余文成,王子恒,劉均利,劉 浪
(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)
由于結(jié)構(gòu)老化和使用環(huán)境的影響,鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的承載力和耐久性會(huì)逐漸降低。在近年的結(jié)構(gòu)加固和改建工程中,人們對(duì)構(gòu)件的使用空間和外形美觀的要求越來越嚴(yán)格,縮短工期和提升加固效率一直是不變的追求[1-2]。
增大截面法加固方式靈活,可以與其他加固方式有效組合,以滿足實(shí)際施工中的特殊要求。并且因?yàn)槭┕そ?jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟、防火和耐腐蝕性能好、加固費(fèi)用低等顯著優(yōu)勢(shì)一直是實(shí)際加固工程中應(yīng)用最為廣泛的一種加固方法。然而由于普通混凝土強(qiáng)度和彈模較低,往往造成加固層截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重增加較大,并且結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度直接關(guān)系到加固效果,這也是增大截面法的主要技術(shù)難題之一[3-4]。因此,有必要尋求新材料或者新技術(shù)來有效提升構(gòu)件加固后的承載力。
高強(qiáng)無收縮灌漿料在施工現(xiàn)場(chǎng)只需要按照要求添加適量的水,拌合均勻后就可以具有自流平、早強(qiáng)、無收縮、無污染等多種施工優(yōu)點(diǎn),作為一種適用性極強(qiáng)的加固用材料,一直以來被廣泛應(yīng)用于輔助各種加固形式的施工上[5-7]。
目前,對(duì)高強(qiáng)無收縮灌漿料在實(shí)際加固工程上的研究主要集中在軸心受壓磚柱結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土梁以及梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震上。喬慶浩等[8]在2020年對(duì)摻有纖維的灌漿料試塊進(jìn)行正交試驗(yàn),分析硅灰和不同纖維摻量對(duì)疊合試塊的粘結(jié)性能和抗拉性能的影響,得到了粘結(jié)強(qiáng)度最高時(shí)各纖維的摻量比例。廖杰洪等[9]采用灌漿料增大截面以及高性能砂漿包裹鋼鉸線等多種方式,對(duì)地震中受損的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加固。然而,這僅僅利用了水泥基灌漿料自流性好、無收縮和微膨脹等特點(diǎn)在工程施工上的優(yōu)勢(shì),對(duì)灌漿料主要的抗壓強(qiáng)度利用率有限。
本試驗(yàn)中所有原構(gòu)件均采用同一批次的C30商品混凝土一次澆筑完成。加固用灌漿料采用柳州漢西鳴建材公司生產(chǎn)的HGM-H80型高強(qiáng)無收縮灌漿料。構(gòu)件澆筑過程中同時(shí)制作普通混凝土和高強(qiáng)灌漿料試塊,與構(gòu)件在同條件下養(yǎng)護(hù),按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序測(cè)得普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為36.56 MPa,高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為72.35 MPa。
本次試驗(yàn)共制作10根鋼筋混凝土柱,原構(gòu)件高1 200 mm,截面尺寸為250 mm × 250 mm??v筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋,C16縱筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為439.7 MPa、598.1 MPa,C6箍筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為456.8 MPa和588.2 MPa。構(gòu)件參數(shù)如表1所示,構(gòu)件配筋示意圖如圖1所示。
表1 構(gòu)件參數(shù)
圖1 原柱尺寸及配筋設(shè)置
試驗(yàn)采用500 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)偏心壓力的分級(jí)加載,加載過程中記錄構(gòu)件縱向鋼筋、箍筋、原構(gòu)件混凝土和加固層表面的應(yīng)變,并使用裂縫綜合測(cè)試儀觀察裂縫展開情況,記錄各級(jí)荷載下的裂縫分布、發(fā)展過程及寬度。
所有構(gòu)件都采用單調(diào)加載的形式。在構(gòu)件定位安裝完成后,對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件按照預(yù)估極限荷載的10%進(jìn)行預(yù)加載,待確定構(gòu)件各處的應(yīng)變片連接完好,千分表和試驗(yàn)儀器能正常使用后開始加載。正式加載采用分級(jí)加載,按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)進(jìn)行,加載至構(gòu)件破壞,試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。
2.1.1 小偏心受壓柱
小偏心加固柱XPX1~XPX3加載和破壞現(xiàn)象相似。在加載初期,由于試驗(yàn)荷載較小,混凝土表面未出現(xiàn)裂縫,混凝土表面應(yīng)變隨荷載呈線性增長(zhǎng),表現(xiàn)為彈性工作狀態(tài),符合平截面假定;隨著荷載的增加,構(gòu)件首先在側(cè)面出現(xiàn)細(xì)小裂縫,混凝土表面和內(nèi)部縱筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快,此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段;隨著荷載的繼續(xù)增加,裂縫逐漸增多、延伸發(fā)展并且伴隨著混凝土開裂聲;當(dāng)試驗(yàn)荷載接近其極限承載力時(shí),構(gòu)件進(jìn)入塑性階段,受壓區(qū)混凝土壓碎剝落;隨著荷載的進(jìn)一步增加,構(gòu)件受壓區(qū)混凝土表面應(yīng)變迅速增長(zhǎng),并在一聲巨響后宣告破壞,但縱向鋼筋并未屈服,構(gòu)件整體性保存較好。小偏心對(duì)比柱DBZ1破壞時(shí),構(gòu)件中部箍筋約束較薄弱的混凝土被壓碎,縱向鋼筋外凸屈服,構(gòu)件整體性破壞嚴(yán)重。破壞形態(tài)如圖2所示。
(a)DBZ1 (b)XPX1 (c)XPX2 (d)XPX3
2.1.2 大偏心受壓柱
大偏心加固柱DPX1~DPX5與對(duì)比柱DBZ2在加載階段現(xiàn)象基本相似,加載初期構(gòu)件受力狀態(tài)為彈性階段,各測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系;隨著荷載的增加,構(gòu)件受壓區(qū)中、上部開裂,但裂縫寬度保持在0.04~0.1 mm之間;繼續(xù)加大荷載至極限荷載時(shí),構(gòu)件受壓區(qū)縱向裂縫增多,靠近支座處的局部混凝土表皮開始鼓起并剝離,柱頭和柱腳處的主要裂縫不斷發(fā)展變寬,柱頭處混凝土壓碎脫落,加固層發(fā)生劈裂破壞,部分加固層退出工作,構(gòu)件宣告破壞,破壞形態(tài)如圖3所示。其中大偏心單側(cè)加固構(gòu)件DPX3與小偏心加固構(gòu)件的加載和破壞現(xiàn)象相似,分析認(rèn)為主要是150 mm的加固厚度使大偏心受壓構(gòu)件變成了小偏心受壓構(gòu)件,使構(gòu)件受力更為合理。對(duì)于柱頭的局部破壞現(xiàn)象,分析認(rèn)為主要是柱頭的變截面使得構(gòu)件在受力過程中局部壓應(yīng)力過高,灌漿料和混凝土的強(qiáng)度差使得柱頭處混凝土壓碎。
(a)DBZ2 (b)DPX2 (c)DPX3 (d)DPX4 (e)DPX5
2.2.1 承載力
10根混凝土受壓柱均加載至構(gòu)件破壞狀態(tài),各構(gòu)件的主要試驗(yàn)分組和結(jié)果如表2所示。
表2 試件分組及測(cè)試結(jié)果
分析組一和組二內(nèi)相同偏心距構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:小偏心單側(cè)加固構(gòu)件的承載力與加固層厚度關(guān)系不明顯,提升幅度約為86%~102%,差距不大,原因在于單側(cè)加固形式只提供了錨固作用,僅提高了較大豎向力作用下構(gòu)件的抗剪切滑移能力,材料強(qiáng)度利用率不高,對(duì)加固后偏于軸壓構(gòu)件的承載力影響不大,構(gòu)件破壞主要受支座處混凝土強(qiáng)度影響;大偏心單側(cè)加固構(gòu)件的承載力主要受加固厚度的影響,承載力提升幅度約為76%~283%,但整體提升效率呈先升后降的趨勢(shì),加固層直接受壓并承擔(dān)主要壓應(yīng)力,說明通過增大受壓側(cè)加固層厚度來提升大偏心受壓構(gòu)件承載力的效果明顯,并在一定范圍內(nèi),承載力隨加固厚度的增加而增大。
分析組一和組二內(nèi)相同加固厚度構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知:加固厚度為70 mm時(shí),小偏心構(gòu)件的加固效果略優(yōu)于大偏心構(gòu)件;當(dāng)加固厚度為100 mm和150 mm時(shí),大偏心構(gòu)件加固后的承載力提升幅度高于小偏心加固構(gòu)件,約為小偏心構(gòu)件的2.7倍,但大偏心加固構(gòu)件的極限承載力均低于小偏心加固構(gòu)件,原因在于大偏心構(gòu)件加固后,其偏心距間接減小并向小偏心受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變,極限承載力也逐漸接近小偏心加固的極限承載力,但是加固層較薄時(shí),變截面的應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)構(gòu)件的影響更大,使得大偏心加固效果不如小偏心。
分析組二和組三內(nèi)相同加固厚度構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知:雙側(cè)加固構(gòu)件極限承載力的提升幅度約為單側(cè)加固構(gòu)件的32%~98%,跨中位置的最大撓度也比單側(cè)加固構(gòu)件的小。表明雙側(cè)加固有效減小構(gòu)件軸壓比,增加構(gòu)件延性的同時(shí),極限承載力也有所提升。
2.2.2 荷載-應(yīng)變
構(gòu)件各測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖4~圖13所示,圖中縱坐標(biāo)為豎向荷載,橫坐標(biāo)為各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值,鋼筋測(cè)點(diǎn)用實(shí)心標(biāo)記,混凝土和加固層用空心標(biāo)記,測(cè)點(diǎn)均在柱高1/2處。
圖4 DBZ1荷載-應(yīng)變曲線 圖5 XPX1荷載-應(yīng)變曲線
圖8 DBZ2荷載--應(yīng)變曲線 圖9 DPX1荷載-應(yīng)變曲線
圖10 DPX2荷載-應(yīng)變曲線 圖11 DPX3荷載-應(yīng)變曲線
圖12 DPX4荷載-應(yīng)變曲線 圖13 DPX5荷載-應(yīng)變曲線
由圖4~圖13可知:加固后,構(gòu)件由部分截面受壓狀態(tài)逐漸向全截面受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變,承載力均有明顯提高,高強(qiáng)灌漿料的優(yōu)秀抗壓性得以充分發(fā)揮,改善了因近荷側(cè)鋼筋和混凝土應(yīng)力過大和應(yīng)力集中而導(dǎo)致構(gòu)件局部壓潰的情況。
對(duì)于單側(cè)加固柱:在加載初期,構(gòu)件處于彈性階段,混凝土和鋼筋荷載-應(yīng)變曲線大致呈線性相關(guān);構(gòu)件在加載60%Py左右時(shí)開始出現(xiàn)裂縫,而后構(gòu)件進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài),構(gòu)件鋼筋和混凝土表面的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率略微提升;加載至80%~90%Py時(shí),加固層和受壓區(qū)混凝土豎向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)基本同步,直到接近峰值時(shí)才出現(xiàn)差異,說明在豎向荷載作用下,加固層灌漿料和縱筋參與了原柱的協(xié)同工作。偏心距為75 mm的組一構(gòu)件在加固后,受壓側(cè)縱筋和混凝土的應(yīng)變值比加固前都有了不同程度的增長(zhǎng),受壓側(cè)混凝土極限應(yīng)變,加固層厚度70 mm的XPX1為-2 314×10-6,加固層厚度150 mm的XPX3為-941×10-6,受拉側(cè)縱筋和混凝土應(yīng)變由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌骸F木酁?50 mm的組二構(gòu)件在加固后應(yīng)變變化規(guī)律也與組一構(gòu)件基本相似。由此可以看出構(gòu)件加固后,受壓區(qū)截面面積增大,并且隨著加固厚度的增加,構(gòu)件受力狀態(tài)更接近于軸心受壓,受力性能得到了改善,構(gòu)件剛度顯著提升,但偏心距對(duì)構(gòu)件的變形影響較小。
對(duì)于雙側(cè)加固柱:雙側(cè)加固構(gòu)件的荷載-應(yīng)變曲線與單側(cè)加固構(gòu)件相似,存在線性相關(guān)段和非線性相關(guān)段,雙側(cè)加固構(gòu)件在40%Py左右時(shí)出現(xiàn)裂縫,受壓側(cè)縱筋和加固層表面的應(yīng)變有一定程度的提升,說明對(duì)大偏心構(gòu)件加固能顯著提升構(gòu)件剛度和承載能力,雙側(cè)加固對(duì)構(gòu)件變形能力的提升比單側(cè)加固更加明顯,構(gòu)件的延性性能也更加優(yōu)秀。
通過對(duì)8根加固柱和2根對(duì)比柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn),研究了加固厚度和加固方式對(duì)大、小偏心構(gòu)件的影響,可以得到以下結(jié)論:
(1)采用高強(qiáng)灌漿料增大截面法對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固,混凝土和加固層結(jié)合完好,為原柱提供了錨固作用,整個(gè)加載過程中都能保持較好的協(xié)同工作狀態(tài),改善了鋼筋混凝土柱脆性破壞的形態(tài),表明試驗(yàn)采用的高強(qiáng)灌漿料和新舊界面的處理方式是可靠的。
(2)加固后,偏心受壓柱的開裂荷載、破壞荷載、剛度以及變形能力都得到較大幅度的提升,方案一加固柱的極限承載力提高了86%~102%;方案二加固柱的極限承載力提高了76%~283%;方案三加固柱的極限承載力提高了249%~329%。
(3)單側(cè)加固方案能夠有效改善偏心受壓柱的受力狀態(tài),通過增大構(gòu)件截面的方式間接地減小原柱的偏心距,使構(gòu)件由部分截面受壓轉(zhuǎn)變成全截面受壓,提高了混凝土材料的利用率,大幅提高了構(gòu)件的剛度和極限承載力;雙側(cè)加固則對(duì)構(gòu)件極限承載力和變形能力的提升更加明顯。
(4)在一定范圍內(nèi)增大加固層厚度對(duì)大偏心受壓柱的剛度和極限承載力提升明顯,而小偏心受壓柱的剛度提升效果不大,其主要通過對(duì)原柱的錨固效果以提升承載力。