李權(quán)平，李俊華，葉 超，何思聰，顧炬鋒

(寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)借鑒了廣泛應(yīng)用于包裝業(yè)的打包技術(shù)，通過在混凝土構(gòu)件外表面等間距布置高強度鋼帶，并使用打包機拉伸鋼帶，形成具有橫向約束力的環(huán)箍，實現(xiàn)延緩混凝土裂縫發(fā)展、提高構(gòu)件抗剪強度、改善構(gòu)件變形能力的目的，具有成本低、施工簡單、操作方便、適應(yīng)性強等特點。通常該技術(shù)更適用于鋼筋混凝土柱的快速加固[1-2]，對于鋼筋混凝土獨立梁或樓蓋梁的加固具有一定適用性。已有學(xué)者對預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)進行了研究，如劉義等[3]開展一系列預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁受剪性能試驗，發(fā)現(xiàn)該加固技術(shù)可顯著提高梁抗剪承載力與變形能力，鋼帶間距、鋼帶層數(shù)及構(gòu)件倒角是影響抗剪加固效果的重要因素；楊勇等[4]和劉義等[5]在試驗的基礎(chǔ)上，分析了預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁斜截面剪切破壞機理，建立了加固梁受剪承載力計算方法；黃夢迪等[6]通過試驗研究了加固前構(gòu)件持荷水平對預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁抗剪性能的影響，結(jié)果表明，加固后梁抗剪承載力提高程度隨著試件加固前初始持荷水平的增大而減小，加固設(shè)計時需考慮構(gòu)件初始持荷水平的影響。

上述研究均建立在單一截面尺寸構(gòu)件的基礎(chǔ)上，由于混凝土為多相混合材料，其顯著特點之一是內(nèi)部的非均質(zhì)構(gòu)造存在明顯的尺寸效應(yīng)，隨著尺寸的增大，非均質(zhì)性增強，破壞的隨機性增大，強度降低[7-8]?；炷敛牧系某叽缧?yīng)會進一步反映到混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能中[9-12]。因此，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固單一截面尺寸梁破壞試驗結(jié)果及相應(yīng)結(jié)論是否具有普遍工程意義，需進一步研究。

為此，本文考慮構(gòu)件截面尺寸變化，制作截面尺寸不同的3根未加固鋼筋混凝土梁和3根預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁，通過試驗研究加固梁抗剪性能，并分析加固效果。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計制作了6根鋼筋混凝土梁，其中3根為未加固的鋼筋混凝土梁，編號為B2W，B3W，B5W；3根為預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁，編號為B2G，B3G，B5G，鋼帶配置率為0.31%。B2W，B2G梁截面尺寸和配筋相同，B3W，B3G梁截面尺寸和配筋相同，B5W，B5G梁截面尺寸和配筋相同。

試驗過程中考慮試件截面尺寸變化，B2W，B2G梁截面尺寸均為125mm×250mm，長度均為1 750mm；B3W，B3G梁截面尺寸均為175mm×350mm，長度均為2 250mm；B5W，B5G梁截面尺寸均為250mm×500mm，長度均為3 060mm。所有試件剪跨比均為1.9，為確保試件在鋼帶加固段發(fā)生剪切破壞，采用較大的縱筋配筋率與較小的配箍率，即縱筋配筋率為3.7%，配箍率為0.19%。試件尺寸和配筋如圖1所示，參數(shù)設(shè)計如表1所示，表1中鋼帶配置率ρgd=nAgd/bs=2nωgdtgd/bs，其中n為鋼帶層數(shù)，Agd為鋼帶截面面積，ωgd為鋼帶截面寬度，tgd為鋼帶截面厚度，b為梁截面寬度，s為相鄰兩鋼帶中心距。

圖1 試件尺寸和配筋

1.2 材料特性

試件采用商品混凝土澆筑，制作試件的同時，澆筑邊長為150mm的混凝土立方體試塊，與試件在同等條件下養(yǎng)護，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》進行抗壓強度測試，測試結(jié)果表明混凝土立方體試塊抗壓強度為30.2MPa。

按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行鋼筋和鋼帶拉伸試驗，測得鋼筋屈服強度、抗拉強度、彈性模量如表2所示。鋼帶抗拉強度fgd為608.76MPa，有效抗拉強度feu為486.18MPa，彈性模量Es為2.06×105MPa。

表2 鋼材力學(xué)性能

1.3 試件加固

采用圖2所示的設(shè)備對試件B2G，B3G，B5G進行加固，加固步驟如下。

圖2 加固設(shè)備和加固材料

1)使用打磨機將混凝土梁四邊棱角打磨成半徑為5mm的倒角，擦去附著在試件表面的粉塵，保證混凝土表面平整干凈。

2)使用建筑涂料將混凝土梁表面刷白，晾干后畫出網(wǎng)格及鋼帶位置，其中鋼帶位置如圖3所示。

圖3 鋼帶位置示意

3)在鋼帶表面粘貼應(yīng)變片，以便拉伸鋼帶時觀測和控制預(yù)應(yīng)力。

4)將鋼帶包住梁身，并通過鋼帶扣首尾相連，將鋼帶一端傳入打包機內(nèi)，以便張拉。

5)打開氣泵，利用打包機持續(xù)勒緊鋼帶，鋼帶初始預(yù)應(yīng)力設(shè)定為250MPa，由粘貼在鋼帶表面的應(yīng)變片應(yīng)變值控制，當(dāng)應(yīng)變達試驗預(yù)期值時，停止張拉。

6)利用扣鉗扣住鋼帶扣，防止鋼帶滑移，剪斷伸出的多余鋼帶。

1.4 加載方案

試驗采用三分點加載方式，加載裝置如圖4所示。根據(jù)試驗設(shè)計的剪跨比確定加載點，在跨中、加載點及支座處布設(shè)電子百分表，在加載點與支座之間的鋼帶上布設(shè)電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼于每條鋼帶表面中心處，其編號與鋼帶編號對應(yīng)。

圖4 試驗加載裝置

分級加載，正式加載前進行預(yù)加載，以確保儀器設(shè)備正常工作。加載初期，每級荷載增量為預(yù)估荷載的1/20；接近預(yù)估開裂荷載時，減小荷載增量，以便測量開裂荷載，觀察裂縫開展情況。每級荷載加載完成后均保持一段穩(wěn)定時間，以便觀察試驗過程中不同荷載作用下的試驗現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞過程與破壞特征

所有試件最終均發(fā)生剪切破壞，破壞過程可分為初裂、裂縫發(fā)展、壓潰破壞階段。

未加固的B2W，B3W，B5W梁破壞過程與破壞特征大致相同，破壞形態(tài)如圖5所示。加載初期，在梁純彎段跨中下邊緣位置出現(xiàn)第1條彎曲裂縫；隨著荷載的緩慢增大，彎曲裂縫不斷增多；荷載達極限荷載的40%時，在剪彎段出現(xiàn)第1條斜裂縫，隨后出現(xiàn)2～3條新的斜裂縫，并由支座至加載點逐步延伸發(fā)展；隨著加載的持續(xù)，斜裂縫不斷變寬，其中1條逐漸貫通形成了上細下粗的主斜裂縫；最終，支座處大量混凝土被壓碎，受拉鋼筋暴露，承載力瞬間下降，試件失效。

圖5 未加固試件破壞形態(tài)

預(yù)應(yīng)力鋼帶加固的B2G，B3G，B5G梁破壞形態(tài)如圖6所示。首先在梁純彎段跨中下邊緣位置出現(xiàn)彎曲裂縫，隨后彎曲裂縫斜向發(fā)展，由于鋼帶約束的存在，前期產(chǎn)生的裂縫發(fā)展緩慢；隨著荷載的增加，在鋼帶兩側(cè)未被束縛的薄弱處形成新的裂縫，并逐漸并入已產(chǎn)生的裂縫中，形成三角形碎裂體；鋼帶由于裂縫的開展發(fā)出輕微響聲，隨著裂縫寬度的不斷增加，聲音越來越大，部分鋼帶發(fā)生斷裂，混凝土剝離嚴重，導(dǎo)致試件最終破壞。

圖6 加固試件破壞形態(tài)

2.2 荷載-跨中撓度曲線

各試件荷載-跨中撓度曲線如圖7所示，B2W梁因跨中位移計出現(xiàn)故障，因此將有關(guān)數(shù)據(jù)剔除。由圖7可知，在相同的截面尺寸下，加載前期試件荷載-跨中撓度曲線基本重合，這是因為荷載較小時，截面尚未開裂，混凝土處于彈性階段，膨脹變形小，鋼帶發(fā)揮作用有限。隨著荷載的增加，截面尺寸相同的試件荷載-跨中撓度曲線逐漸分開，相同荷載下，加固試件跨中撓度小于未加固試件，表明由于鋼帶對裂縫開展具有一定約束作用，使試件剛度得到有效提高。荷載達峰值后，截面尺寸較小的試件荷載-跨中撓度曲線下降緩慢，而截面尺寸較大的試件荷載-跨中撓度曲線下降快速，即承載力迅速降低。采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后，試件荷載-跨中撓度曲線下降段相對平緩，表明試件后期變形能力更強，延性更好。

圖7 試件荷載-跨中撓度曲線

2.3 鋼帶應(yīng)變

各試件代表性鋼帶荷載-應(yīng)變曲線如圖8所示。由圖8可知，鋼帶應(yīng)變發(fā)展大致經(jīng)歷以下階段：①無應(yīng)變或小應(yīng)變階段 加載至斜裂縫出現(xiàn)前，所有鋼帶處于無應(yīng)變狀態(tài)；②應(yīng)變緩慢增長階段 試件開裂后，鋼帶應(yīng)變緩慢增加，對裂縫開展的抑制作用不斷增強；③應(yīng)變快速發(fā)展階段 當(dāng)荷載超過80%的極限荷載后，主斜裂縫形成，與其相交的鋼帶應(yīng)變急劇增加，鋼帶對試件的約束作用持續(xù)增強，直至試件發(fā)生破壞。

圖8 鋼帶荷載-應(yīng)變曲線

同一試件不同位置處鋼帶應(yīng)變差異較大，靠近支座與加載點處鋼帶應(yīng)變較小，支座與加載點中間鋼帶應(yīng)變較大。試件截面尺寸越小，鋼帶應(yīng)變發(fā)展越快，這是因為截面尺寸較小的試件在荷載作用下的剪切變形大，且根據(jù)加固設(shè)計方案，不同截面尺寸試件鋼帶配置率相同，即截面尺寸越大，鋼帶間距越小，單個鋼帶可發(fā)揮的作用相對降低。

2.4 開裂荷載

由試驗得到的試件彎曲裂縫及斜裂縫開裂荷載如表3所示。由表3可知，相同截面尺寸加固試件和未加固試件彎曲裂縫開裂荷載大致相同，這是因為混凝土梁第1條彎曲裂縫均出現(xiàn)在跨中位置，主要由梁整體剛度與混凝土抗拉強度決定，鋼帶對彎曲裂縫開裂荷載基本無影響。經(jīng)預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后，斜裂縫開裂荷載提高，提高幅度為8.89%～13.51%，這表明采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固可推遲斜裂縫的出現(xiàn)，抑制斜裂縫的發(fā)展。截面尺寸最小的試件斜裂縫開裂荷載提高程度最大，鋼帶對斜裂縫的出現(xiàn)和抑制作用最明顯。

表3 混凝土梁受剪承載力試驗結(jié)果

2.5 承載力

采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后試件極限抗剪承載力得到提高，提高幅度為6.27%～7.50%。截面尺寸越小，試件極限抗剪承載力提高幅度越大，加固效果相對較好。

分析認為試件抗剪承載力提高的主要原因包括：①鋼帶直接參與斜截面抗剪，起到類似箍筋的作用；②鋼帶可有效抑制斜裂縫的發(fā)展，增大了試件剪壓區(qū)高度；③鋼帶使斜裂縫寬度減小，提高裂縫間混凝土骨料之間的咬合力；④對鋼帶施加的預(yù)應(yīng)力可對剪跨段混凝土產(chǎn)生較強的約束作用，提高混凝土強度和變形能力。

3 結(jié)語

制作截面尺寸不同的3根未加固鋼筋混凝土梁和3根預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁，通過試驗研究加固梁抗剪性能，并分析加固效果，得出以下結(jié)論。

1)隨著荷載的增加，各試件最終均發(fā)生剪切破壞，破壞過程可分為初裂、裂縫發(fā)展、壓潰破壞階段。

2)對于不同截面尺寸的鋼筋混凝土梁，鋼帶應(yīng)變發(fā)展情況不同，截面尺寸越小，鋼帶應(yīng)變發(fā)展越快，對構(gòu)件的約束作用越強。

3)預(yù)應(yīng)力鋼帶對鋼筋混凝土梁彎曲開裂荷載的影響較小，但可提高斜裂縫開裂荷載和極限抗剪承載力，且截面尺寸越小，極限抗剪承載力提高幅度越大，加固效果相對較好。