郭子雄，楊軍民，葉勇，黃群賢，陳建華，賴有泉

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閉合預應力鋼絲繩加固RC梁抗剪性能試驗研究

郭子雄1，楊軍民1，葉勇1，黃群賢1，陳建華2，賴有泉2

(1. 華僑大學土木工程學院，福建泉州，362021；2. 福建省第一公路工程公司，福建泉州，362000)

提出2種閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的預應力張拉及錨固方式。進行6個采用閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的抗剪性能試驗，通過對試件破壞形態(tài)、荷載?撓度關系曲線、箍筋和鋼絲繩應變等試驗結(jié)果進行分析，研究鋼絲繩配繩率、預應力水平和錨固方式等參數(shù)對加固梁受剪承載力和變形能力的影響。研究結(jié)果表明：提出的2種錨固方式均可有效實現(xiàn)對鋼絲繩進行預應力張拉和錨固連接；閉合預應力鋼絲繩加固可有效抑制RC梁斜裂縫的發(fā)展，改善加固梁破壞形態(tài)和變形性能；加固梁的受剪承載力隨著配繩率和預應力水平的提高而提高，但預應力水平不宜過大。在試驗結(jié)果基礎上提出閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的受剪承載力計算模型，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

抗剪加固；預應力；鋼絲繩；抗剪性能；錨固形式

傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁抗剪加固一般是在構(gòu)件表面粘貼輕質(zhì)高強材料，以達到提高強度或剛度的目的，現(xiàn)有的粘貼方法主要包括粘貼FRP或鋼板等[1?5]。由于工藝簡單、施工方便等優(yōu)勢，表面粘貼法在工程加固中得到了較為廣泛的應用。然而，加固材料與主體的剝離、端部錨固、應力滯后等問題[6?7]，成為了表面粘貼法在實際應用中的不足以及進一步研究的主要方向。針對上述問題，研究人員提出了一些新的加固方法，如鋼筋網(wǎng)片?聚合物砂漿加固法[8]、高強鋼絞線-聚合物砂漿加固法[9]和鋼絲繩加固法[10?11]等。這些方法在克服表面粘貼法不足的同時提高了加固主體的承載能力和剛度。目前，國內(nèi)外學者已開展了一些鋼絲繩用于RC梁抗剪加固的探索研究，如Yang等[10?11]研究了不同RC梁截面形式、鋼絲繩方式、預應力水平、鋼絲繩間距等參數(shù)對鋼絲繩抗剪加固RC梁受力性能的影響。本文作者將鋼絲繩材料與預應力技術結(jié)合，提出2種閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的預應力張拉及錨固方式，并通過5個加固試件和1個對比試件的抗剪性能試驗，研究閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的受力性能，驗證所提出加固方法的有效性，分析鋼絲繩用量和預應力水平對加固效果的影響。

1 試驗概況

1.1 試件參數(shù)及材料性能

試驗梁按照受剪承載力不滿足GB 50010—2010“混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范”(以下簡稱規(guī)范)且可能發(fā)生剪切破壞進行設計。對比試件的配筋和加固試件構(gòu)造分別如圖1和圖2所示。

單位：mm

單位：mm

主要研究參數(shù)包括鋼絲繩配繩率、預應力水平和連接錨固方式，如表1所示。PWRB1為對比試件，PWRB2~PWRB6為采用閉合預應力鋼絲繩加固試件。鋼絲繩配繩率w的變化主要通過改變鋼絲繩的間距來實現(xiàn)，采用100 mm和150 mm這2種間距。鋼絲繩預應力水平有0.15，0.35和0.60共3種。此外，為研究不同鋼絲繩連接形式對加固效果的影響，試驗中采用了自行研發(fā)的2種鋼絲繩連接錨固方式，即鋼絲繩波浪形夾板錨具和軸承換向卡扣錨固(見圖3)。其中，連接形式A通過錨具螺栓鎖緊預埋于梁頂?shù)牟ɡ诵螉A板，將預應力張拉后的鋼絲繩錨固(見圖3(a))；連接形式B將鋼絲繩兩端分別繞過預埋于梁頂?shù)匿摻z繩換向滑輪，完成張拉后，采用普通鋼絲繩卡扣進行錨固(見圖3(b))。

表1 試驗梁試件參數(shù)

注：w為鋼絲繩間距；w為鋼絲繩配繩率，w=w/(w)，w為同一截面鋼絲繩各肢的總截面積，為梁寬；為鋼絲繩預應力水平；連接形式中A表示采用波浪形錨具進行錨固，B表示采用軸承換向卡扣錨固。

(a) 波浪形夾板錨具；(b) 軸承換向卡扣錨固

試件箍筋和縱筋分別選用HPB235和HRB335鋼筋。鋼絲繩選用公稱直徑為6 mm的18×7+IWS鋼絲繩，單根鋼絲直徑為0.32 mm。鋼筋與鋼絲繩的物理力學性能見表2?；炷亮⒎襟w試塊28 d平均抗壓強度為21.4 MPa。

表2 鋼筋與鋼絲繩物理力學性能

注：為直徑；y和b分別為屈服強度和極限強度；y為屈服應變；為彈性模量。

1.2 鋼絲繩預應力施加

采用自行設計的張拉裝置對鋼絲繩施加預應力，如圖4所示。張拉裝置主要包括臺架、穿心千斤頂、力傳感器和鋼絲繩夾具。預應力施加可采用兩端同時張拉，也可一端固定、另一端張拉。為了便于操作和控制，本試驗采用第二種施加方法。

圖4 鋼絲繩預應力張拉裝置

預應力施加之前，先用夾板式夾具固定鋼絲繩的一端，鋼絲繩穿過臺架鋼板，環(huán)繞梁截面至另一端，再穿過穿心千斤頂和力傳感器，最后用夾板式夾具將另一端固定。在位于梁側(cè)鋼絲繩表面粘貼應變片以監(jiān)測張拉過程中鋼絲繩的應變變化并控制預應力。預應力施加完成后，及時對鋼絲繩進行連接，然后逐級卸去荷載。

1.3 加載裝置及量測內(nèi)容

試驗采用四點彎曲加載方式，荷載由500 kN液壓伺服作動器通過剛性分配梁傳遞至試件。采用荷載和位移混合控制加載。對比試件和加固試件分別在160 kN和200 kN之前采用荷載控制，每級荷載增量為20 kN；之后改用位移控制，加載速度為2 mm/min。試驗量測內(nèi)容包括縱筋、箍筋、鋼絲繩的應變和試件支座、加載點、跨中位置的撓度。當荷載降低至最大值的85%時，終止試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

試驗過程中，試件共出現(xiàn)3種形態(tài)的破壞，如圖5所示。

1) 斜拉破壞(PWRB1)，如圖5(a)所示。加載初期，荷載達到40~60 kN時，在RC梁跨中出現(xiàn)數(shù)條彎曲裂縫，裂縫寬度較小。隨著荷載增加，剪切裂縫在剪跨段出現(xiàn)，且迅速發(fā)展為臨界斜裂縫，最終試件喪失承載力。試件破壞過程較快，破壞前撓曲不明顯，跨中撓度不足10 mm，屬于典型的脆性破壞。

2) 剪壓破壞(PWRB2，PWRB4~PWRB6)，如圖5(b)和5(d)~(f)所示。加載初期，荷載達到40~60 kN時，在RC梁跨中出現(xiàn)數(shù)條彎曲裂縫，裂縫寬度較小，之后剪跨段出現(xiàn)剪切裂縫，試件荷載仍保持較快增長，最終剪跨段內(nèi)斜向主裂縫由1條發(fā)展為多條，裂縫寬度繼續(xù)增加，裂縫兩側(cè)的混凝土因為相對錯動和相互擠壓而破碎。同時，預應力水平較大的PWRB2，PWRB4和PWRB6鋼絲繩被拉斷，PWRB5鋼絲繩未斷裂。破壞過程中，試件承載力下降平緩，破壞前撓曲明顯，屬于具有一定延性的破壞。

3) 彎曲破壞(PWRB3)，如圖5(c)所示。加載初期，荷載達到40~60 kN時，在梁跨中出現(xiàn)數(shù)條彎曲裂縫，裂縫寬度較小，隨著荷載的增加，剪跨段開裂并形成斜向主裂縫。由于試件鋼絲繩用量較大，使得受剪承載力高于受彎承載力，斜向主裂縫形成后基本不再開展，而純彎段彎曲裂縫開展較快，承載力下降緩慢。最終跨中縱筋屈服，受壓區(qū)混凝土壓碎，試件發(fā)生彎曲破壞，同時鋼絲繩未拉斷。破壞過程中，試件維持較高的承載力，且破壞前撓曲明顯，屬于延性較好的破壞。

(a) PWRB1(對比試件，斜拉破壞)；(b) PWRB2(剪壓破壞，鋼絲繩斷裂)；(c) PWRB3(最大配繩率，彎曲破壞，鋼絲繩未斷裂)；(d) PWRB4(剪壓破壞，鋼絲繩斷裂)；(e) PWRB5(最小預應力水平，剪壓破壞，鋼絲繩未斷裂)；(f) PWRB6(最大預應力水平，剪壓破壞，鋼絲繩斷裂)

2.2 荷載?撓度關系

圖6所示為試件加載過程的荷載與跨中撓度的關系曲線，曲線主要特征點的試驗結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，采用閉合預應力鋼絲繩加固顯著提高了梁的承載力和變形能力，試件的?曲線大致可分為以下3個階段：

1) 彈性階段。處于該階段時，跨中撓度隨荷載的增加呈線性關系，且加固試件和對比試件的曲線基本重合，表明采用閉合預應力鋼絲繩不能明顯提高RC梁的抗彎剛度。

2) 彈塑性階段。隨著剪切裂縫的不斷開展，試驗曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，跨中撓度比彈性階段增長加快，且隨荷載的增加不再呈線性關系。由于預應力鋼絲繩的約束作用，混凝土裂縫發(fā)展緩慢，同時鋼絲繩承擔了一部分剪力，加固試件承載力得到了提高。

3) 塑性破壞階段。箍筋屈服后，試驗曲線出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)折，跨中撓度隨荷載增大迅速增加，鋼絲繩應變快速發(fā)展，混凝土裂縫基本貫通梁高。此時加固試件承載力隨荷載增加開始緩慢下降，而對比試件承載力迅速下降。由此可以看出，加固后的試件表現(xiàn)出了較好的延性。

表3 荷載?撓度曲線特征點試驗結(jié)果

注：cr為初始斜裂縫對應的荷載；m為最大荷載；cr和m分別為加固試件cr和m較對比試件的提高幅度；y為試件屈服時對應的跨中撓度，對于剪切破壞取箍筋屈服，對于彎曲破壞取縱筋屈服；m為m對應的跨中撓度；u為極限撓度，取荷載下降至85%最大荷載時對應的撓度值；u為加固試件u較對比試件的提高幅度；為位移延性系數(shù)，=u/y。

1—PWRB1；2—PWRB2；3—PWRB3；4—PWRB4；5—PWRB5；6—PWRB6

配繩率最大的試件PWRB3，由于多根鋼絲繩同時對剪跨段內(nèi)混凝土形成有效約束，單根鋼絲繩承擔的拉力較小，箍筋屈服后，鋼絲繩未被拉斷，試件仍可維持較高的受剪承載力，最終發(fā)生延性較好的彎曲破壞。對于預應力水平較小的試件PWRB5，開裂前鋼絲繩對混凝土的約束效果有限，當試件裂縫寬度較大時，鋼絲繩的作用才能夠完全發(fā)揮。加載后期，鋼絲繩未被拉斷，試件的?曲線形成了較長的水平段。由上述現(xiàn)象可知：保持鋼絲繩不發(fā)生斷裂，可使加固梁具有更好的變形性能。

2.3 箍筋及鋼絲繩應變分析

加載過程中，箍筋的應變s變化如圖7所示。從圖7可以看出：在梁達到開裂荷載之前，箍筋應變較小。初始斜裂縫出現(xiàn)后，箍筋承擔剪力增加，應變增大，最終達到屈服。隨著鋼絲繩間距加密，試件PWRB3開裂后，箍筋承擔的剪力相對較小，箍筋應變緩慢增長，最后縱筋先屈服，梁試件發(fā)生彎曲破壞，箍筋應變接近屈服。

1—PWRB1；2—PWRB2；3—PWRB3；4—PWRB4；5—PWRB5；6—PWRB6

圖8所示為加載過程中鋼絲繩應變增量Δw的發(fā)展情況。由圖8可以看出：梁在達到開裂荷載之前，鋼絲繩應變很小。試件開裂后，鋼絲繩由于施加了預應力，應力滯后現(xiàn)象得到明顯改善。隨著箍筋屈服，裂縫變寬，鋼絲繩應變快速增長，最終部分試件鋼絲繩達到極限強度被拉斷。PWRB3由于配繩率較高，加固后單根鋼絲繩承擔的拉力較小，應變發(fā)展相對緩慢，當梁發(fā)生彎曲破壞時，鋼絲繩仍處于較低應變水平。對于預應力水平最小的PWRB5和預應力水平最大的PWRB6，兩者破壞時鋼絲繩的應變增量均較小。這主要是由于預應力水平較小時，鋼絲繩的應變發(fā)展滯后于預應力水平較大的試件，導致試件破壞時鋼絲繩的強度發(fā)揮水平較低；同時，預應力水平過大不僅使鋼絲繩的剩余強度空間減小，且對梁轉(zhuǎn)角處鋼絲繩的損傷越大，容易造成鋼絲繩提前斷裂。

1—PWRB2；2—PWRB3；3—PWRB4；4—PWRB5；5—PWRB6

2.4 受剪承載力與延性分析

從表3可知：采用閉合預應力鋼絲繩加固后，試件的破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ㄑ有缘募魤浩茐暮脱有暂^好的彎曲破壞。與對比試件相比，加固試件的受剪承載力提高19.5%~40.6%，極限變形提高75.2%~ 261.1%。除試件PWRB2外，其余試件的位移延性系數(shù)均大于3。

2.4.1 配繩率的影響

試件PWRB2和PWRB3的鋼絲繩預應力水平均為0.35，配繩率較低的PWRB2發(fā)生彎剪破壞，配繩率較高的PWRB3受剪承載力高于受彎承載力，發(fā)生彎曲破壞，且試件承載力和變形能力均比PWRB2有所提高。

2.4.2 預應力水平的影響

試件PWRB5，PWRB4和PWRB6的配繩率均為0.071%，圖9所示為試件最大荷載m與鋼絲繩預應力水平關系曲線。由圖9可以看出：試件承載力隨預應力水平的提高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這主要是由于施加的預應力使鋼絲繩提前受力，克服了非預應力加固中存在的應力滯后現(xiàn)象。然而過高的預應力導致鋼絲繩的應力增量空間減小，鋼絲繩在箍筋屈服后不久被拉斷，加固梁承載力和變形能力的提高幅度受到限制。

圖9 最大荷載?鋼絲繩預應力水平關系

2.4.3 不同錨固形式的影響

以稀釋10倍的mtDNA為模板，采用大豆細胞核、葉綠體和線粒體基因組特異性引物進行PCR擴增，驗證其是否存在核基因組DNA和葉綠體DNA的污染。PCR反應體系為：模板DNA 2 μL，上、下游引物各1 μL，2 × Es Taq Master Mix 12.5 μL，ddH2O 8.5 μL。PCR反應條件為：94℃ 預變性4 min；94℃ 變性30 s，53℃ 退火30 s，72℃ 延伸30 s，共30個循環(huán)；72℃ 延伸 8 min。

試件PWRB2和PWRB4鋼絲繩連接處采用不同的錨固形式，2個試件鋼絲繩均在連接區(qū)域外斷裂，說明2種形式均可實現(xiàn)對鋼絲繩的有效錨固。從表3和圖6可知：PWRB2的承載力和變形能力比PWRB4的低，這主要是由于試件PWRB2倒角鋼片未設置妥當，存在尖角，導致鋼絲繩性能充分發(fā)揮之前即發(fā)生斷裂，試件承載力和變形能力的進一步提升受到限制。

3 加固梁受剪承載力計算

綜合既有試驗結(jié)果，當剪跨比大于0.5時，RC梁中混凝土的拱作用逐漸減小?？紤]試驗中梁的剪跨比較大，可忽略拱作用，采用桁架模型分析閉合預應力鋼絲繩加固RC梁的受剪承載能力。為便于計算，現(xiàn)做以下假定：

1) 滿足規(guī)范規(guī)定的受彎構(gòu)件斜截面承載力計算基本假定；

2) 鋼絲繩只承受拉力，且與混凝土協(xié)同工作；

3) 忽略混凝土、鋼筋及鋼絲繩三者的耦合作用，承載力計算僅采用三者簡單相加；

4) 鋼絲繩達到抗拉強度前，箍筋已經(jīng)進入屈服狀態(tài)。

根據(jù)上述基本假定和桁架理論基本原理，加固后RC梁的受剪承載力()可表示為

式中：cs為按規(guī)范計算的未加固RC梁斜截面承擔的剪力；w為鋼絲繩承擔的剪力。

w可按下式進行計算：

式中：w為鋼絲繩抗拉強度；為梁高；1為考慮端部錨固質(zhì)量對鋼絲繩強度發(fā)揮水平的折減系數(shù)，本試驗中2種錨固形式的鋼絲繩均發(fā)生斷裂，錨固效果好，故取1=1.0；2為考慮配繩率和預應力水平對鋼絲繩強度發(fā)揮水平的折減系數(shù)，按如下表達式計算：

(3)

式中：1，1和1為待定系數(shù)。

根據(jù)試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)回歸，可得1=?0.026，1=0.262，1=?0.025。將式(1)計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出：計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。由于試件PWRB3發(fā)生彎曲破壞，鋼絲繩受剪承載力未得到充分發(fā)揮，導致計算結(jié)果比試驗結(jié)果偏大。

表4 計算值與試驗值對比

注：cu和tu分別是試件受剪承載力計算值與試驗值，tu=m/2。

4 結(jié)論

1) 采用閉合預應力鋼絲繩加固可有效抑制RC梁斜裂縫的發(fā)展，顯著改善加固梁裂縫分布、破壞形態(tài)和變形性能。

2) 加固梁的受剪承載力隨著配繩率的提高而提高。相同錨固方式的PWRB3不僅比PWRB2承載力有所提高，其破壞形態(tài)也由剪壓破壞向彎曲破壞轉(zhuǎn)變。

3) 加固梁的受剪承載力隨鋼絲繩預應力水平的增大而有所提高，但試驗結(jié)果也揭示當預應力水平過大時，承載力出現(xiàn)降低現(xiàn)象(PWRB6)。實際應用中，鋼絲繩預應力水平宜控制在0.40以內(nèi)。

4) 提出的2種連接方式均可有效實現(xiàn)對鋼絲繩進行預應力張拉和錨固連接。

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Experimental research on shear strengthening of reinforced concrete beams using prestressed wire-rope hoops

GUO Zixiong1, YANG Junmin1, YE Yong1, HUANG Qunxian1, CHEN Jianhua2, LAI Youquan2

(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China;2. Fujian the First Highway Engineering Company, Quanzhou 362000, China)

Two different types of prestressing and anchoring methods for wire ropes used in shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams were proposed. The shear behavior of RC beams strengthened using prestressed wire-rope hoops was investigated by testing six strengthened beams. Test parameters included the wire-rope amount, the prestressing level and anchoring method of wire ropes. The failure modes, load-deflection relationships, stirrup strains and wire-rope strains were analyzed. The results show that the proposed two anchoring methods are effective in prestressing and anchoring of wire ropes; prestressed wire-rope hoops can effectively delay the crack propagation and improve the failure mode and deformation capacity of strengthened beams; the shear capacity is enhanced with the increase of wire-rope amount and prestressing level, and the prestressing level should be moderate. A model to predict the shear capacity of RC beams strengthened using prestressed wire-rope hoops is proposed, and a good agreement is achieved between the computed and experimental results.

shear strengthening; prestress; wire rope; shear behavior; anchoring method

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.028

TU375.1

A

1672?7207(2015)07?2590?07

2014?07?08；

2014?10?30

國家自然科學基金資助項目(51178197，51208219)；高校博士學科點博導科研基金資助項目(20123501110002)；福建省科技計劃重大項目(2013Y4006) (Projects(51178197, 51208219) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20123501110002) supported by the Scientific Research Foundation for Doctoral Advisors in Doctoral Program of Colleges and Universities; Project(2013Y4006) supported by the Science and Technology Foundation of Fujian Province)

郭子雄，博士，教授，從事工程結(jié)構(gòu)抗震防災研究；E-mail: guozxcy@hqu.edu.cn

(編輯 楊幼平)