卜良桃,彭 超,李 為

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082)

鋼纖維水泥砂漿加固是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)新技術(shù).該加固技術(shù)利用纖維砂漿優(yōu)良的物理力學(xué)性能及界面劑優(yōu)良的黏結(jié)作用,使得加固砂漿薄層與原構(gòu)件具有較好的整體工作性能.鋼纖維水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度、剛度和溫度線膨脹系數(shù)等均與被加固的混凝土材料相接近,能很好地、協(xié)調(diào)地共同受力,其具有較好的耐火、耐久性,且施工簡(jiǎn)單,因此具有巨大的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1].為了使鋼纖維水泥砂漿這種加固新材料能早日在土木工程領(lǐng)域得到應(yīng)用,筆者對(duì)采用此技術(shù)加固的鋼筋混凝土足尺梁的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 材性試驗(yàn)

1.1 原材料

湖南韶峰水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的韶峰牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥;中砂;細(xì)度模數(shù)為2.3～2.6;自來(lái)水;鞍山昌宏鋼纖維廠生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維,長(zhǎng)度為12～15mm,直徑d=0.15～0.20mm,抗拉強(qiáng)度為2GPa;ZM外加劑,由長(zhǎng)沙市固力實(shí)業(yè)有限公司提供.

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

由于影響鋼纖維水泥砂漿強(qiáng)度的主要因素是基體水泥砂漿配合比[2],本次試驗(yàn)將鋼纖維摻量恒定為體積的2%.以砂漿的抗壓強(qiáng)度作為主要研究指標(biāo),選用不同組合配合比的鋼纖維水泥砂漿進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)所得強(qiáng)度等級(jí)為M30[3]的鋼纖維水泥砂漿中水泥、砂、水和鋼纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27%,53%,13%和7%.每種配合比取6個(gè)試塊進(jìn)行試驗(yàn),各配合比鋼纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 各配合比鋼纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table1 Test results of compressive strength for steel fiber ferrocement mortar with different proportion ratios

2 試驗(yàn)方案

為了保證鋼筋網(wǎng)纖維砂漿薄層與試件能很好地共同工作,采用涂抹界面黏結(jié)劑和植抗剪銷(xiāo)釘?shù)姆椒?為了研究采用此加固方法加固的受彎試件可能產(chǎn)生的破壞形式以及正截面受彎承載力的提高程度等[4],分別對(duì)3根一次受力和3根二次受力的加固梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn).

2.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用了不加固的對(duì)比梁1根,A組一次受力的試驗(yàn)梁3根,B組二次受力的試驗(yàn)梁3根.試驗(yàn)梁的截面尺寸為 b×h=200mm×400 mm,跨度為 l=4400mm,凈跨 l0=4200mm,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C25,其中水泥、砂、石和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%,27%,53%和7%,基本參數(shù)見(jiàn)表2.縱向受拉鋼筋為316,架立筋為210,縱向配筋率ρs=0.754%[5].

表2 試驗(yàn)梁參數(shù)Table 2 Parameters for test beams

為了研究不同加固鋼筋網(wǎng)對(duì)試驗(yàn)梁抗彎性能的影響,本次試驗(yàn)加固鋼筋網(wǎng)采用3種不同的加固方法[6-7].加固方法1:加固網(wǎng)格梁底和梁兩側(cè)中軸線以下采用6@100×100,梁兩側(cè)中軸線以上采用6@100×100(3種加固方法均同).加固方法2:梁底及梁兩側(cè)中軸線以下采用6@75×75.加固方法3:梁底及梁兩側(cè)中軸線以下采用6@50×50,纖維砂漿厚度梁底及梁兩側(cè)均為25mm,如圖1所示.圖中P為試驗(yàn)所加外荷載,經(jīng)分配梁分配,每個(gè)節(jié)點(diǎn)所加荷載為P/2.

圖1 試驗(yàn)梁模板、配筋及加固示意圖(尺寸單位:mm)Fig.1 Pattern plate,reinforcement and strengthening(unit of size:mm)

2.2 加載方案與測(cè)試內(nèi)容

本試驗(yàn)采用的加載裝置為杠桿,放大系數(shù)為5.2(圖2).對(duì)比梁和一次受力加固梁分級(jí)加載至縱筋屈服和破壞;二次受力加固梁一次受力后,在不卸載的情況下進(jìn)行加固處理,養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行二次加載,直到鋼筋屈服破壞為止.

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)百分表測(cè)量每級(jí)荷載下的跨中撓度;通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量原試件底筋、部分鋼筋網(wǎng)鋼筋和加固層的應(yīng)變值;通過(guò)裂縫刻度放大鏡觀測(cè)梁裂縫出現(xiàn)部位、發(fā)展過(guò)程、最終分布情況,并記錄裂縫發(fā)展過(guò)程中關(guān)鍵部位的最大裂縫寬度[8].

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test devices

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

對(duì)比梁的破壞形態(tài)為典型的鋼筋混凝土適筋梁破壞,首先底部鋼筋屈服,最后以受壓區(qū)混凝土壓碎為破壞標(biāo)志.加固梁的破壞形態(tài):加固后試件的延性較好,加載過(guò)程中,當(dāng)原梁底筋的應(yīng)變超過(guò)鋼筋彈性階段的應(yīng)變時(shí),裂縫開(kāi)展寬度及跨中最大撓度遠(yuǎn)小于對(duì)比梁,說(shuō)明此時(shí)加固梁仍處于穩(wěn)定階段,可以繼續(xù)承受荷載;當(dāng)原梁鋼筋屈服時(shí),受壓區(qū)混凝土的變形較小,應(yīng)力較小;當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí),鋼筋變形很快增大,試件進(jìn)入變形和裂縫開(kāi)展較快的階段,此時(shí)受壓區(qū)混凝土仍未被壓碎;當(dāng)荷載再繼續(xù)增加時(shí),纖維砂漿表面出現(xiàn)的豎向裂縫快速向上延伸,與水平裂縫交匯,在試件受壓區(qū)形成三角形的破壞區(qū),混凝土被壓碎,破壞的形態(tài)近似于延性很好的鋼筋混凝土適筋梁,如圖3所示.

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens

從試驗(yàn)過(guò)程描繪的試件裂縫開(kāi)展情況可以看出:鋼纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固使得試件具有良好的抗裂性能,加固后試件的裂縫形態(tài)與未加固試件相比,在相同荷載等級(jí)下,純彎段的裂縫分布明顯具有密而細(xì)的特點(diǎn);鋼纖維水泥砂漿良好的抗拉性能使得裂縫的發(fā)展較對(duì)比梁緩慢;試件破壞時(shí),加固梁表面的裂縫與對(duì)比梁相比,數(shù)量要多,間距要小,裂縫寬度要小;相對(duì)于二次受力梁,一次受力的加固梁裂縫要密而且發(fā)展更充分.

3.2 承載力

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.從表3可以看出,加固梁與對(duì)比梁相比,其開(kāi)裂荷載、屈服荷載及極限荷載都有不同程度的提高.從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:相同受力形態(tài)下,加固配筋率越高,加固梁的荷載提高幅度越大;加固配筋率相同的梁,一次受力比二次受力的荷載提高幅度大.

3.3 撓度

一次受力梁的荷載-跨中撓度曲線如圖4(a)所示.從圖4(a)可以看出,加固梁在給定的荷載下,跨中撓度相對(duì)于對(duì)比梁均有所減小,曲線斜率都有不同程度的增大,可見(jiàn)試件的抗彎剛度都得到了提高.

表3 承載力試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test results of bearing capacity

圖4 荷載-跨中撓度曲線Fig.4 Curves of load-deflection for test beams

二次受力梁的荷載-跨中撓度曲線如圖4(b)所示.從圖4(b)可以看出:在一次受力階段,梁的曲線基本重合.二次受力的開(kāi)始階段,所有加固梁的荷載-撓度曲線斜率明顯增大,即加固后截面剛度明顯提高;隨著荷載的增加,在原梁底縱筋屈服時(shí),曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),最大跨中撓度均大于對(duì)比梁破壞前的最大撓度,在此過(guò)程中,梁側(cè)加固縱筋發(fā)揮了作用,使得構(gòu)件的延性有較明顯的提高,同時(shí)對(duì)裂縫的發(fā)展起到一定約束作用.在荷載-撓度曲線中,加固配筋率較大的加固梁的曲線斜率,能將小配筋率的曲線基本“包絡(luò)”,這說(shuō)明加固底筋的配筋率較大時(shí),截面剛度的提高也較明顯.

3.4 應(yīng)變

3.4.1 鋼筋應(yīng)變

從圖5可知:在一次受力的情況下,對(duì)比同級(jí)荷載,對(duì)比梁的鋼筋應(yīng)變大于纖維砂漿加固的梁,說(shuō)明加固鋼筋參與了原構(gòu)件的共同工作,分擔(dān)了部分荷載.一次受力試驗(yàn)梁,基本上出現(xiàn)原梁縱筋與加固縱筋同時(shí)屈服的現(xiàn)象,部分梁出現(xiàn)加固縱筋比原梁縱筋先屈服的現(xiàn)象,說(shuō)明加固效果良好,原梁縱筋與加固縱筋能共同工作.

從圖5還可以看出:二次受力的加固梁,開(kāi)始階段原底縱筋的荷載-應(yīng)變曲線與對(duì)比梁基本重合,曲線斜率均有所增大,且加固底筋的應(yīng)變?cè)龃蠓容^原底縱筋稍大,驗(yàn)證了加固后加固層和原試件之間能基本保持平截面假定;此后兩者的應(yīng)變穩(wěn)步增大,原底筋屈服后,增加的荷載由加固鋼筋網(wǎng)來(lái)承擔(dān),此時(shí),梁撓度增大的幅度較大,側(cè)向鋼筋進(jìn)一步發(fā)揮作用,使得試件的極限承載力和延性都有明顯的提高.

3.4.2 混凝土和砂漿應(yīng)變

混凝土表面應(yīng)變:在同期荷載下,對(duì)比梁的混凝土表面應(yīng)變大于加固梁,說(shuō)明鋼筋網(wǎng)纖維砂漿薄層有效地限制了裂縫的開(kāi)展.從圖6可知,從加載開(kāi)始到破壞前,跨中受壓區(qū)混凝土與砂漿層測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)變基本上是同步增大的,兩者曲線的形狀比較相似,說(shuō)明加固層和原試件協(xié)同工作的性能良好,加固側(cè)向砂漿層能直接參與受壓.因此,在建立極限承載力公式時(shí),考慮纖維砂漿的作用是必要的.

圖5 荷載-跨中縱筋拉應(yīng)變曲線Fig.5 Curves of load-tensile strain of longitudinal reinforcement for test beams

圖6 荷載-跨中混凝土及砂漿壓應(yīng)變曲線Fig.6 Curves for load-compressive strain of concrete and mortar for test beams

4 承載力計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,鋼筋網(wǎng)加固的試件仍然基本符合平截面假定,依據(jù)極限平衡狀態(tài),可列出平衡方程.根據(jù)一次受力試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)出了簡(jiǎn)單實(shí)用的承載力計(jì)算公式

根據(jù)二次受力試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)出的計(jì)算公式為

式中:fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b——矩形截面寬度;h——截面高度;x——混凝土受壓區(qū)高度;As——受拉區(qū)或受壓區(qū)縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積;Mu——構(gòu)件的正截面受彎承載力設(shè)計(jì)值;ho——截面有效高度;fs——纖維砂漿軸心抗壓強(qiáng)度;t——加固層寬度;Asm——梁底鋼筋網(wǎng)縱筋面積;A′sm——梁側(cè)鋼筋網(wǎng)縱筋面積;σsm——梁底鋼筋網(wǎng)縱筋應(yīng)力,極限狀態(tài)取為fsm;d——加固底筋的直徑;β——側(cè)向鋼筋作用綜合影響系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,取為1.5h/b;hsm——側(cè)向鋼筋網(wǎng)合力作用點(diǎn)對(duì)受壓區(qū)混凝土合力作用點(diǎn)的力臂高度,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可用公式 hsm=h-2.6x進(jìn)行計(jì)算,當(dāng) hsm＜時(shí)按hsm=計(jì)算.

根據(jù)以上公式計(jì)算得到的極限荷載與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的極限荷載如表4所示.由表4可知,計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好.

5 非線性有限元分析

表4 極限荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Table4 Comparison between calculated and test ultimate loads

5.1 材料本構(gòu)模型

a.混凝土和鋼纖維水泥砂漿.采用3D彈塑性單元模擬鋼纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁.考慮箍筋和鋼筋網(wǎng)的約束效應(yīng),鋼筋網(wǎng)以?xún)?nèi)核心區(qū)混凝土采用非線性常約束效應(yīng)模型[9].雖然目前還沒(méi)有鋼纖維水泥砂漿這種材料的本構(gòu)關(guān)系可以參考,但考慮到鋼纖維水泥砂漿與原混凝土梁的混凝土為相同的水泥基,分析中假定鋼纖維水泥砂漿與混凝土梁的混凝土具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.非線性分析中的混凝土和鋼纖維砂漿強(qiáng)度均為圓柱體抗壓強(qiáng)度 f′c,f′c=0.79fcu.

b.鋼筋和鋼筋網(wǎng)鋼筋.在加固梁中,鋼筋和鋼筋網(wǎng)鋼筋基本處于單軸受力狀態(tài),應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相對(duì)比較簡(jiǎn)單,因此鋼筋和鋼筋網(wǎng)鋼筋均采用簡(jiǎn)單的雙線性剛度硬化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.

5.2 非線性分析程序驗(yàn)證

利用ANSYS有限元軟件對(duì)加載試驗(yàn)進(jìn)行非線性有限元模擬,選取采用加固方法2的A2梁和B2梁進(jìn)行分析.為便于與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,非線性有限元分析采用與試驗(yàn)相一致的梁的幾何參數(shù)和材料強(qiáng)度,如表2所示.鋼纖維砂漿鋼筋網(wǎng)加固鋼筋混凝土梁荷載-跨中撓度曲線的非線性分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖7所示.從圖7可知:試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果的承載荷載基本吻合,分析結(jié)果的承載荷載略小;而分析結(jié)果的極限變形比試驗(yàn)結(jié)果的變形大,這是由于試驗(yàn)時(shí)構(gòu)件進(jìn)入極限承載力階段后無(wú)法測(cè)量構(gòu)件的變形發(fā)展而存在的差異.

圖7 采用加固方法2的加固梁撓度曲線和分析云圖Fig.7 Curves and FE images of deflection of test beams reinforced by Method 2

6 結(jié) 論

a.采用鋼纖維水泥砂漿對(duì)足尺鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎加固,能較大幅度提高鋼筋混凝土梁正截面承載力和剛度,相同受力形態(tài)下,加固配筋率越高,加固梁的荷載提高幅度越大;加固配筋率相同的梁,一次受力比二次受力的荷載提高幅度大.

b.鋼纖維水泥砂漿中的鋼纖維能有效地抑制裂縫的產(chǎn)生,使試件具有良好的抗裂性能,其良好的抗拉性能使得裂縫的發(fā)展較對(duì)比梁緩慢,試件破壞時(shí),加固梁表面的裂縫與對(duì)比梁相比,數(shù)量要多,間距要小,裂縫寬度要小,明顯具有密而細(xì)的特點(diǎn);還能較大地增大梁的抗彎剛度,提高構(gòu)件的延性.

c.在平截面假定的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的極限受彎承載力公式,其計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.

d.非線性有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,試驗(yàn)取得了比較理想的效果.

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