張 陽,劉穎峰
(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)
鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)在建造和服役過程中,受荷載反復(fù)作用、腐蝕環(huán)境和材料內(nèi)部作用的影響,不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減和性能退化[1]。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)是基于最大堆積密度理論和纖維增強(qiáng)技術(shù)而發(fā)展形成的一種具有高彈性模量、高抗拉壓強(qiáng)度、超高耐久性和低徐變性能等優(yōu)點(diǎn)的水泥基復(fù)合材料。UHPC通常在基體中摻入纖維以提高其韌性,UHPC內(nèi)部受纖維的約束,其斷裂韌性約為普通混凝土的30倍[2]。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在適當(dāng)處理下UHPC與普通混凝土界面黏結(jié)性能可靠[3],且UHPC在耐磨性、抗凍融循環(huán)、抗?jié)B透性等耐久性上也具備顯著優(yōu)勢[4],因此在損傷開裂的混凝土表面澆筑UHPC進(jìn)行加固不僅能提高結(jié)構(gòu)的承載能力,還能改善結(jié)構(gòu)的抗裂性能、安全性和耐久性,提高結(jié)構(gòu)使用年限。
目前各國學(xué)者對應(yīng)用UHPC加固RC梁抗彎性能的研究較多[5],但對抗剪性能進(jìn)行加固的研究較為缺乏。UHPC在基體受拉開裂產(chǎn)生微裂縫后仍可保持較高的拉應(yīng)力,具有類似的應(yīng)變硬化特性的水泥基材料在應(yīng)用于RC梁抗剪加固時(shí)可充分發(fā)揮其材料的受拉特性。LAMPROPOULOS[6]等使用UHPFRC分別對RC梁進(jìn)行受拉區(qū)加固、受壓區(qū)加固和三面圍套加固,試驗(yàn)結(jié)果表明加固效果良好;周磊[7]等使用UHPFRC薄板進(jìn)行抗剪加固,提高了梁的承載力、剛度和延展性;謝海波[8]等使用致密應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(DSHCC)加固剪切RC梁,提高了開裂剪切強(qiáng)度和極限剪切強(qiáng)度;鄧明科[9]等使用基于ECC的高延性混凝土對無腹筋梁進(jìn)行抗剪加固,顯著提高了梁的抗剪承載力和變形能力;MARTINOLA[10]等使用纖維混凝土對損傷RC梁進(jìn)行三面圍套U形加固,加固梁的極限荷載提高顯著。
在工程實(shí)踐中,需進(jìn)行加固的RC梁通常已經(jīng)損傷開裂,裂縫寬度是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段的重點(diǎn)觀測參數(shù)[11]。聶建國[12]等使用高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)-滲透性聚合砂漿抗剪加固RC梁,有損傷的二次受力加固梁的開裂荷載和破壞荷載顯著低于無損傷的一次受力加固梁;司建輝[13]等采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固損傷梁抗剪性能,有加固梁的極限承載力低于未加固梁的現(xiàn)象,而林于東[14]等采用粘鋼加固方法,損傷加固梁的極限荷載反而略大于未損傷加固梁。上述研究表明RC梁斜截面抗剪受力機(jī)理復(fù)雜,剪切裂縫對抗剪加固效果的影響不可忽視,是否損傷對不同加固方法的影響可能截然相反。近年來的抗剪加固試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的RC梁多為小尺寸的矩形截面梁,對T梁、工字梁、箱梁等抗剪加固研究相對不足,考慮梁損傷的研究較少,且增大截面加固法進(jìn)行加固時(shí)加固層一般需要植筋配筋,針對上述問題,本文提出一種高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC抗剪加固方法,加固損傷工字形截面RC梁,通過三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)研究加固梁的抗剪性能,為應(yīng)用UHPC抗剪加固分析和設(shè)計(jì)提供參考。通過對工字形截面梁進(jìn)行抗剪加固研究,可推廣至T梁、箱梁、空心板梁等截面形式的薄腹板梁抗剪加固,并為預(yù)應(yīng)力混凝土梁加固提供前期研究基礎(chǔ)與參考。
為有效比較RC梁加固前后的抗剪性能,RC梁采用強(qiáng)彎弱剪的設(shè)計(jì)方法,確保加固后試件仍然為剪切破壞。本試驗(yàn)制作了2根相同尺寸與配筋的工字形截面RC梁,梁長3 000 mm,梁高600 mm,上、下翼緣板寬度均為400 mm,腹板寬度140mm。梁底受拉翼緣縱向布置8根直徑25 mm的鋼筋,受拉縱筋配筋率ρ為5.0%,梁頂受壓翼緣縱向布置4根直徑25 mm的鋼筋以增強(qiáng)受壓區(qū);箍筋直徑為8 mm,雙肢箍形式,箍筋間距200mm,箍筋配筋率ρsv為0.359%。每側(cè)UHPC澆筑厚度為20 mm,高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)的直徑為3 mm,網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。試件尺寸與配筋如圖1所示。
圖1 試件尺寸與配筋(單位:mm)
試件參數(shù)如表1所示,2根RC梁在室內(nèi)進(jìn)行制作,所用鋼筋均為相同批次產(chǎn)品的HRB400鋼筋,采用木模板支模,使用C50普通混凝土一次性完成澆筑,澆筑時(shí)充分振搗以確?;炷撩軐?shí)。2根RC原梁在常溫下自然養(yǎng)護(hù)40 d后,均進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載,剪跨段長度為1 400 mm,梁有效高度為560 mm,剪跨比為2.5。其中一根RC梁進(jìn)行一次性破壞加載,另一根RC梁在完成損傷加載后,將梁傾倒平放至室內(nèi)水平地面,對兩側(cè)的腹板表面使用手持式電錘進(jìn)行機(jī)械鑿毛處理,鑿毛深度約2 mm。在澆筑UHPC前提前將RC梁腹板面調(diào)至水平并支設(shè)模板,高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)平鋪于腹板表面,對鑿毛界面充分灑水濕潤并覆蓋薄膜保濕,澆筑UHPC時(shí)可自流平。在實(shí)際加固工程進(jìn)行大規(guī)模蒸汽高溫養(yǎng)護(hù)往往較為困難,故澆筑后對UHPC進(jìn)行常溫自然養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)7 d后將試件翻面,采用相同工藝澆筑另一側(cè)。以第二次澆筑UHPC完成之日起,養(yǎng)護(hù)40 d。
表1中B2-SU的RC原梁在預(yù)損傷加載試驗(yàn)中,根據(jù)最大裂縫寬度控制損傷加載程度。當(dāng)達(dá)到控制荷載時(shí),跨中底部產(chǎn)生了較窄的豎向彎曲裂縫(小于0.10 mm),腹板處生成了較寬的斜裂縫且達(dá)到了0.20 mm,斜裂縫大致沿加載點(diǎn)與支座連線分布。當(dāng)最大斜裂縫寬度達(dá)到0.20 mm且持載穩(wěn)定一段時(shí)間后分級卸載,卸載時(shí)裂縫明顯回縮,卸載后較長較寬裂縫的剩余寬度在0.02~0.05 mm,細(xì)小裂縫則完全閉合。
表1 試件參數(shù)Table 1 Description of test specimens試件編號剪跨比加固方法損傷加載程度B12.5——B2-SU2.520 mmUHPC+高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)裂縫寬度0.20 mm
試驗(yàn)所用普通混凝土的碎石骨料的最大粒徑不超過20 mm,按C50混凝土進(jìn)行配置。UHPC采用湖南固特邦公司干混料產(chǎn)品,材料主要由水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、石英砂、高效減水劑和混合鋼纖維組成;為提高UHPC的抗拉性能,混合鋼纖維由體積摻量2%的長13 mm、直徑0.2 mm的端鉤型鋼纖維和體積摻量1%的長8 mm、直徑0.12mm的圓直型鋼纖維混雜而成,鋼纖維體積摻量為3%,鋼纖維抗拉強(qiáng)度高于2 000 MPa,彈性模量200 GPa;減水劑采用聚羧酸高效減水劑,體積含量1.5%、減水率大于30%,UHPC水膠比為0.18。
根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)和《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)的相關(guān)規(guī)定和方法分別對普通混凝土和UHPC進(jìn)行材料性能試驗(yàn)。分別測得普通混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量,及UHPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。參照法國UHPC設(shè)計(jì)規(guī)程,通過軸拉試驗(yàn)測得UHPC的抗拉性能。所有材性試件與試驗(yàn)梁同時(shí)澆筑、同條件養(yǎng)護(hù)。普通混凝土和UHPC的實(shí)測材料性能如表2所示。
表2 普通混凝土與UHPC材料特性Table 2 Material properties of NC and UHPC材料立方體抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa抗拉開裂/極限強(qiáng)度普通混凝土56.9734.83.32UHPC145.9147.98.6/9.6
試件所用普通鋼筋均為同批次HRB400鋼筋,根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228.1-2010)進(jìn)行力學(xué)性能測試。高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)直徑為3 mm,網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm,其材料力學(xué)性能由供應(yīng)商提供。所有鋼筋的力學(xué)性能結(jié)果列于下表3。
表3 鋼筋力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of steel reinforcement鋼筋直徑/mm屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa縱向鋼筋25470.32603.98200箍筋與構(gòu)造鋼筋8432.28583.25200高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)31 292.001 520.00205
如圖2所示,試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載,通過跨中液壓千斤頂施加荷載,通過橫梁傳力使試件受力均勻,液壓千斤頂上布置壓力傳感器測量荷載。在試件的縱向方向上布置5個(gè)千分表測量梁的撓度和變形。采用電阻式應(yīng)變片測量鋼筋的受拉應(yīng)變情況,由于箍筋上若粘貼過多的應(yīng)變片會影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)從而影響梁的受力性能,箍筋應(yīng)變片粘貼在加載點(diǎn)與支座處縱筋高度點(diǎn)連線的交點(diǎn)位置,在受拉縱筋跨中位置粘貼應(yīng)變片。試驗(yàn)加載采用單調(diào)分級加載,正式加載前需進(jìn)行預(yù)加載以驗(yàn)證儀器設(shè)備是否正常工作,使試件與支座和橫梁充分接觸。試件在加載初期根據(jù)荷載控制加載,當(dāng)試件撓度表現(xiàn)出明顯非線性或達(dá)到極限荷載后,改用跨中底部豎向位移測點(diǎn)值控制加載,加載持續(xù)至試件破壞。
圖2 加載裝置與測點(diǎn)布置(單位:mm)
試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見表4,表中試件編號B1為一次性加載破壞的RC梁;B2為進(jìn)行損傷加載的RC原梁,損傷加載程度根據(jù)裂縫寬度控制,當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.20 mm時(shí)停止,故B2損傷加載中的最大荷載為250 kN;B2-SU表示對損傷RC試件B2進(jìn)行抗剪加固的加固試件。表中Pcr、P0.2、P0.4分別表示試件的斜裂縫開裂荷載、最大裂縫寬度超過0.2、0.4 mm時(shí)的特征荷載;Pu、Δu表示試件的極限荷載與極限荷載下的跨中撓度。
表4 試件特征值Table 4 Characteristic values of specimens試件編號加固方式Pcr/kNP0.2/kNP0.4/kNPu/kNΔu/mmB1—1752053405936.608B2RC原梁180250——1.032B2-SU高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)+UHPC3607007857935.122
B1、B2為同批次澆筑的相同尺寸RC梁,其斜裂縫開裂荷載較為接近,但梁剪切開裂后,普通混凝土受拉失效應(yīng)力軟化,斜裂縫生成的位置不可控,鋼筋混凝土梁中箍筋受拉提供抗剪能力以約束裂縫擴(kuò)展的機(jī)理復(fù)雜,故隨著荷載逐漸加大,2根試件裂縫寬度達(dá)到0.20 mm時(shí)的特征荷載差異稍大,證實(shí)了RC梁受剪性能具有一定的偶然性和離散性,屬于剪切試驗(yàn)中常見現(xiàn)象。B2-SU經(jīng)過腹板高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC加固后,抗裂性能和極限承載能力均有顯著提升。與加固原梁B2相比,B2-SU斜裂縫開裂荷載提高了100%,最大裂縫寬度達(dá)到0.20 mm時(shí)的特征荷載提高了180%。與B1相比,B2-SU最大裂縫寬度達(dá)到0.40 mm時(shí)的特征荷載提高了130%,極限承載力提高了34%。B2-SU在極限荷載下的跨中撓度低于B1。
圖3為荷載-裂縫寬度曲線,其中裂縫寬度取加載過程中最大寬度。在早期,所有試件均先出現(xiàn)靠近跨中位置的彎曲裂縫,自下翼緣豎直向上開裂,但受縱筋有效約束寬度局限(0.02~0.05mm);隨著荷載逐漸加大,RC梁(B1、B2)腹板位置會生成獨(dú)立的腹剪斜裂縫,同時(shí)彎曲裂縫向上延伸的過程中發(fā)展成彎剪斜裂縫,此后最大裂縫寬度均為斜裂縫,斜裂縫大致沿加載點(diǎn)與支座連線分布;接近極限荷載時(shí),B1腹板表面普通混凝土已嚴(yán)重剪切開裂并退出工作,無法提供有效的抗剪能力,裂縫寬度已超過1.2 mm。B2-SU由于腹板表面經(jīng)高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC層加固,UHPC具有高抗拉強(qiáng)度和高韌性,高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)亦可約束裂縫擴(kuò)張,故B2-SU的裂縫寬度發(fā)展遲緩,控制在0.20 mm以內(nèi);在破壞階段,B2-SU臨界裂縫已經(jīng)生成并貫穿UHPC層表面,故裂縫寬度快速突增。
圖3 荷載-裂縫寬度曲線
高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC加固方法對RC梁表層的剪切裂縫寬度控制好,使RC梁經(jīng)過加固后,抗裂性能顯著改善,裂縫寬度不超限,提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和使用年限。而當(dāng)荷載接近破壞荷載時(shí)早已不是正常使用極限狀態(tài),應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算,裂縫寬度不再是主要控制參數(shù)。由于UHPC加固層覆蓋住了腹板普通混凝土表面,在試驗(yàn)中無法觀察到內(nèi)部普通混凝土的開裂情況,相較于B1裂縫寬度從0.40~1.00 mm近似線性增長,B2-SU在荷載超過700 kN后由于內(nèi)部混凝土失效導(dǎo)致表層裂縫寬度突增,因此單從外觀裂縫寬度來評估加固梁是否臨近承載能力極限狀態(tài)時(shí)需謹(jǐn)慎考慮。
RC梁豎向撓度通常包括彎曲變形和剪切變形,常規(guī)設(shè)計(jì)下RC梁的剪切變形對撓度的貢獻(xiàn)通??梢院雎?,但有腹筋RC梁斜向開裂下會顯著降低梁體的有效剪切剛度,導(dǎo)致剪切變形顯著增大[15]。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的梁長較短,縱筋配筋較多,抗彎剛度大且抗彎剛度損傷相對較小,因此各個(gè)試件在早期的下?lián)现饕蓮澢冃螌?dǎo)致,剛度由彎曲剛度占據(jù)主導(dǎo),中后期由于斜裂縫生成,剪切變形對撓度的影響不可忽視,剪切剛度對剛度退化的影響更為顯著。
圖4為各個(gè)試件的荷載-位移曲線,位移取跨中梁底豎向位移。在早期彈性階段,所有試件的剛度較為接近,所有試件在荷載150 kN附近生成彎曲裂縫,此時(shí)彎曲裂縫的生成對剛度影響有限。剪切裂縫生成后,B1、B2由于普通混凝土受拉損傷導(dǎo)致剛度退化較為明顯,而UHPC內(nèi)的鋼纖維在初裂后能約束裂縫擴(kuò)展使得UHPC保持應(yīng)變硬化,穿過裂縫的高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)可約束裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,故B2-SU的UHPC加固層呈現(xiàn)出多點(diǎn)開裂的微裂縫階段,剛度保持較好。B2的普通混凝土在損傷加載過程中產(chǎn)生了裂縫和塑性變形,在卸載后具有一定的殘余變形,內(nèi)部缺陷得到釋放,故B2-SU早期線性較好,剛度相較于B2更加穩(wěn)定,當(dāng)荷載超過500 kN時(shí)才呈現(xiàn)出剛度退化現(xiàn)象,而B1由于剪切開裂嚴(yán)重導(dǎo)致剛度退化明顯。在接近極限荷載時(shí),由于RC梁具有較高的縱筋配筋率和寬厚的受壓翼緣,在破壞的過程中受壓翼緣壓潰和斜裂縫上延發(fā)展過程相對緩慢,故與常規(guī)的RC梁剪切破壞試驗(yàn)現(xiàn)象不同,B1在超過極限荷載后仍能測得較長的下降段曲線。B2-SU由于臨界斜裂縫貫穿延伸,結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致位移突增進(jìn)入下降階段,表現(xiàn)出加固后具有一定脆性,延性稍顯不足的問題,但同樣可測得一定的下降段位移數(shù)據(jù)。
(a) 整體曲線
本試驗(yàn)的RC梁采用強(qiáng)彎弱剪的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行制作,故所有試件的受拉縱筋在加載過程中均未屈服,而箍筋充分受拉發(fā)揮抗拉性能。圖5為各個(gè)試件的荷載-箍筋應(yīng)變曲線,選擇穿過斜裂縫、已屈服、具有代表性的箍筋應(yīng)變數(shù)據(jù)來表征各個(gè)試件在荷載下的箍筋響應(yīng)。在早期荷載作用下,箍筋應(yīng)變較小,此時(shí)荷載主要由混凝土承擔(dān),此時(shí)箍筋拉應(yīng)變較小。當(dāng)與箍筋相交的斜裂縫生成后,箍筋為約束斜裂縫擴(kuò)展受拉伸長,應(yīng)變階梯式快速增長,B1在240 kN左右、B2-SU在450 kN左右箍筋應(yīng)變均有大幅度突變。隨著荷載逐漸加大,斜裂縫數(shù)量和寬度不斷增大,普通混凝土受剪開裂損傷退化,箍筋逐漸屈服以進(jìn)一步抵抗剪力,在應(yīng)力重分布下,箍筋受力可能發(fā)生劇烈變化,故B2-SU表現(xiàn)出應(yīng)變反復(fù)升降現(xiàn)象。接近極限荷載時(shí),臨界主裂縫形成,箍筋應(yīng)變已經(jīng)較大,增長速度進(jìn)一步加快,直至試件破壞。
圖5 荷載-箍筋應(yīng)變曲線
圖6為試件的裂縫分布與破壞形態(tài)示意。從裂縫數(shù)量和寬度來看,B2-US腹板表面經(jīng)過加固,裂縫數(shù)量少于B1,且裂縫寬度控制較好;從裂縫位置來看,2根試件的較寬裂縫均以斜裂縫為主,裂縫角度為30°~45°,沿加載點(diǎn)與支座連線兩側(cè)分布;從臨界裂縫來看,B1梁的臨界裂縫為腹剪斜裂縫發(fā)展而成,更靠近支座,與支座應(yīng)力集中生成的裂縫群相連,且上延至上翼緣與腹板交界處,而B2-SU臨界裂縫為彎剪斜裂縫發(fā)展,更靠近跨中,與下翼緣縱向鋼筋滑移撕裂生成的水平裂縫相連。
(a) B1
結(jié)合裂縫發(fā)展與分布、位移響應(yīng)和鋼筋應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù),試件失效的原因是由臨界斜裂縫過寬導(dǎo)致,B1、B2-SU均為剪切破壞模式,但不同于無腹筋梁或普通配筋矩形梁,本試驗(yàn)的試件破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的延性,這是由于受拉縱筋配筋率較高,受壓翼緣寬厚導(dǎo)致。從加載過程中的現(xiàn)象來看,B1、B2-SU均是腹板的斜裂縫張拉擴(kuò)展,穿過斜裂縫的箍筋已屈服,受壓翼緣逐漸壓潰導(dǎo)致失效,因此2根試件的破壞模式與剪壓破壞相似,區(qū)別在于剪壓區(qū)壓潰過程夠不夠典型。在加載試驗(yàn)過程中,UHPC加固層與RC界面粘結(jié)可靠,界面粘結(jié)不是控制破壞的因素。在完成試驗(yàn)后破拆B(yǎng)2-SU,發(fā)現(xiàn)腹板內(nèi)部普通混凝土的斜裂縫與表面斜裂縫位置基本一致,普通混凝土在下翼緣和腹板拉裂嚴(yán)重,推測試件剪切破壞失效的原因是腹板普通混凝土受拉累計(jì)損傷過重,因此在抗剪加固時(shí)需謹(jǐn)慎評估原梁普通混凝土的損傷程度。
本文提出了高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC加固損傷RC梁抗剪性能方法,通過對1根RC對比梁和1根損傷加固梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),對比分析和研究了該加固方法對梁抗剪性能的改善效果,得到以下結(jié)論:
a.采用高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC加固損傷RC工字梁腹板,有效抑制了加固后梁的裂縫生成與發(fā)展,改善了加固后結(jié)構(gòu)的抗裂性能,斜裂縫開裂荷載提高了100%,在0.88倍的極限荷載下,最大裂縫寬度仍可控制在0.20 mm以內(nèi),有利于結(jié)構(gòu)的耐久性。
b.通過高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)-UHPC加固層加固RC梁腹板后,其剛度有所提高,剛度退化減弱,抗剪極限承載能力提高了34%。
c.所有試件的破壞模式均為剪切破壞,破壞現(xiàn)象與剪壓破壞相似,UHPC與普通混凝土界面粘結(jié)良好,推測普通混凝土受拉累計(jì)損傷過重導(dǎo)致試件破壞失效,原梁損傷程度對抗剪性能的影響不可忽視。