RPC鋼筋網(wǎng)加固RC梁抗彎性能試驗研究和數(shù)值分析

卜良桃，唐德志

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

鋼筋混凝土(Reinforced Concrete，RC)梁是混凝土結(jié)構(gòu)中重要的承重構(gòu)件。由于設(shè)計誤差、混凝土劣化、鋼筋腐蝕和結(jié)構(gòu)預(yù)期荷載的增加，在其使用壽命內(nèi)有可能需要修補或加固[1]。RC構(gòu)件常采用的加固方法有增大截面法[2]、粘貼鋼板法和預(yù)應(yīng)力加固法等。為了解決現(xiàn)有RC梁抗彎承載性能不足，提出了一種采用活性粉末混凝土鋼筋網(wǎng)的加固材料?；钚苑勰┗炷?Reactive Powder Concrete，RPC)是一種超高性能混凝土[3-4]。與普通混凝土相比具有超高的抗壓強度[5]、較高的抗拉強度和良好的耐久性。同時鋼纖維的存在也對增強混凝土的韌性和抑制混凝土的收縮具有重要作用[6]。正是由于RPC的這些優(yōu)異性能，大量學(xué)者將RPC運用在各種結(jié)構(gòu)的加固改造中。西安建筑科技大學(xué)鄧明科[7]采用RPC外包加固RC柱，研究得到RPC加固層與原混凝土層的界面具有可靠的粘結(jié)強度。李海艷[8]對4根RPC簡支梁開展受彎試驗，獲得了梁的開裂荷載、極限荷載以及荷載-跨中撓度曲線，揭示了RPC簡支梁受彎變形特征與破壞模式。

目前，對于RPC與鋼筋網(wǎng)結(jié)合加固RC構(gòu)件的相關(guān)技術(shù)[9]，國內(nèi)外學(xué)者已進行了研究。但大部分研究未考慮尺寸效應(yīng)，研究對象基本為縮尺試件[10]，且大多數(shù)加固研究都是在卸載或者一次成型的基礎(chǔ)上進行加固，與實際加固情況不符?；诖耍P者以RPC鋼筋網(wǎng)為加固材料，研究加固配筋率和初始受力水平對加固梁抗彎性能的影響。分析梁裂縫分布形態(tài)、荷載-撓度曲線、各材料應(yīng)變發(fā)展規(guī)律和加固梁的破壞模式，并將試驗結(jié)果進行有限元模擬驗證。研究表明，RPC鋼筋網(wǎng)能顯著地提高RC梁的抗彎承載力、截面剛度以及抗裂性能。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

表1 RPC的混合比例

表2 混凝土基本力學(xué)性能指標

表3 鋼筋力學(xué)性能指標

1.2 試件設(shè)計

試驗共制作了6根足尺試驗梁，用于研究在不同加固配筋率和初始受力水平下，RPC鋼筋網(wǎng)加固RC梁的抗彎性能。其中1根試驗梁作為對比梁，編號為RC1，另外5根試驗梁采用RPC鋼筋網(wǎng)進行四面外包加固，編號為B2～B6。加固層厚度取25 mm，試驗梁設(shè)計參數(shù)見表4。RC梁總長4 200 mm，凈跨L0=4 000 mm，截面寬高為200 mm×400 mm。在受拉側(cè)布置3根直徑18 mm的縱筋，受壓側(cè)布置兩根直徑10 mm的架立筋支撐箍筋。為避免剪切破壞，布置直徑為6 mm、間距為200 mm的箍筋，梁構(gòu)造如圖1、圖2所示。

表4 試驗梁設(shè)計參數(shù)

圖1 未加固梁構(gòu)造圖

圖2 加固梁構(gòu)造圖

1.3 加固過程

RPC鋼筋網(wǎng)加固RC梁流程分為4個步驟。

(1)梁表面處理。為了增加RPC加固層與原混凝土層接觸面積，對混凝土梁表面進行鑿毛處理。然后對混凝土表面進行鉆孔、清灰。

(2)綁扎鋼筋網(wǎng)。采用扎絲綁扎和點焊的方式將鋼筋網(wǎng)固定在混凝土表面。

(3)布置剪切銷釘。為防止RPC加固層與試驗梁之間發(fā)生界面剝離破壞，在混凝土梁四面布置剪切銷釘。

(4)支模、后期養(yǎng)護?；炷亮涸谪撦d下進行支模，四面澆筑RPC，48 h后脫模。脫模后，定期噴熱水進行養(yǎng)護，試驗梁在室溫下養(yǎng)護28 d。

1.4 加載方案及測點布置

加載裝置如圖3所示。試驗采用液壓千斤頂進行彎曲加載，在梁跨中放置一根長度為1 600 mm分配式鋼梁，實現(xiàn)兩點集中加載。在梁的左右兩個加載點、支座以及跨中位置處共放置5個百分表，用來測量其撓度。在梁跨中的受拉縱筋、混凝土、鋼筋網(wǎng)和RPC層粘貼應(yīng)變片以測量各個材料的應(yīng)變，應(yīng)變片布置如圖4所示。參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)[14]，試驗采用分級加載制度。加載初期，加載增量為10 kN；當(dāng)荷載接近開裂荷載時，加載增量變?yōu)? kN，以準確獲得其開裂荷載?；炷灵_裂后，荷載的增量仍為10 kN。當(dāng)試驗梁達到預(yù)估極限荷載的90%時，每級荷載增量再次變?yōu)? kN，直至試驗梁破壞。

圖3 試驗梁加載裝置

圖4 跨中截面應(yīng)變片布置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)和裂縫分布

對比梁與加固梁在純彎段內(nèi)的裂縫分布和破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 試件破壞形態(tài)與裂縫分布

從圖5(a)、圖5(b)可以看出，對比梁RC1發(fā)生適筋破壞，底面受拉鋼筋屈服后受壓區(qū)的混凝土壓潰。加固梁B2、B5和B6破壞形態(tài)類似于普通鋼筋混凝土梁的受彎適筋破壞。以試驗梁B2為例，破壞形態(tài)如圖5(c)、圖5(d)所示。從圖中可以看出，破壞時底面鋼筋網(wǎng)和原梁縱筋先后達到屈服強度，然后跨中受壓區(qū)RPC和混凝土被壓碎，發(fā)生延性破壞。對于加固梁B3、B4破壞形態(tài)則類似于普通鋼筋混凝土梁的少筋破壞，以試驗梁B4為例，破壞形態(tài)如圖5(e)、圖5(f)所示。從圖中可以看出，破壞時底面鋼筋網(wǎng)和原梁縱筋依次全部拉斷，受壓區(qū)RPC未被壓潰，發(fā)生脆性破壞。

從圖中裂縫分布形態(tài)可知,對比梁RC1破壞時，底面出現(xiàn)較為稀疏且寬度較大的裂縫，這些裂縫大部分貫穿整個梁寬。側(cè)面形成若干條延伸至梁高2/3處的主裂縫，主裂縫最大寬度大于0.3 mm。

加固梁B3和B4破壞時，底面出現(xiàn)一條寬度大于3 cm主裂縫，主裂縫旁分布了一些細小的受彎裂縫，且這些細小的受彎裂縫大部分未貫穿整個梁寬。在梁側(cè)面上可觀察到由底面延伸至頂部的一條主裂縫和許多受彎微裂縫，這些微裂縫與對比梁RC1相比，分布較短且有著“細而密”的特征。

加固梁B2、B5和B6破壞時，梁底面和側(cè)面的裂縫分布形態(tài)與少筋破壞的加固梁相似，由一條主裂縫和其他細小受彎裂縫構(gòu)成。不同的是，側(cè)面的主裂縫僅延伸至梁高3/4處，且由于鋼筋網(wǎng)未被拉斷，主裂縫的裂縫寬度相對較小，約1 cm左右。

2.2 試驗結(jié)果

試驗梁特征荷載結(jié)果見表5。

表5 特征荷載

2.3 荷載-撓度曲線

試驗梁的荷載-撓度曲線如圖6所示。分析曲線可知，加固梁曲線分為四個階段。

(1)彈性階段。在此階段內(nèi)混凝土尚未開裂，試驗梁的撓度隨荷載的增加呈線性增長，此階段原梁剛度較大。

(2)混凝土帶裂縫工作階段。隨著混凝土裂縫的產(chǎn)生和開展，受拉區(qū)部分混凝土開始退出工作，曲線斜率開始逐漸減小，原梁剛度隨之降低。

(3)二次受力階段。將試驗梁在持荷條件下進行四面外包加固，由于加固后試驗梁剛度得到顯著提升，因此曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點，斜率陡增。隨著荷載的繼續(xù)增加，撓度增長較為緩慢。

(4)縱筋屈服至試件破壞階段。荷載接近原混凝土層縱筋屈服強度時，試驗梁曲線的斜率明顯減小。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，加固梁B2、B5和B6的撓度急劇增加，最終受壓區(qū)RPC和混凝土被壓潰。加固梁B3和B4的荷載達到原混凝土層縱筋屈服時，隨著荷載的繼續(xù)增加，加固層鋼筋網(wǎng)和原混凝土層的受拉鋼筋依次拉斷，曲線進入下降分支；荷載減小，撓度急劇增大。

比較加固梁與對比梁的荷載-撓度曲線可知，對比梁RC1進入裂縫發(fā)展階段后，梁的剛度迅速下降。然而加固梁在達到極限荷載之前，剛度并沒有顯著降低，且在中后期加載階段，其曲線的斜率明顯高于對比梁。

從圖6(a)可知，隨著加固配筋率的增大，截面剛度和抗彎承載力有著顯著提升，試驗梁破壞形態(tài)由少筋破壞變?yōu)檫m筋破壞。從圖6(b)可知，不同的初始受力水平下，加固梁的極限荷載有著顯著的差異。初始荷載越大，原梁鋼筋越早屈服，加固材料利用率越低，極限承載力隨之降低。當(dāng)初始受力水平為0.8Pu時，試驗梁B6的抗彎承載力為一次受力試驗梁B2的53.7%。

圖6 荷載-跨中撓度曲線

2.4 延性分析

加固梁的延性反映了從屈服荷載到極限荷載的預(yù)留承載能力，可以用延性系數(shù)μ表示。根據(jù)文獻[15]，試件的延性定義為最大荷載和屈服荷載下所對應(yīng)的撓度比：

μ=ΔPu/ΔPy.

(1)

式中：ΔPu和ΔPy分別表示最大荷載和屈服荷載下的撓度。

試驗梁延性結(jié)果見表6。從表中可以看出，相比于對比梁RC1，加固梁表現(xiàn)出較低的延性。一方面是因為在受彎作用下，對比梁的受拉區(qū)形成了大量的主裂縫，增加了截面的變形能力，從而使對比梁具有較高的延性。另一方面是由于RPC具有較高的拉伸韌性和應(yīng)變硬化能力，且加固梁破壞時僅形成一條主裂縫，這些原因?qū)е聫?fù)合構(gòu)件的變形能力顯著降低。此外，從加固梁之間延性系數(shù)比較可知，初始受力水平的提高和加固配筋率的增大都會使加固梁的延性系數(shù)減小，其中加固配筋率對延性的影響最為明顯。采用鋼筋網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm的加固梁B3，其延性系數(shù)僅為對比梁RC1的38%。

表6 試驗梁延性

2.5 荷載-應(yīng)變曲線

試件荷載-應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖7 荷載-應(yīng)變曲線

由圖7(a)可知，二次受力初始階段的原梁縱筋與鋼筋網(wǎng)之間存在應(yīng)變差值，說明初始荷載導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)出現(xiàn)應(yīng)變滯后現(xiàn)象。且隨著初始受力水平增大，應(yīng)變差值也越大。加載后期，原梁縱筋與鋼筋網(wǎng)曲線接近重合，應(yīng)變差值逐漸得到消除，表明在加載后期原梁縱筋和鋼筋網(wǎng)仍能夠良好共同工作。

由圖7(b)可知,在相同的初始荷載下，不同的加固配筋率對縱向受拉鋼筋應(yīng)變的增長速度有著顯著的影響。在加載后期，隨著荷載的增加，較低加固配筋率的加固梁B3和B4由于無法承擔(dān)由RPC中鋼纖維傳遞過來的拉力，導(dǎo)致原梁縱筋和鋼筋網(wǎng)應(yīng)變迅速增加，達到其極限拉應(yīng)變。

3 有限元模擬

考慮到加固構(gòu)件數(shù)量有限，得到的試驗數(shù)據(jù)較少，試驗的合理性有待進一步驗證。因此筆者采用ABAQUS模擬軟件來驗證該試驗的準確性。

3.1 模型建立

加固混凝土梁的有限元模型建立過程如圖8所示。

圖8 有限元模型建立

(1)單元選取。RPC與混凝土部件采用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元C3D8R來模擬，鋼筋骨架和鋼筋網(wǎng)采用兩節(jié)點線性三維桁架單元T3D2來模擬。將各部件進行組合，形成裝配體。

(2)邊界條件?？紤]到位移加載與力加載相比更容易收斂，文中采用位移加載。采用線性約束來模擬邊界條件，固定鉸支座約束Dx=Dy=Dz=0，滑動鉸支座約束Dy=Dz=0，保證沿梁跨度方向可以自由伸縮。

(3)相互作用。在考慮不同部件相互作用時，鋼筋骨架與鋼筋網(wǎng)通過Embedded技術(shù)分別嵌入混凝土與RPC中?；炷僚cRPC界面不考慮粘結(jié)滑移，接觸面用Tie技術(shù)綁定處理，為準確還原加載過程中二次受力的加載形式，在模擬中通過設(shè)置兩個加載步，引入“生死單元”即“Model Change”命令來實現(xiàn)[16]。在第一個加載步時，將外包RPC鋼筋網(wǎng)部分單元“殺死”，通過設(shè)置的參考點對原混凝土梁施加初始荷載以實現(xiàn)一次受力；在第二個分析步時，將外包鋼筋網(wǎng)RPC部分單元激活，在參考點處繼續(xù)施加荷載，使其整體共同受力。

3.2 有限元結(jié)果分析

將模擬所得結(jié)果與試驗結(jié)果對比，結(jié)果見表7。從表中可以得出，試驗值和模擬值偏差均在15%以內(nèi)，二者較為吻合。由于模擬過程將試件視為理想狀態(tài)，且單元具有均勻、各向同性、接觸形式統(tǒng)一等特征；而在實際試驗中，在試件制作、養(yǎng)護及加載過程存在差異，導(dǎo)致模擬極限承載力相對較高，但偏差仍處于合理范圍之內(nèi)，與試驗結(jié)果偏差不大。

表7 試驗值和模擬值結(jié)果對比

筆者以試件B2為例，其RPC塑性損傷圖和鋼筋應(yīng)力云圖如圖9所示。從圖中可以看出，模擬試件的破壞形態(tài)和試驗結(jié)果相符，RPC純彎段裂縫分布細而密，受壓區(qū)RPC被壓潰，鋼筋骨架和鋼筋網(wǎng)的底面縱向鋼筋皆達到屈服狀態(tài)。加固梁荷載-撓度曲線對比結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，曲線能較好模擬加固梁彈性階段、屈服階段和破壞階段的受力特征。圖中各加固梁模擬得到的荷載-撓度曲線與試驗曲線基本吻合。綜上來看，有限元模型設(shè)計合理，模擬結(jié)果正確可靠。

圖9 試驗梁B2模擬結(jié)果

圖10 有限元與試驗荷載-撓度曲線對比

4 結(jié) 論

(1)采用RPC鋼筋網(wǎng)對RC梁進行加固，能較好地改善梁抗彎性能。與未加固梁RC1相比，加固梁的開裂荷載提高了39.4%～142%，極限荷載提高了71.4%～141.3%。

(2)在相同的初始受力水平下，提高加固配筋率能夠較好發(fā)揮RPC的抗壓強度，以此來提高試驗梁的抗彎承載力。

(3)通過ABAQUS軟件建立混凝土塑性損傷模型模擬混凝土的受壓和受拉開裂行為，可以較好地模擬試驗梁的受力狀況，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好，可為相關(guān)分析提供參考。