周 樂, 田佳茗

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

我國大多數(shù)建筑物都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu),這些早期低標準大規(guī)模的建筑已進入“老齡化”階段,不能繼續(xù)滿足人們的生產(chǎn)和生活要求,將這些建筑物全部推倒重建會造成巨大的資源浪費,此時就需要對負載構(gòu)件進行加固 .

目前,鋼結(jié)構(gòu)加固的方法有多種,外包鋼筋混凝土加固是增大截面法的一種[1],其工作原理簡單,施工方便,可塑性高,廣泛應用于工程中.但與現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于負載鋼結(jié)構(gòu)加固的焊接加固法和粘貼纖維增強復合材料加固法相比,外包鋼筋混凝土加固負載鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究表現(xiàn)出明顯的不足[2].此外,我國地域遼闊,東北及西北地區(qū)最低溫度可達-50 ℃,建筑物經(jīng)常存在凍害現(xiàn)象,寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在投入使用期間出現(xiàn)的凍融破壞非常不利于結(jié)構(gòu)的外包鋼筋混凝土加固.混凝土外包后,在凍融循環(huán)作用下會產(chǎn)生裂縫,甚至表面顆粒發(fā)生脫落,導致加固后結(jié)構(gòu)抗力和理論上的承載力有一定差距,使結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患[3],而現(xiàn)階段國內(nèi)對凍融下增大截面法的研究更是少之又少.

我國現(xiàn)有的2部鋼結(jié)構(gòu)加固的相關(guān)規(guī)程《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS77:1996)[4]和《鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程》(YB 9257—96)[5]及1部混凝土加固的相關(guān)規(guī)程《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367—2013)[6]中相關(guān)的計算方法均沒有考慮在季凍區(qū)混凝土的凍融損傷破壞.設(shè)計時若按照規(guī)范計算其承載力,結(jié)果將高于實際承載力,不能滿足目前外包鋼筋混凝土加固法的應用要求.基于此現(xiàn)狀,本文對規(guī)范及相關(guān)文獻中的公式進行比較分析,得出了加固柱承載力計算公式,對凍融條件下構(gòu)件的外包混凝土加固研究具有重要意義.

1 試驗概況及現(xiàn)象分析

1.1 試驗概況

由于試驗遵循單一變量原則,凍融條件會對鋼筋產(chǎn)生一定的腐蝕破壞,影響混凝土凍融破壞時的數(shù)據(jù)測取. 因此,制作了20根截面尺寸為100 mm×100 mm,高度為400 mm的C30素混凝土試塊,經(jīng)28 d標準養(yǎng)護后,對其進行凍融循環(huán)試驗. 本次試驗將所有試塊分為4組, 采用快凍法分別對各組試塊進行0、50、100、150次的凍融循環(huán)試驗. 每10次循環(huán)將試塊取出,擦干試塊表面水分, 用電子秤稱取試塊質(zhì)量.同時,用動彈性模量儀(如圖1)測量混凝土試塊的動彈性模量, 測量后快速將試塊放入凍融循環(huán)試驗機(如圖2)繼續(xù)試驗. 50次循環(huán)后,每循環(huán)25次測取1次數(shù)據(jù). 在凍融循環(huán)完成后, 將試塊放在5 000 kN的液壓式伺服壓力機上進行軸向壓縮試驗. 分別記錄0、50、100、150次凍融循環(huán)后試塊的抗壓承載力.

圖1 動彈性模量儀Fig.1 Dynamic elastic modulus instrument

圖2快速凍融循環(huán)機
Fig.2Rapidfreezingandthawingcyclemachine

1.2 試驗現(xiàn)象

(1) 試驗現(xiàn)象分析. 如圖3所示, 試塊在一定次數(shù)的凍融循環(huán)后, 其表面變得不再光滑, 底部有石子露出, 且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加, 試塊表面的損傷越來越嚴重. 在前30次的凍融循環(huán)中, 試塊的質(zhì)量呈增加趨勢, 這是由于溫度降低,混凝土內(nèi)部的微小裂縫浸水后結(jié)冰導致的; 當凍融循環(huán)達到50次時, 試塊內(nèi)部微小裂縫繼續(xù)發(fā)展, 同時, 試塊的表面有細微凍坑出現(xiàn); 凍融循環(huán)100次后, 試塊表面混凝土砂漿開始緩慢脫落, 內(nèi)部裂縫貫穿, 出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象;在凍融循環(huán)150次后,試塊表面石子裸露明顯,并伴隨有細長裂縫出現(xiàn);當凍融循環(huán)達到200次以上,試塊表面不再平整,裂縫變寬,混凝土大規(guī)模脫落,截面尺寸明顯減小.

(2) 質(zhì)量損失.分析試驗數(shù)據(jù),得出試塊質(zhì)量損失率的變化曲線,如圖4所示.在試驗過程中,反復凍融會對混凝土試塊的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響.凍融循環(huán)30次左右時,由于混凝土內(nèi)部有細小冰縫形成使試塊質(zhì)量時增時減,影響了混凝土的質(zhì)量損失;當凍融循環(huán)達到150次以上時,試塊表面的混凝土受損嚴重,質(zhì)量損失顯著;在凍融循環(huán)約200次時,試塊基本失去承載能力.

圖4 質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate

(3) 面積折減. 在不同次數(shù)的凍融循環(huán)下, 混凝土試塊表面顆粒均有不同程度的脫落, 試塊的截面面積也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小. 在試驗前后對混凝土截面積進行測量和分析, 得到混凝土試塊凍融循環(huán)后有效截面面積的計算公式

Ade=A-γn.(1)

式中:Ade為凍融循環(huán)n次后的混凝土有效截面面積;A為未進行凍融循環(huán)試驗時混凝土試塊截面面積;γ為凍融循環(huán)損失系數(shù),見表1.

表1 凍融循環(huán)損失系數(shù)和面積剩余率

通過式(1)計算得到凍融循環(huán)前后混凝土的有效面積,給出了混凝土在凍融循環(huán)前有效面積與凍融循環(huán)后的面積剩余率,如表1所示.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土有效面積逐漸減少,在凍融循環(huán)次數(shù)達到200次時,混凝土有效面積僅是原來的64.00%.

2 承載力計算

2.1 混凝土強度折減

試驗后混凝土抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān),文獻[7]采用式(2)計算混凝土抗壓強度,與試驗現(xiàn)象貼合,試驗結(jié)果和理論推導值基本符合.

該試驗使用強度等級為C30的混凝土,經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)后,混凝土的抗壓強度可表示為

(2)

式中:fdc為凍融循環(huán)n次后混凝土立方體抗壓強度;fck為未凍融混凝土的抗壓強度.

將未經(jīng)過凍融循環(huán)的混凝土抗壓強度換算為其設(shè)計值[6]后,可方便計算混凝土試塊承載力

fc=0.88×0.76fck.(3)

凍融損傷后的試塊承載力

表2中給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)后C30混凝土的抗壓強度, 以及換算后的抗壓強度設(shè)計值.

表2 不同次數(shù)凍融循環(huán)下混凝土的抗壓強度

2.2 軸壓混凝土加固柱承載力的計算分析

(1) 凍融循環(huán)條件下軸壓混凝土加固柱承載力計算

《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50367—2013)中給出了計算軸心受壓混凝土加固構(gòu)件極限承載力的統(tǒng)一計算公式,即:

N≤0.9φ[fc0Ac0+fy0As0+α(fcAc+fyAs)].(5)

式中:N為混凝土加固柱的軸向載荷設(shè)計值;φ為穩(wěn)定系數(shù);As0、fy0為舊鋼筋的截面面積、抗壓強度設(shè)計值;Ac0、fc0為舊混凝土的截面面積、抗壓強度設(shè)計值;As、fy為新鋼筋的截面面積、抗壓強度設(shè)計值;Ac、fc為新混凝土的截面面積、抗壓強度設(shè)計值;α為折減系數(shù),取0.8.

根據(jù)該規(guī)范所分析的負載下軸壓混凝土構(gòu)件加固后的可靠度可知,初始負載越大,構(gòu)件加固后的可靠性越低.但并沒有對季凍區(qū)的混凝土加固做出折減考慮,在季凍區(qū)凍融循環(huán)條件下的實際工程應用中偏于不安全.

根據(jù)上述試驗,可對該公式進行一些修改,以獲得凍融破壞條件下軸心受壓鋼筋混凝土柱承載力的計算公式,見式(6),從而完善規(guī)范在實際應用中的不足.

文獻[8]中給出建議計算公式為

N≤0.9φ[Kfc0Ac0+fy0As0+αcfcAc+αsfyAs].(7)

其中:

式中:K為受約束混凝土強度提高系數(shù);fyh為箍筋屈服強度;ρs為箍筋內(nèi)與箍筋外混凝土體積比;αc為新混凝土的折減系數(shù);αs為新鋼筋的折減系數(shù);βσ為舊混凝土初始應力水平指標;βε為舊混凝土初始應變水平指標;εc1為加固前舊混凝土應變;σc1為加固前舊混凝土應力;εc0為混凝土的應變峰值.

根據(jù)試驗結(jié)果稍作調(diào)整后,得到凍融損傷后的承載力計算公式為

文獻[9]中給出混凝土結(jié)構(gòu)加固公式為

其中:

式中:Ψ為截面系數(shù),對于圓柱Ψ=1.0,對于方柱Ψ=0.8;γc0為考慮新混凝土后舊混凝土強度增加系數(shù);b為外包混凝土厚度;d為原構(gòu)件柱的直徑.

稍做修改后,得到凍融損傷后的承載力計算公式

其中

由于凍融條件下混凝土損傷,外包混凝土厚度減小,混凝土強度降低,使γc0發(fā)生改變.

文獻[10]的建議計算公式為

其中:

當βc=0時,αc=αs=1,故公式可變?yōu)?/p>

N≤φ(fc0Ac0+fy0As0+fcAc+fyAs).(12)

式中:Ey為加固鋼筋的彈性模量;βc為舊混凝土初始應變水平指標.

稍做修改后,得到凍融損傷后的承載力計算公式

當發(fā)生凍融循環(huán)破壞時, 加固后的混凝土強度降低, 承載力減小, 故凍融損傷條件下γc0理論值大于實際值, 在實際季凍區(qū)混凝土加固設(shè)計中應對γc0進行折減, 以滿足實際工程的安全要求.

(2) 各公式的對比分析

《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(GB50367—2013)中忽略了新配筋率、加固后截面面積的具體取值方法,這就使得以后此加固計算方法偏于不準確,從而導致不安全.

文獻[8]中,確定核心混凝土強度提高系數(shù)時,以外包箍筋的屈服破壞為約束失效的標志.計算配箍率時,不考慮外包混凝土的厚度,僅計算外包混凝土中箍筋對核心混凝土的約束作用,并取折減系數(shù)為0.75.這樣能較好地借鑒較成熟的受約束混凝土的應力-應變關(guān)系;使外包混凝土的約束作用得到充分發(fā)揮,增大了安全性.在已加固軸壓柱的承載力計算中,較全面地考慮了新增加材料的利用,使加固后構(gòu)件的承載力得到充分發(fā)揮,公式計算結(jié)果數(shù)值較大.但該公式中,對于外包混凝土的約束作用和核心混凝土強度的提高系數(shù)的確定都偏于極限狀態(tài).

文獻[9]中,以外包混凝土出現(xiàn)縱向裂縫為約束失效的標志.矩形混凝土的增強系數(shù)由圓柱增強系數(shù)和截面折減系數(shù)的乘積確定,并且與原柱和加固層的尺寸比、新舊混凝土的強度比有關(guān).但增強系數(shù)較低,沒有充分發(fā)揮加固層的約束作用,在折減系數(shù)的確定中,僅對圓柱的結(jié)論進行折減用于方柱的計算,較為不合理.核心混凝土的強度提高系數(shù)也較保守,加固后材料的利用考慮不夠全面,計算結(jié)果偏低,偏于保守.

文獻[10]中,以原柱退出工作、新增加部分接替工作后也立即破壞為約束失效標志.計算過程中的模型與實際情況存在一定出入.在加固時,原混凝土的應力指標計算時采用的是彈性模量,所以其取值偏高.加固時原混凝土的應力水平指標越高,導致外包混凝土和加固縱筋的強度利用系數(shù)越小,這反映的并不是混凝土實際的應力水平,因此計算的加固層強度比實際情況小.

通過對原公式的分析認為,文獻[9-10]中的公式計算結(jié)果偏低,這使凍融條件下的承載力計算較為保守.文獻[8]更接近加固后的承載力,混凝土利用更為充分,使凍融條件下的承載力計算較接近極限承載值.

2.3 凍融下負載軸壓加固鋼柱承載力計算

負載下,鋼-混凝土組合柱正截面承載力計算公式為

Nu≤φ[fssAss+α(fcAc+fyAs)].(14)

折減系數(shù)α為

式中:Nu為加固后構(gòu)件承載力設(shè)計值;fss、Ass分別為型鋼抗壓強度設(shè)計值、截面面積;Ac為凈混凝土截面面積;fy、As為鋼筋抗壓強度設(shè)計值、鋼筋截面面積;εss為型鋼的應變.

根據(jù)上述試驗分析,在凍融循環(huán)條件下加固后的混凝土截面面積發(fā)生改變,其抗壓強度也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,如果在季凍區(qū)依照原有公式來設(shè)計組合柱的加固,而不考慮凍融循環(huán)的破壞,會大大縮短構(gòu)件的使用壽命.該公式可以稍作修改,以獲得凍融破壞條件下負載軸心受壓混凝土加固柱承載力計算公式

Ndu≤φ[fssAss+α(fdcAde+fyAs)].(15)

3 凍融下負載型鋼加固柱承載力計算

3.1 算 例

我國某季凍區(qū),對高1.2 m、截面尺寸為200 mm×200 mm的軸心受壓鋼柱在完全卸載的條件下進行外包混凝土加固,混凝土強度等級為C30,縱筋采用4根直徑為14 mm的HRB335級鋼筋對稱布置,箍筋采用直徑6 mm的HRB335級鋼筋,被加固鋼柱為熱軋Q235級10號工字鋼,截面形式如圖5所示.根據(jù)式(15)的推導,驗證軸心受壓鋼柱在完全卸載下加固后分別經(jīng)受0、50、100、150 次的凍融循環(huán)作用的極限承載力,其截面寬度l=200 mm,柱高H=1 200 mm,H/l=6,當H/l≤8時,αc=αs=1.0,φ取1.0,型鋼截面面積為1 430 mm2,縱筋截面面積為615 mm2,具體計算結(jié)果如表3所示.

圖5 加固柱截面形式(單位:mm)Fig.5 Reinforced column section form(Unit:mm)

3.2 ABAQUS模擬結(jié)果對比分析

在該試驗中,由于試塊數(shù)量較少,對加固后鋼柱進行凍融循環(huán)試驗的操作條件較少,可采用ABAQUS軟件對該算例進行模擬分析,能夠較容易得出結(jié)果,以驗證理論過程的合理性,本文與文獻[11]采用相同的本構(gòu)關(guān)系和邊界條件,得出類似模擬結(jié)果.

對不同的凍融循環(huán)次數(shù)(0、50、100、150次)的加固柱分別進行ABAQUS模擬,承載力位移曲線如圖6所示.

圖6加固柱在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的承載力-位移曲線

Fig.6Bearingcapacitydisplacement-curvesofreinforcedcolumnsunderdifferentfreeze-thawcycles

由該承載力-位移曲線可知,構(gòu)件承載力與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān).位移相同時,凍融循環(huán)次數(shù)越多,構(gòu)件所能承受的載荷越低;與未凍融的試塊相比,凍融循環(huán)150次的試塊最大承載力不足其一半,加固柱依舊由型鋼提供主要的承載力,基本失去加固效果.

試驗表明,季凍區(qū)的低溫和大溫差對混凝土的承載力損傷較大.在進行季凍區(qū)的混凝土加固時,不應忽略混凝土的凍融循環(huán)破壞,盡量采用加入引氣劑、改變水灰比或添加骨料等方式提高混凝土的抗凍性.在設(shè)計時,也要將凍融因素考慮在內(nèi),從而減少混凝土凍融破壞引起的承載力降低,以提高實際工程的安全性.

表4列出了本試驗的理論值和模擬值, 理論值接近于模擬值, 差值百分比平均值為5.3%, 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)保證在95%左右, 符合安全性要求.

表4 理論值與模擬值結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1) 凍融循環(huán)對混凝土的影響較為嚴重,當凍融循環(huán)50次時試塊截面面積損失10%左右,凍融循環(huán)200次時,截面面積損失達36%.一定次數(shù)的凍融循環(huán)不僅會給混凝土造成質(zhì)量損失、使其截面面積減小,還會使混凝土柱的承載力下降.

(2) 本文在我國的2部鋼結(jié)構(gòu)加固的相關(guān)規(guī)程《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS 77:1996)和《鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程》(YB 9257—96)及1部混凝土加固的相關(guān)規(guī)程《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)的基礎(chǔ)上,考慮了季凍區(qū)混凝土加固過程中的凍融破壞影響,在實際工程中,可避免不必要的結(jié)構(gòu)損傷.

(3) 本文推導出凍融條件下負載加固柱的承載力公式,公式計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近,研究結(jié)果可靠,具有工程意義和實用價值.