高強(qiáng)灌漿料加固既有RC梁抗彎性能分析

冷玉坤， 劉均利， 余文成， 王子恒

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，大量在役年限較長(zhǎng)的橋梁受自然、人為等因素影響功能退化，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求[1]，亟需對(duì)其進(jìn)行加固改造處理.增大截面法作為一種常用的加固方法[2-3]，具有施工簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)且技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在橋梁加固領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用[4-6].若采用普通混凝土進(jìn)行加固，不僅易開(kāi)裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性，也不利于新老混凝土之間的粘結(jié)，從而產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移[7].高強(qiáng)灌漿料作為一種高強(qiáng)膠結(jié)材料，早期主要用于設(shè)備基礎(chǔ)的二次灌漿和橋梁、堤壩的搶險(xiǎn)等工程中[8]，它不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐久性能、快硬早強(qiáng)、無(wú)收縮、微膨脹和自流平等特點(diǎn)，而且與舊混凝土粘結(jié)較強(qiáng)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于加固領(lǐng)域中[9]，具有較大的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.

在加固梁抗彎性能影響因素方面，一些專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了部分研究，也取得了一些初步成果.Chalioris等[10]制作20根自密實(shí)混凝土加固梁，研究在不同初始損傷下自密實(shí)混凝土的加固性能.卜良桃等[11]制作6根鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固梁和1根對(duì)比梁，研究加固配筋率和受力形態(tài)對(duì)加固梁受彎性能的影響，認(rèn)為采用鋼纖維水泥砂漿加固鋼筋混凝土(RC)梁是一種有效的加固方法，能顯著提高混凝土梁的抗彎性能.羅素蓉等[12]針對(duì)二次受力下自密實(shí)混凝土加固RC梁的受彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，共設(shè)計(jì)7根自密實(shí)混凝土加固梁和2根對(duì)比梁，通過(guò)改變初始受力水平、加固厚度及界面處理方式，有效提高RC梁的抗彎承載力、截面剛度等性能.然而，目前在加固厚度和植筋間距的共同影響下，尚未有采用高強(qiáng)灌漿料加固混凝土梁抗彎性能方面的研究.

基于此，本文在充分考慮工程實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)RC梁進(jìn)行高強(qiáng)灌漿料增大截面加固，并針對(duì)加固梁的抗彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

原梁均采用商品混凝土澆筑，并采用常規(guī)振搗密實(shí)的方法.混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30，每立方米混凝土中的水泥、水、砂、石子、粉煤灰、礦粉、減水劑的質(zhì)量分別為203.00，162.00，972.00，916.00，50.00，70.00，7.11 kg，水泥為P.O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.加固用的高強(qiáng)灌漿料選用廣西柳州市漢西鳴建材公司生產(chǎn)的HCM-H80型高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料.

試驗(yàn)梁澆筑的同時(shí)制作普通混凝土和高強(qiáng)灌漿料的立方體試塊，立方體試塊與試驗(yàn)梁采取相同的養(yǎng)護(hù)措施，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)程序測(cè)得的普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為37.26 MPa，高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為70.15 MPa.縱向鋼筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋材性試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示.表1中：fy為屈服強(qiáng)度；fu/MPa為極限強(qiáng)度.

表1 鋼筋材性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of steel reinforcement properties

1.2 試件設(shè)計(jì)與加固方法

(a) 試驗(yàn)梁

(b) 對(duì)比梁A1 (c) 對(duì)比梁A2 (d) 加固梁B1～B7 (e) 植筋圖1 試驗(yàn)梁基本參數(shù)及配筋(單位：mm)Fig.1 Basic parameters and reforcement of test beams (unit: mm)

另外，將高強(qiáng)灌漿料作為新增加固材料時(shí)應(yīng)注意如下6點(diǎn):

1) 灌漿前應(yīng)對(duì)原梁梁底進(jìn)行鑿毛處理，并清潔梁底表面；

2) 灌漿前24 h應(yīng)充分潤(rùn)濕梁底表面，并于灌漿前1 h清除積水；

3) 灌漿時(shí)，漿料應(yīng)從一側(cè)或相鄰兩側(cè)多點(diǎn)灌入，直至從另一側(cè)溢出為止，以利于灌漿過(guò)程中的排氣，避免對(duì)灌漿層表面質(zhì)量造成影響；

4) 當(dāng)灌漿層厚度大于100 mm時(shí)，應(yīng)采取分層灌漿方法，澆筑完第一層后，在確保第一層漿料達(dá)到初凝前，進(jìn)行第二次澆筑，并盡可能縮短灌漿時(shí)間；

5) 灌漿過(guò)程中嚴(yán)禁振搗，必要時(shí)可借助灌漿助推器沿灌漿層底部推動(dòng)漿料，以確保灌漿層勻質(zhì)性；

6) 在灌漿層終凝后，應(yīng)立即灑水保濕養(yǎng)護(hù).

試驗(yàn)考慮不同加固層厚度及植筋間距對(duì)加固構(gòu)件受彎性能的影響.試驗(yàn)梁基本參數(shù)，如表2所示.表2中：s為植筋間距.

表2 試驗(yàn)梁基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of test beams

1.3 加載裝置

試驗(yàn)采用1 000 kN組合結(jié)構(gòu)反力架對(duì)試件進(jìn)行加載，為觀測(cè)梁純彎段的彎曲性能，試驗(yàn)采用三分點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載方式，跨中純彎段長(zhǎng)度為1 m.正式加載之前，預(yù)加載以檢查試驗(yàn)裝置、量測(cè)儀表工作是否正常，消除接觸面間的空隙.

卸荷后，按照GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]，采用分級(jí)加載制，并開(kāi)始正式加載.將撓度變形增長(zhǎng)迅速，而荷載增長(zhǎng)緩慢或不增長(zhǎng)的狀態(tài)作為試驗(yàn)梁的屈服狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的荷載即為屈服荷載[15].

1.4 測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)千分表測(cè)量每級(jí)荷載下梁跨中、加載點(diǎn)及支點(diǎn)處的撓度變形值；通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測(cè)量原梁縱筋及加固縱筋、原梁混凝土及加固混凝土表面的應(yīng)變；通過(guò)力傳感器測(cè)量試驗(yàn)荷載；通過(guò)裂縫綜合測(cè)試儀測(cè)定裂縫分布、發(fā)展及寬度，測(cè)量精度為0.01 mm.RC梁應(yīng)變片布置圖，如圖2所示.

對(duì)于RC梁表面的應(yīng)變，在試驗(yàn)梁側(cè)跨中位置自上而下沿試驗(yàn)梁高粘貼5個(gè)應(yīng)變片，用以驗(yàn)證梁在受彎過(guò)程中是否符合平截面假定；在試驗(yàn)梁底純彎段沿軸線方向粘貼6個(gè)應(yīng)變片，用以測(cè)定梁底部混凝土拉應(yīng)變；在梁純彎段頂部粘貼2個(gè)應(yīng)變片，用以測(cè)定混凝土的壓應(yīng)變.

(a) 試驗(yàn)梁側(cè)跨中位置

(b) 試驗(yàn)梁頂面

(c) 試驗(yàn)梁底純彎段

(d) 加固梁的原梁底縱筋

(e) 加固縱筋圖2 RC梁應(yīng)變片布置圖Fig.2 RC beam strain gauge layout

2 主要試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

試驗(yàn)梁破壞形態(tài)及裂縫分布，如圖3所示.由圖3可知：對(duì)比梁的破壞形態(tài)為典型的適筋梁破壞，縱向鋼筋屈服后，跨中撓度有明顯突變，混凝土表面出現(xiàn)大量裂縫并快速向梁頂延伸，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎剝落；對(duì)比梁破壞時(shí)，跨中純彎段裂縫數(shù)目較加固梁少，裂縫寬度也明顯大于加固梁.

(a) 對(duì)比梁A1 (b) 對(duì)比梁A2 (c) 加固梁B1

(d) 加固梁B2 (e) 加固梁B3 (f) 加固梁B4 (g) 加固梁B5圖3 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)及裂縫分布Fig.3 Test beam failure modes and crack distribution

圖4 縱向應(yīng)變沿加固梁高分布曲線Fig.4 Longitudinal strain distribution curves along strengthened beam height

5根加固梁在加載過(guò)程中，當(dāng)試驗(yàn)荷載P<0.2Pu(Pu為試驗(yàn)梁極限荷載)時(shí)，受拉區(qū)混凝土尚未開(kāi)裂，此時(shí)，縱筋應(yīng)變遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)變，加固梁基本呈彈性狀態(tài).加固梁跨中截面的縱向應(yīng)變沿加固梁高分布曲線，如圖4所示.圖4中：H為應(yīng)變片距離加固梁的距離；ε為應(yīng)變.

由圖4可知：加固梁破壞前，加固梁跨中截面縱向應(yīng)變沿梁高方向近似呈直線分布，基本符合平截面假定；隨著試驗(yàn)荷載的增加，加固梁首先在梁底純彎段出現(xiàn)彎曲裂縫，并緩慢向上擴(kuò)展，當(dāng)老混凝土梁底拉應(yīng)變達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)變時(shí)，裂縫延伸至老混凝土區(qū)域；混凝土開(kāi)裂后，加固梁剛度有一定程度的下降，在這一階段，新混凝土區(qū)域的裂縫在達(dá)到一定寬度后就開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)；隨著試驗(yàn)荷載的繼續(xù)增加，彎剪段隨之出現(xiàn)斜向裂縫，斜向裂縫的寬度很小，寬度變化不大，對(duì)加固梁的正常使用性能并不構(gòu)成直接影響；當(dāng)P>0.8Pu時(shí)，加固梁進(jìn)入塑性階段，純彎段裂縫不斷向梁頂擴(kuò)展，撓度急劇增長(zhǎng)，裂縫寬度迅速發(fā)展，彎剪段斜向裂縫也不斷出現(xiàn)，跨中荷載-撓度曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，加固縱筋和原梁縱筋相繼屈服；當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，加固梁開(kāi)始發(fā)生破壞.與對(duì)比梁相比，加固梁底裂縫數(shù)量明顯增多，且裂縫寬度變小.在整個(gè)加載過(guò)程中，新老混凝土間黏結(jié)界面未發(fā)生剝離破壞，也沒(méi)有發(fā)生明顯滑移，破壞狀態(tài)均呈適筋梁破壞，表現(xiàn)出較好的延性特征.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

所有試驗(yàn)梁均加載至極限破壞狀態(tài)，試驗(yàn)梁的開(kāi)裂荷載(Pcr)、屈服荷載(Py)和極限荷載(Pu)實(shí)測(cè)值如表3所示.表3中：R為各加固梁與對(duì)比梁A1的開(kāi)裂荷載比值；ΔPy，ΔPu分別為各加固梁與對(duì)比梁A1的屈服荷載差值和極限荷載差值.

表3 試驗(yàn)梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載實(shí)測(cè)值Tab.3 Measured values of cracking load， yield load and ultimate load of test beams

試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓變形度曲線及荷載-跨中試驗(yàn)梁底縱筋應(yīng)變曲線分別如圖5，6所示.圖5，6中：w為撓度.

圖5 荷載-跨中撓度變形曲線 圖6 荷載-跨中試驗(yàn)梁底縱筋拉應(yīng)變曲線Fig.5 Curves of load-midspan deflection Fig.6 Curves of load-midspan bottom reinforcement tensile

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加固梁與整澆梁的對(duì)比分析

與對(duì)比梁A1相比，各加固梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載值均有不同程度的提高，且屈服荷載的提高幅度更為明顯，約為89.8%～110.7%，表明采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行增大截面加固RC梁的加固效果較好，能有效提高梁的抗彎承載力，而且可以保證新老混凝土的整體工作性；相較于對(duì)比梁A1，加固梁的開(kāi)裂荷載最大提高約2倍，最小也提高約1.5倍，說(shuō)明高強(qiáng)灌漿料具有良好的抗裂性能，對(duì)裂縫的發(fā)展起到較好的抑制作用(表3).各加固梁在同級(jí)荷載下的縱筋拉應(yīng)變均小于對(duì)比梁A1，表明加固縱筋參與了原梁的協(xié)同工作，并承擔(dān)了部分荷載(圖6).與整截面對(duì)比梁A2相比，加固梁的抗彎承載力整體均低于整澆梁，這是因?yàn)榧庸塘旱脑旱卓v筋較對(duì)比梁A2更靠近截面中和軸，受拉鋼筋應(yīng)力較小，因此，對(duì)梁體承載力的貢獻(xiàn)較小.

3.2 加固層厚度對(duì)加固梁受彎性能的影響

對(duì)于梁底加固層厚度為80 mm的加固梁B1，其加固后的屈服荷載較加固前增大99.5%；而對(duì)于梁底加固層厚度分別為120，160 mm的加固梁B2，B3，其加固后的屈服荷載較加固前分別增大108.0%，110.7%，極限荷載也從110.4 kN增大到120.2 kN(表3)，表明隨著梁底加固層厚度的增大，加固梁的抗彎承載力僅有略微的提高.另外，加固層厚度較大的加固梁B2，B3的撓度較加固梁B1小(圖5)，表明加固層厚度越大，剛度越大，撓度越小.

由于各組試驗(yàn)梁梁底保護(hù)層設(shè)置相同，梁底混凝土厚度的增加使梁截面的有效高度在一定程度上有所增大，進(jìn)而提高試件的抗彎承載力.但加固層厚度較大的加固梁B2，B3的新老縱筋應(yīng)變差值較加固梁B1小，但加固梁B2，B3的新老縱筋應(yīng)變值相差甚微，說(shuō)明加固層厚度只能在一定范圍內(nèi)改善新老縱筋的受力差異(圖6).加固梁B3的抗彎承載力也僅比加固梁B2提高了1.3%，但其加固自質(zhì)量卻增大約33.3%，所以在實(shí)際加固工程中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)自質(zhì)量和下部?jī)艨站C合考慮.

3.3 植筋間距對(duì)加固梁受彎性能的影響

在實(shí)際工程中，常常會(huì)由于各種因素的影響，使新老混凝土間的黏結(jié)性能達(dá)不到預(yù)期效果.在保證其他條件相同的前提下，設(shè)計(jì)加固梁B1，B4及B5，分別采用不同的植筋間距，探究植筋間距對(duì)新老混凝土間黏結(jié)性能的影響，比較不同植筋間距下加固梁受彎承載力的差異.

從試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)上來(lái)看，所有加固梁均表現(xiàn)為延性破壞，幾乎不存在滑移等影響新老混凝土整體工作性的現(xiàn)象.3根不同植筋間距加固梁的抗彎承載力差異并不大，加固梁B1的極限荷載較加固梁B4僅提高約3.0%，較加固梁B5也僅提高4.6%(表3).植筋間距為100 mm的加固梁B1剛度略大于植筋間距為150 mm和200 mm的加固梁B4和B5；而加固梁B4和B5荷載-跨中撓度變形曲線則基本重合(圖5)，所以在實(shí)際加固工程中，不建議過(guò)分減小植筋間距來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力.

圖7 承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.7 Calculation diagram of bearing capacity

4 抗彎承載力計(jì)算

基于試驗(yàn)結(jié)果，5根加固梁具有典型的適筋梁受力特征，根據(jù)縱向鋼筋的實(shí)測(cè)應(yīng)變，混凝土破壞時(shí)，原試件縱筋和新增鋼筋均已屈服，受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變，其基本假定與普通RC梁正截面受彎承載力計(jì)算的基本假定相同，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)的承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖7所示.圖7中：h0，m為加固梁的截面有效高度；h0為加固前梁的截面有效高度；xc為截面受壓區(qū)高度；εcu為混凝土的壓應(yīng)變；εy，m為加固后下部縱筋整體拉應(yīng)變；εy為加固前下部縱筋整體拉應(yīng)變；Mu為加固梁的抗彎承載力；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；F為合壓力；T為加固前的縱筋拉應(yīng)力；Tm為加固后的縱筋拉應(yīng)力.

由圖7的幾何關(guān)系，可得混凝土的壓應(yīng)變，即

(1)

混凝土受壓區(qū)的合壓力為

(2)

由于文中采用高強(qiáng)灌漿料作為新增材料加固鋼筋混凝土矩形梁，不同于一次澆筑整截面梁，混凝土壓應(yīng)力由兩部分組成，故混凝土受壓區(qū)的合壓力為

(3)

式(3)中：fc，0為原梁混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；fc，m為高強(qiáng)灌漿料的軸心抗壓強(qiáng)度.

考慮試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)加固層界面的處理并非能達(dá)到理論中的理想狀態(tài)，并且受二次施工影響，新增混凝土在連接構(gòu)造和受力狀態(tài)上不可避免地要受到各種影響因素的綜合作用，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度難以充分發(fā)揮，故應(yīng)對(duì)其作出適當(dāng)調(diào)整.因此，引入修正系數(shù)η，η≤1.0.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并參考現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范建議，對(duì)高強(qiáng)灌漿料加固構(gòu)件，η=0.7.

混凝土受壓區(qū)合壓力計(jì)算公式經(jīng)修正后為

(4)

由力的平衡條件可知F=T+Tm，即

(5)

則加固梁的抗彎承載力為

(6)

式(6)中：αs為新增鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)，取αs=0.9；fy，fy，m分別為原構(gòu)件受拉縱筋及加固縱筋的抗拉強(qiáng)度；As，m和As分別為加固縱筋和原受拉縱筋的截面面積.

極限承載理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表4所示.表4中：Pu，0為極限荷載理論值.由表4可知：試件破壞時(shí)的極限荷載與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.

表4 極限承載理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of ultimate bearing capacity theoretical calaulation and test results

5 結(jié)論

1) 采用高強(qiáng)灌漿料增大截面法對(duì)普通RC梁進(jìn)行加固，新老混凝土間的黏結(jié)性能較好，可以保證新老混凝土間的整體工作，可顯著提高梁的抗彎性能，與對(duì)比梁A1比較，各加固梁極限荷載的提高幅度約為79.4%～104.4%.

2) 采用高強(qiáng)灌漿料對(duì)RC梁進(jìn)行抗彎加固，試驗(yàn)梁開(kāi)裂后的抗彎剛度明顯提高，且對(duì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起到較好的抑制作用，具有良好的抗裂性能，能提高構(gòu)件的延性.

3) 不同的植筋間距對(duì)梁的抗彎性能影響程度不大，植筋間距為150，200 mm的加固梁B4，B5的極限承載力分別僅比植筋間距為100 mm的加固梁B1降低了3.0%和4.6%；梁底加固厚度的增加只能在有限范圍內(nèi)改善新老縱筋的受力差異，對(duì)加固梁的抗彎承載力提高并不明顯.

4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在平截面假定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了高強(qiáng)灌漿料加固RC梁的受彎承載力計(jì)算公式，由此公式計(jì)算的極限荷載值與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.