф14的HRB400型鋼筋，配筋率為0.6 %，架立鋼筋采用2Ф8的HRB335型鋼筋，試驗梁采用C30強度混凝土。試驗梁尺寸及配筋見圖1。

(a) 立面圖

(b)1-1橫斷面圖 單位：mm

圖1 試件參數(shù)及配筋圖
Fig.1 Geometry and reinforcement details for specimens

1.2 試驗材料

本文所用的加固材料芳綸纖維的力學參數(shù)見表1。纖維織物網(wǎng)實物見圖2。

圖2 纖維織物網(wǎng)Fig.2 Fabric web

表1 芳綸纖維性能參數(shù)Tab.1 Aramid fiber performance parameters

受拉鋼筋經(jīng)拉伸試驗實測屈服強度為476.8 MPa，混凝土立方體抗壓強度實測為34.4 MPa。

1.3 張拉錨固設備及加固流程

本文所采用的張拉錨固設備為課題組獨立設計研發(fā)，通過在梁上種植化學螺栓固定。主要包括3部分：張拉端、錨固端、反力架。具體結構形式見圖3。工作原理：扭動施力螺母，張拉端在固定滑道平移，依靠楔形塊在分離式楔形夾具內(nèi)的摩擦力來對纖維網(wǎng)進行穩(wěn)定可靠張拉，錨固端依靠波形帶齒錨具來阻止纖維網(wǎng)滑移，并且經(jīng)試驗驗證在合適的錨固方式下滑移量控制在5 mm以下[12]。反力架固定在梁上承擔張拉過程中的反力。

張拉設備的加固流程為：①在梁底測量好孔位后進行鉆孔、種植化學螺栓；②安裝好張拉端、錨固端和反力架；③在梁底先涂抹厚度為5 mm的環(huán)氧樹脂砂漿，再將纖維網(wǎng)穿過張拉端和錨固端；④扭動施力螺母來拉動張拉端，通過S型傳感器控制張拉力；⑤張拉到目標荷載后，再涂抹5 mm厚的環(huán)氧樹脂砂漿將纖維網(wǎng)覆蓋??；⑥待到砂漿養(yǎng)護完畢后旋轉頂緊螺桿頂住張拉端，直到S型傳感器讀數(shù)為0。此時可以撤掉反力架和傳感器。

圖3 張拉設備Fig.3 Composition of stretching equipment

1.4 試驗方案

本文通過3片矩形試驗梁，對預應力TRM加固混凝土梁進行研究。其中B-02試驗梁在加固前預先壓裂0.1 mm寬的裂縫，再進行加固，加固參數(shù)見表2。

表2 試驗梁加固參數(shù)Tab.2 Details of test beams

圖4 加固后圖示Fig.4 Schematic diagram after reinforcement

加固前首先進行預張拉，確定張拉設備各部位連接可靠。張拉分五級張拉到目標荷載，以2 kN/min勻速張拉，每級張拉完后觀察2 min后再進行下一步張拉，直到張拉到指定荷載。加固圖見圖4。

試驗使用電液伺服作動器進行位移加載。為了盡可能詳細的采集試驗梁各受力階段的數(shù)據(jù)，在加載初期加載速率為0.5 mm/min，在試驗梁開裂后將速率提高到1 mm/min，受拉鋼筋屈服后采用2 mm/min加載速率。

1.5 試驗加載及測量

試驗通過分配梁進行四點加載，如圖5所示。

圖5 加載示意圖Fig.5 Schematic of loading

本試驗在梁底面、頂面、兩側面粘貼混凝土應變片測試各階段梁的應變變化。通過提前預埋經(jīng)過特殊處理的鋼筋應變片來量測鋼筋應變。在試驗梁的跨中、四分點和支點處設置百分表來測量試驗梁撓度變化。主要測試內(nèi)容有：承載力，包括：開裂荷載、屈服荷載、極限荷載；位移；鋼筋及混凝土應變。用裂縫觀測儀觀察裂縫寬度，人工攝像記錄梁體裂縫各階段發(fā)展情況。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

首先對B-01梁進行了抗彎試驗。B-01梁為對比梁，沒有進行加固。在加載過程中B-01梁經(jīng)過短暫的彈性階段后梁體產(chǎn)生了第一條裂縫，此時的荷載為15.8 kN。隨后隨著荷載的增加，裂縫逐漸增加發(fā)展，在荷載達到71.6 kN時，主筋應變?yōu)? 314 με，鋼筋屈服。此后梁的撓度在荷載作用下明顯增大，并于115.3 kN時受壓區(qū)混凝土被壓碎，達到極限破壞強度。破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 B-01試驗梁破壞形態(tài)Fig.6 B-01 Ultimate failure mode of test beams

B-02梁為預應力加固后的試驗梁，預應力加固后，原有裂縫寬度減小為0.03 mm。其在加載的初期與對比梁的情況一致，由于梁已經(jīng)存在初始裂縫，不容易確定梁的開裂荷載數(shù)值。當荷載達到93.1 kN鋼筋屈服，這時主要由纖維網(wǎng)承擔外荷載。此時試驗梁撓度增加較快，鋼筋屈服后不久纖維網(wǎng)在純彎段靠右位置拉斷。后期纖維網(wǎng)與環(huán)氧樹脂膠逐漸剝離，并在125.3 kN時壓區(qū)混凝土壓碎宣告試驗結束。破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 B-02試驗梁破壞形態(tài)Fig.7 B-02 Ultimate failure mode of test beams

B-03梁為預應力加固梁，且不存在初始損傷，試驗梁在荷載達到28.8 kN時梁體出現(xiàn)第一條裂縫。開裂荷載與B-01梁有較為顯著的提高。當荷載達到95.3 kN時，鋼筋屈服。在鋼筋屈服的同時纖維網(wǎng)在跨中位置拉斷，纖維突然斷裂導致斷裂處裂縫也突然加寬。加固層隨著梁體位移的增大產(chǎn)生剝離。荷載達到125.4 kN時試驗梁最終破壞，見圖8。

圖8 B-03試驗梁最終破壞形態(tài)Fig.8 B-03 Ultimate failure mode of test beams

2.2 承載能力分析

表3統(tǒng)計了抗彎試驗中各試驗梁承載能力大小。其中Pcr為試驗梁開裂時的荷載，Py為屈服荷載，Pu為試驗梁的極限荷載。

表3 各試驗梁承載力對比表Tab.3 Comparison table of bearing capacity of each test beam

由表3中試驗數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)， B-03試驗梁相比對比梁B-01開裂荷載提高了 82.3 %，說明該預應力加固方法可以明顯提高混凝土梁的開裂荷載，并且驗證了張拉錨固設備的可靠性。隨著預應力的增大屈服荷載也在增大，B-02梁與B-03梁相比對比梁屈服荷載提高了30.0 %，33.1 %。由3片試驗梁可以看出極限荷載的提高與加固量有直接關系，由于兩片加固梁加固量相同且加固纖維網(wǎng)都被拉斷，纖維網(wǎng)利用率都達到最大，所以極限荷載提高量也基本相同。

2.3 跨中荷載—撓度曲線分析

圖9 跨中荷載—撓度曲線對比Fig.9 Load-deflection curves of specimens

在本文加固的方法中，預應力纖維網(wǎng)和環(huán)氧砂漿層都可以提高混凝土梁的剛度。本文對3片試驗梁剛度進行分析，荷載位移曲線見圖9。

由B-02和B-03梁的荷載位移曲線可見，鋼筋屈服后由于纖維網(wǎng)還未拉斷，荷載位移曲線斜率下降，荷載持續(xù)增加隨后纖維網(wǎng)被拉斷。在纖維網(wǎng)拉斷的瞬間荷載降到了83 kN，鋼筋進入強化階段開始承但荷載，纖維網(wǎng)持續(xù)剝離，逐漸失去對梁的約束能力。荷載不斷增加，試驗梁跨中撓度增加明顯加快，最后混凝土達到極限強度被壓碎。

由圖9可見， 進行加固的試驗梁B-03的開裂荷載與屈服荷載均要大于未加固梁B-01，說明該種預應力加固方法能顯著改善梁在屈服前的使用性能。相同大小荷載下，預應力大小和試驗梁跨中撓度呈負相關關系。撓度關系為：B-03B-02>B-01。從荷載位移曲線可以看出B-02梁雖存在初始損傷，但對加固效果影響較小。

2.4 裂縫分析

由于各試驗梁加固情況不一致，各試驗梁的破壞損傷形態(tài)有所區(qū)別。其中裂縫的分布是一個明顯特征[13]。各試驗梁的裂縫分布圖見圖10(圖中數(shù)字為裂縫出現(xiàn)的順序)。

(a) B-01梁裂縫分布圖

(b) B-02梁裂縫分布圖

(c) B-03梁裂縫分布圖

圖11 荷載與最大裂縫寬度關系曲線 Fig.11 Relation curve betweenload and maximum crack

觀察圖10可以看出，未加固的B-01梁在屈服時共有21條裂縫，施加60 %預應力的B-03梁有23條裂縫。說明該加固方法對RC梁的裂縫有較好的分散能力。由圖11可以看出，B-01試驗梁在屈服階段時梁體最大裂縫寬度為0.62 mm，而B-03梁在屈服階段時梁體最大裂縫寬度為0.48 mm。說明本文預應力TRM加固對梁體裂縫最大寬度有較好的約束能力。

B-02梁雖存在初始損傷，但其裂縫發(fā)展過程與B-03梁極為相似，屈服時B-02梁也存在23條裂縫。但是由于初始損傷的存在造成梁的剛度下降，結果最大裂縫寬度為0.6 mm。

圖11為試驗梁出現(xiàn)第一條裂縫到試驗梁屈服階段的荷載與最大裂縫之間的關系。由圖11可以得出，經(jīng)過預應力加固的梁，在相同的荷載作用下，最大裂縫寬度要小于未加固梁的最大裂縫寬度。由荷載與最大裂縫寬度曲線說明本文加固方法對裂縫最大寬度有著較好的抑制作用，且預應力施加越大效果越好。

2.5 延性分析

纖維加固技術對鋼筋混凝土梁抗彎承載性能有顯著提升，但是會降低結構的延性[14-15]。結構延性是指結構屈服后到達到結構極限荷載之間承受荷載和變形的能力。結構的延性較低會導致梁的后期變形能力降低，在梁破壞之前發(fā)生脆性破壞的概率較大。因此，有必要對本文加固方法進行延性分析。試驗梁延性指標比較見表4。

表4 試驗梁延性指標比較Tab.4 Ductility index comparison of test beams

表4中：Δy表示屈服時跨中撓度，Δu表示達到極限荷載時跨中撓度，λ=Δu/Δy代表延性指標。

施加預應力后的纖維網(wǎng)其材料的預拉應變會增大，施加越大的預應力就會越接近其極限應變，就會使其剩余應變減小，從而導致被加固梁的延性下降[16]。B-02梁的延性比B-01梁延性降低23.2 %，B-03梁延性比B-01梁延性降低了35.7 %。

3 結論

本文通過3片模型梁試驗，研究了預應力TRM加固RC梁的試驗現(xiàn)象，得出以下結論：

① 預應力TRM加固RC梁可以顯著提高開裂荷載，屈服荷載，極限荷載。與對比梁相比，加固梁B-03的開裂荷載提高了82.3 %；加固梁B-02、B-03的屈服荷載分別提高了30 %、33.1 %，極限荷載提高了8.7 %、8.8 %。由B-02、B-03梁的極限荷載可知，預應力大小對極限承載力影響不大。

② 加固梁的破壞形態(tài)均為纖維網(wǎng)的拉斷破壞，說明本文預應力加固方法有效提高了纖維強度的利用率。

③ 預應力纖維網(wǎng)對梁體裂縫有較好的約束作用，加固后梁的裂縫數(shù)量增加，最大裂縫寬度減小。

④ 本文所用加固方法可以明顯提高RC梁的剛度，但會使梁的延性降低。與對比梁相比，B-02梁和B-03梁的延性分別降低了23.2 %、35.7 %。