高強(qiáng)不銹鋼絞線-滲透性聚合物砂漿加固法與傳統(tǒng)加固法對比試驗研究

張 海，陸金健，張冠華，張 瀟，李文芙

（1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168；2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166；3.甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 蘭州市 730030）

目前，在危橋加固維修工程中，國內(nèi)仍舊多采用粘鋼加固法、粘貼碳纖維布（板）加固法等傳統(tǒng)加固方法［1］，高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固法在國外的應(yīng)用和發(fā)展已相對成熟，而我國對此方法的研究還在起步階段，只是在理論方法進(jìn)行了一系列研究，對于在實際工程中的應(yīng)用尚未推廣。對比各種加固方法的有效性，開展8根4m矩形梁試驗，對梁粘貼鋼板、粘貼碳纖維板的加固與高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固進(jìn)行了對比分析。

1 模型實例

1.1 模型參數(shù)

試驗共預(yù)制8根矩形梁，其中RB-1、RB-2為未加固的對比試件，RCBF-1、RCBF-2為高強(qiáng)鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁，RCBS-1、RCBS-2為粘貼鋼板加固試驗梁，RCBC-1、RCBC-2為粘貼碳纖維板加固梁。8根試驗梁的鋼筋配筋率相同，受拉縱筋均為8C12、HRB400級鋼筋［2］，頂部架立鋼筋均為8A6，箍筋為A6＠112、224，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，試驗梁截面尺寸均為l×b×h＝4000mm×460mm×230mm，凈跨徑L0＝3700mm，如圖1所示。

高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固采用A4.5不銹鋼絞線，其彈性模量為1.16×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1100MPa，如圖2所示；粘貼鋼板加固采用兩片尺寸為150mm×4mm×3700mm、Q235B級鋼板梁底粘貼加固，如圖3所示；粘貼碳纖維板加固為粘貼8片尺寸b×l為50mm×3700mm的碳纖維板，如圖4所示。參數(shù)如表1所示。

1.2 加載方式

以GB／T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［3］為標(biāo)準(zhǔn)對梁進(jìn)行加載。對于對比試驗梁以及梁底進(jìn)行加固處理的梁，應(yīng)對其預(yù)加載。正式加載時，應(yīng)根據(jù)各試驗梁的抗彎承載力估算值進(jìn)行分級加載。以10kN為一級荷載，加至接近受彎開裂荷載，然后以5kN為一級加載，至梁發(fā)生抗彎破壞。每級加載結(jié)束后持荷10min，待相關(guān)讀數(shù)平穩(wěn)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和裂縫的觀察。

表1 試驗梁參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗梁破壞形態(tài)

2.1.1 對比梁破壞形態(tài)

RB-1試驗梁荷載為32kN時出現(xiàn)第一條裂縫，寬度0.04mm；當(dāng)荷載達(dá)到105kN時裂縫寬度達(dá)到1mm，隨后進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，且裂縫迅速開展；當(dāng)荷載達(dá)到117kN時，梁體出現(xiàn)噼啪聲，最大裂縫達(dá)到0.25mm，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到4.5mm，緊接著一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為122kN，破壞面發(fā)生在跨中截面，破壞形態(tài)見圖5。RB-2試驗梁荷載為33kN時出現(xiàn)第一條裂縫，寬度0.04mm；荷載達(dá)到115kN時裂縫寬度達(dá)到1mm，裂縫迅速開展；當(dāng)荷載達(dá)到119kN時，梁體出現(xiàn)噼啪聲，混凝土梁體最大裂縫達(dá)到0.25mm；緊接著一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到4.3mm，最大承載力為125kN，破壞面發(fā)生在跨中截面左側(cè)附近。破壞形態(tài)見圖6。

2.1.2 不銹鋼絞線-聚合物砂漿梁破壞形態(tài)

RCBF-1試驗梁產(chǎn)生第一條裂縫時荷載為37kN，寬度0.04mm；荷載達(dá)到106kN時裂縫寬度0.08mm，隨后進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，跨中右截面梁側(cè)處出現(xiàn)水平向裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到147kN時，混凝土梁體出現(xiàn)噼啪聲，梁底鋼絞線被拉斷，加固梁出現(xiàn)一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為172kN，破壞面發(fā)生在跨中截面，破壞形態(tài)見圖7。RCBF-2試驗梁產(chǎn)生第一條裂縫對應(yīng)的荷載為38kN，寬度0.04mm；加載至113kN時，純彎段跨中裂縫最大寬度達(dá)到0.1mm，且裂縫寬度基本穩(wěn)定在這一范圍內(nèi)；當(dāng)荷載達(dá)到148kN時，混凝土梁體出現(xiàn)噼啪聲，梁底鋼絞線被拉斷，隨著荷載繼續(xù)增加，加固梁出現(xiàn)一聲巨響，梁跨中混凝土壓碎，最大承載力為178kN，破壞面發(fā)生在跨中截面，破壞形態(tài)見圖8。

2.1.3 粘貼鋼板加固試驗梁破壞形態(tài)

RCBS-1試驗梁加載至42kN時，跨中截面出現(xiàn)第一條彎曲裂縫；151kN時梁底跨中最大裂縫達(dá)到0.08mm，且裂縫寬度基本穩(wěn)定在這一范圍內(nèi)；當(dāng)荷載加載至219kN時，梁底鋼板出現(xiàn)響聲，純彎段混凝土最大裂縫達(dá)到1mm；隨著荷載進(jìn)一步增加，混凝土與鋼板之間的粘鋼結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)斷裂，緊接著一聲巨響，試驗梁左側(cè)加載點處混凝土壓碎，破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到3.5mm，最大承載力為245kN，破壞面發(fā)生在左加載點附近，破壞形態(tài)見圖9。RCBS-2試驗梁加載至43kN時，在跨中截面出現(xiàn)第一條彎曲裂縫；161kN時梁底跨中最大裂縫達(dá)到0.08mm，且裂縫寬度基本穩(wěn)定在這一寬度范圍內(nèi)；當(dāng)荷載加載至210kN時，試驗梁進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，梁底鋼板出現(xiàn)響聲，純彎段混凝土最大裂縫達(dá)到1mm；隨著荷載進(jìn)一步增加，梁底混凝土與鋼板之間的粘鋼結(jié)構(gòu)膠剝落，接著一聲巨響，試驗梁左側(cè)加載點處混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到3.8mm，最大承載力為231kN，破壞面發(fā)生在跨中截面附近。破壞形態(tài)見圖10。

2.1.4 粘貼碳纖維板加固試驗梁破壞形態(tài)

RCBC-1試驗梁加載至33kN時，在跨中截面出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，寬度0.04mm；荷載162kN時，梁底碳纖維板發(fā)出響聲，裂縫最大寬度為0.15mm；加載至200kN時，試驗梁進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，最大裂縫寬度達(dá)到0.25mm，試驗梁連續(xù)出現(xiàn)噼啪聲響，碳纖維板和浸漬膠剝離，導(dǎo)致一側(cè)碳纖維板全部從梁底脫落，緊接著一聲巨響，試驗梁跨中左側(cè)梁底截面混凝土斷裂，跨中截面混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到4.1mm，最大承載力為226kN，破壞面發(fā)生在跨中截面附近，破壞形態(tài)見圖11。RCBC-2試驗梁加載至32kN時，在跨中截面出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，寬度0.04mm；當(dāng)荷載加載至194kN時，梁底碳纖維板發(fā)出響聲，梁側(cè)裂縫最大寬度為0.15mm；加載至206kN時，試驗梁進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，最大裂縫寬度達(dá)到0.25mm，碳纖維板和浸漬膠剝離，導(dǎo)致一側(cè)碳纖維板全部從梁底脫落，緊接著一聲巨響，試驗梁跨中梁底截面混凝土斷裂，右加載點處左側(cè)截面混凝土壓碎，直至破壞時純彎段混凝土裂縫最大寬度達(dá)到4.0mm，最大承載力為225kN，破壞面發(fā)生在右側(cè)加載點附近，破壞形態(tài)見圖12。

對于未加固試驗梁，彎曲應(yīng)力主要由混凝土及縱筋傳遞，裂縫形成時，骨料咬合力和混凝土殘余抗拉強(qiáng)度傳遞大部分拉應(yīng)力，當(dāng)其裂縫寬度迅速增加后，拉應(yīng)力主要依賴梁底縱向鋼筋傳遞；梁底縱向鋼筋屈服，裂縫迅速向上發(fā)展，受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，試驗梁迅速發(fā)生彎曲破壞。

對于加固試驗梁，其梁底由于鋪設(shè)加固層，彎曲應(yīng)力先由梁底加固材料傳遞，裂縫形成時，加固材料傳遞大部分拉應(yīng)力；拉應(yīng)力主要依賴梁底縱向鋼筋傳遞，當(dāng)裂縫面上與骨料相互作用的水泥基被剪碎后，部分骨料咬合作用失效，梁底所有縱向鋼筋屈服后，裂縫迅速向上發(fā)展，受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，試驗梁迅速發(fā)生彎曲破壞。

2.2 各加固試驗梁對比分析

2.2.1 承載力對比分析

由試驗梁實測特征荷載如表2所示?？芍讳P鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁較未加固試驗梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載分別提高約15.38%、41.83%、41.7%；粘貼鋼板加固試驗梁較未加固試驗梁分別提高約30.77%、92.79%、92.71%；粘貼碳纖維板加固試驗梁較未加固試驗梁屈服荷載、極限荷載分別提高約87.02%、82.59%。說明加固對試驗梁承載力的提高有很顯著的作用。

試驗梁的荷載-位移曲線見圖13。

不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁加載前期，截面剛度大于傳統(tǒng)加固試驗梁截面剛度，加固層開裂前，跨中撓度與位移呈線性關(guān)系。不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁加載前期撓度值低于傳統(tǒng)加固試驗梁，可以看出，不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固能較好地抑制試驗梁下?lián)稀?/p>

表2 試驗梁主要試驗結(jié)果

2.2.2 梁底縱筋應(yīng)變曲線對比分析

荷載—鋼筋應(yīng)變曲線如圖14所示。各加固試驗梁鋼筋應(yīng)變在受力初期由于鋼絞線、砂漿、鋼板、碳纖維板與縱筋及混凝土共同受力，因而在加載初期鋼筋應(yīng)變增長緩慢。鋼絞線較Q235級鋼板、碳纖維板抗拉強(qiáng)度高，故高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固梁在加載前期梁底受拉縱筋應(yīng)變低于粘貼鋼板加固梁及粘貼碳纖維板加固梁，加固效果在前期很明顯。

2.2.3 裂縫對比分析

由圖5～圖12所有試驗梁破壞形態(tài)圖可見，各試驗梁裂縫分布有以下特點：首先，裂縫多出現(xiàn)在純彎段，各梁的裂縫分布大致相同。其次，與對比梁裂縫相比較，加固梁的主裂縫間距減小，主裂縫間出現(xiàn)細(xì)小裂縫，且裂縫根部均為樹根狀分布。最后，在荷載相同的情況下，加固梁裂縫寬度小于對比梁，裂縫發(fā)展更緩慢。

粘鋼加固試驗梁與粘碳纖維板加固試驗梁主裂縫間距約為10cm；高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固試驗梁主裂縫間距約為5cm，主裂縫之間出現(xiàn)更多細(xì)小且密集的裂縫，可見不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固可以較好地限制裂縫的發(fā)展。

3 結(jié)語

（1）高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固、粘貼鋼板加固、粘貼碳纖維板加固對梁的抗彎承載力的提高有顯著作用。

（2）利用高強(qiáng)不銹鋼絞線—滲透性聚合物砂漿加固較粘貼鋼板、粘貼碳纖維板加固，對梁的剛度提高作用明顯，對裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展具有較好的約束作用，延遲了被加固梁裂縫的發(fā)展。