王國林, 張宇軒, 楊家林, 丁文勝*, 楊冀錕, 邵佳聰, 毛靜

(1.上海應用技術大學城市建設與安全工程學院, 上海 201418;2.上海市建筑科學研究院有限公司上海市工程結構安全重點實驗室, 上海 200032)

鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)結構應用非常廣泛。作為其主要受力構件之一,RC梁會因環(huán)境腐蝕、地震作用等因素發(fā)生抗剪性能退化而影響結構安全。因此,有必要對其進行加固維護,延長服役年限[1]。目前,RC梁常見加固方法主要有增大截面法、外包型鋼法、粘貼纖維復材等。這些方法存在耐久性差、施工周期長、受環(huán)境影響大等不足,不適用于近海等復雜腐蝕環(huán)境[2]。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC) 是一種具備應變硬化特征的水泥基復合材料,兼具高強、高韌及高耐久性,是復雜環(huán)境中加固修復RC結構的最理想材料之一[3-4]。近些年,國內外學者利用UHPC材料針對RC梁的抗彎加固展開了系統(tǒng)的研究[5],而針對RC梁的抗剪加固開展了一些研究,但仍較為缺乏[6]。

按加固方式,UHPC抗剪加固RC梁可分為現(xiàn)澆UHPC層和粘貼UHPC預制板。前者主要通過在RC梁側面和底面澆筑20～30 mm厚UHPC層。試驗研究表明,加固梁整體工作性能良好,抗裂和抗剪性能得到了明顯提高[7-8],且RC梁承載力隨著UHPC層厚度增大而提高,破壞模態(tài)最終也由剪切破壞轉變?yōu)槭軓澠茐腫1]?？紤]到綠色低碳及經濟性,通過粘貼UHPC預制板的加固方式得到了更多關注,即在工廠提前預制30～50 mm厚的UHPC板,而在現(xiàn)場利用環(huán)氧樹脂進行粘貼安裝,抑或再附以螺栓力學錨固。試驗研究表明,增大UHPC預制板厚可以有效提高構件的承載力、延性、剛度和耗能能力,并促使破壞模式由受剪向受彎轉變[9-11];在UHPC板總厚度相同情況下,在RC梁雙面加固的效果優(yōu)于單面加固[12],而三面粘貼(U形)加固效果則最好,剛度明顯改善,承載力可提高70%[13]。

可見,通過合理加固設計,兩類加固方式均可提升RC梁的承載力、剛度和延性,并促使破壞模態(tài)發(fā)生改變。然而,既有試驗梁多為截面高度小于300 mm的縮尺模型,不能反映RC梁的抗剪尺寸效應。同時,UHPC加固層多未配置增強筋,而UHPC板抗拉強度有限,無法有效約束裂縫的開展[6]。鑒于此,為進一步研究UHPC加固RC梁的抗剪性能,現(xiàn)設計制作3根足尺RC梁,包括1根對比梁和2根UHPC預制板加固梁,以探究UHPC預制板及其內置CFRP板條的影響,為UHPC抗剪加固RC梁的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 構件設計與制作

試驗共設計了3根RC梁構件,包括1根對比梁和2根加固梁。所有構件尺寸和配筋相同,全長2 500 mm,凈跨2 100 mm,截面尺寸均為250 mm×500 mm,保護層厚度為30 mm,剪跨比為1.5。試件L0為對比梁,試件L30和L30-F為UHPC預制板加固梁,板厚均為30 mm。構件L30-F板內配置了CFRP板條,其截面尺寸為2 mm×16 mm。具體參數如表1和圖1所示。

圖1 構件示意圖

表1 加固參數

制備UHPC預制板的材料是上海復培新材料科技有限公司提供的派瑞蔻超高性能混凝土混合干料和鋼纖維。將質量比為25∶2.6∶2.11的混合干料、水和鋼纖維依次倒入立軸行星攪拌機,攪拌7～8 min后倒入UHPC模板內進行自然養(yǎng)護。加固時,先在UHPC板表面均勻涂抹Sika-31STP型粘鋼結構膠,然后將其粘貼于加固區(qū),再通過6.8級的M12普通螺栓對拉錨固。制作及加固主要過程如圖2所示。

圖2 UHPC板制備與安裝

1.2 材料力學性能

普通混凝土150 mm立方體平均抗壓強度為22.3 MPa。UHPC 100 mm立方體抗壓強度和抗拉強度分別為152.2 MPa和13.0 MPa。所有鋼筋等級均為HRB400,力學性能如表2所示。Sika-31STP型粘鋼結構膠抗拉強度為37.3 MPa。CFRP板條抗拉強度為2 460 MPa,彈性模量為148 GPa,伸長率為1.7%。

表2 鋼筋的力學性能

1.3 加載及量測方案

試驗在上海應用技術大學結構與安全工程試驗室進行,加載設備為500 t新型長柱試驗機,采用兩點單調分級方式進行加載。對于數據采集,一共布置了5個位移測點、9個梁縱筋測點(L1～L9)、4個箍筋測點(T1～T4)和32個CFRP板條應變測點(F1～F32),具體位置如圖3所示。

圖3 加載及測試方案

在正式加載前,先對構件進行預加載,檢查加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)是否正常。試驗初期采用力加載方式,每級加荷10 kN,出現(xiàn)受彎裂縫后,每級加荷30 kN;當RC梁跨中撓度出現(xiàn)比較明顯非線性增長或梁體出現(xiàn)較寬裂縫時,改用位移加載,每級0.5～1 mm。當荷載值下降至峰值荷載的80%或RC梁發(fā)生嚴重破壞時,結束試驗。所有測量數據均由英國輸力強(IMP)數據采集系統(tǒng)自動進行采集,而裂縫發(fā)展由人工進行觀測記錄。

2 試驗過程及結果

2.1 主要試驗現(xiàn)象

各試件裂縫分布及破壞形態(tài)如圖4所示,主要試驗現(xiàn)象描述如下。

圖4 裂縫分布及破壞形態(tài)

2.1.1 對比試件L0

加載到30 kN時,純彎段發(fā)現(xiàn)第一條受彎裂縫,寬度為0.053 mm;加載到150 kN時,SE側剪跨區(qū)的受彎裂縫發(fā)展為彎剪斜裂縫;加載到210 kN時,受彎裂縫發(fā)展基本停止,剪跨區(qū)斜裂縫發(fā)展明顯,最大斜裂縫寬度達0.08 mm;當達到峰值荷載729.4 kN時,斜裂縫兩側混凝土因錯動擠壓發(fā)生外鼓脫落。在荷載下降階段,受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)多道細小水平裂縫,剪跨區(qū)多條彎剪斜裂縫的寬度不斷增大,混凝土不斷脫落;荷載下降至591 kN時,SW側梁體產生明顯錯動變形,構件發(fā)生受剪破壞。

2.1.2 加固試件L30和L30-F

兩者均為加固試件,試驗現(xiàn)象相似。加載到30 kN左右時,純彎段出現(xiàn)第一條受彎裂縫;繼續(xù)加載到約300 kN時,T2測點處箍筋應變驟增,即梁體有斜裂縫在此附近開展,此時伴隨結構膠層斷裂聲。隨著繼續(xù)加載,不斷聽到UHPC板內鋼纖維拉斷聲,并在UHPC板內邊緣處發(fā)現(xiàn)剝離裂縫。隨著主要斜裂縫的開展,東側(SE和NE側)加載點預埋鋼板發(fā)生彎曲變形,混凝土局部壓潰,對拉螺桿周邊UHPC板因局部承壓也出現(xiàn)細小裂縫。

達到峰值荷載后,加固梁進入穩(wěn)定的荷載下降階段,結構膠層斷裂聲和鋼纖維拉斷聲持續(xù)不斷。隨著UHPC板與梁體變形不協(xié)調的增加,東側(SE和NE側)UHPC板自上而向下出現(xiàn)多條斜裂縫,其中一條持續(xù)增寬成為主斜裂縫并貫穿整個板高。對于構件L30-F,貫穿裂縫限制于相鄰兩CFRP板條間,寬度約0.152 mm,其因板條約束而未能穿越板條。隨著UHPC板與梁體的變形差越來越大,加載點預埋鋼板的彎曲變形越發(fā)明顯[圖5(a)],其下的錨固筋突然拉斷而發(fā)出巨響,荷載隨之快速下降,加載停止。

圖5 局部試驗現(xiàn)象

移除兩個構件S側剝離的UHPC板,剪跨區(qū)受剪破壞特征均十分明顯[圖4(b)、圖4(c)]。斜裂縫分布與UHPC板的裂縫開展基本一致,說明兩者在受力過程中達到了共同工作效果。同時,對拉螺栓也明顯變形,說明其起到了銷栓作用,阻滯了兩者的相對錯動[圖5(b)]。

2.2 主要特征結果及分析

試驗梁的開裂荷載、極限荷載及其對應位移如表3所示。由表可見,UHPC預制板不僅可以提高RC梁的承載力,還能提高其延性。其中,承載力提高25.1%～30.8%,而對應跨中撓度提高13.8%～28.5%?？梢?CFRP板條憑借其優(yōu)異的抗拉性能,提升了UHPC板的抗裂性能,從而進一步提高了其極限荷載。因結構膠層斷裂而引起界面強度降低,UHPC板的抗剪作用發(fā)揮受限,致使加固梁均發(fā)生了受剪破壞。

表3 主要試驗結果

UHPC板與RC梁間的界面強度影響著兩者的協(xié)同工作效果,其主要決定于結構膠層的黏結力和螺桿的錨固約束作用。整個加載過程中,界面強度退化及貢獻示意如圖6所示。加載初期,界面強度主要來自結構膠層,均布的結構膠層對梁體有向上的黏滯力,而此時螺桿受力很小。隨著加載的持續(xù),在梁體變形較大的區(qū)域,因UHPC板與梁體變形不協(xié)調,結構膠層陸續(xù)斷裂,黏滯力范圍逐漸減小,螺桿開始發(fā)揮作用,界面強度的貢獻來自結構膠層和螺桿。在加載后期,在破壞明顯區(qū)段,結構膠層大面積斷裂,UHPC板剝離,界面強度主要由螺桿提供。

紅色實心箭頭表示結構膠對梁體的作用力;藍色空心箭頭表示螺桿對梁體的作用力;箭頭大小表示力的大小

螺桿不但在加固時提供了垂直于梁體側面的主動預壓力,還在加載過程中,提供了因梁體膨脹而引起的被動側壓力,兩者均增大了界面的摩擦力,如試驗發(fā)現(xiàn)部分螺桿周邊UHPC板有局部承壓現(xiàn)象而產生多道細微裂縫。同時,在梁體與UHPC板因變形不協(xié)調而發(fā)生相對錯動時,螺桿還起到了銷栓作用,阻滯了錯動的進一步發(fā)展,這從螺桿的彎曲變形可以得到驗證[圖5(b)]。因此,增加螺栓數量或減小其間距可以增大UHPC板與RC梁間的界面強度,從而會提高UHPC板的貢獻。

2.3 荷載-位移曲線

試驗梁的荷載-跨中位移曲線如圖7所示。在加載初期,荷載-位移曲線均呈線性發(fā)展趨勢,加固梁剛度高于對比梁。隨著荷載增加,由于UHPC板和CFRP板條的貢獻,加固梁的承載力顯著提高。在下降段,由于加載處預埋鋼板和UHPC板的作用,梁體呈現(xiàn)出一定的延性。對于試件L0,荷載達到峰值后,隨著荷載增加,斜裂縫不斷增寬,達到一定程度后,承載力下降明顯。而對于加固梁,因UHPC板內鋼纖維和CFRP板條限制了裂縫的開展,承載力和剛度下降比較緩慢。

圖7 荷載-位移曲線

2.4 應變分析

2.4.1 箍筋應變

選取各試件主斜裂縫處的箍筋應變測點T3的數據,繪制荷載-箍筋應變曲線,如圖8所示。由圖9可見,所有梁的箍筋均發(fā)生了屈服(2 300 με),且在相同荷載下,試件L0應變最大,而L30-F最小,說明UHPC板和CFRP板條發(fā)揮了相應的抗剪作用。同時,由圖8可見,在早期加載階段,各試驗梁的箍筋應變均較小,因為此時梁上裂縫主要為受彎裂縫;隨著荷載逐漸增大,試件L0的剪跨區(qū)首先產生受剪斜裂縫,并穿過設置T3測點的箍筋,使其應變突增;隨著荷載進一步增大,加固梁斜裂縫也不斷發(fā)展,箍筋逐漸達到屈服。

圖8 荷載-箍筋應變曲線

圖9 縱筋應變分布

2.4.2 縱筋應變

選取縱筋應變測點數據,繪制不同荷載等級下的縱筋應變分布和發(fā)展情況,如圖9所示?？梢?試件L0的較大應變位于跨中和支座附近,而加固梁則在純彎段梁寬突變處(即UHPC板內側邊緣)和支座附近。在荷載達到峰值時,所有梁的跨中和支座處的縱筋均達到或接近屈服應變(2000 με)。同時,由圖9可見,在加載早期,各試驗梁的縱筋應變呈現(xiàn)中部大、兩側小的趨勢;隨著荷載逐漸增大,支座附近的應變增長明顯。這是因為在加載后期,剪跨區(qū)受剪斜裂縫發(fā)展到支座處,使梁體發(fā)生剪切錯動,同時裂縫開展使得小剪跨比RC梁整體形成一個拉桿拱,導致支座附近縱筋應變增長明顯,最終超過跨中應變值。

2.4.3 CFRP板條應變

取試件L30-F主斜裂縫附近的應變測點數據,繪制荷載-CFRP板條應變曲線,如圖10所示。可見,在加載全過程中,CFRP板條應變總體偏小。CFRP作為線彈性材料,憑借優(yōu)異的抗拉強度延緩了UHPC板的裂縫開展。

圖10 CFRP板條荷載-應變曲線

3 非線性有限元模型驗證

3.1 單元選擇

使用DIANA軟件建立UHPC板加固RC梁的3D模型,包括RC梁、鋼筋、UHPC板、CFRP板條、加載板、支座、對拉螺栓等部件。除鋼筋和CFRP板條采用線單元外,其余均采用實體單元,網格尺寸為30 mm。

3.2 材料本構模型的選取

采用DIANA軟件中彌散開裂模型進行數值模擬。參考課題組前期研究成果[14],普通混凝土受壓本構采用Feenstra拋物線模型,受拉本構采用Hordijk拉伸軟化模型。You等[15]也使用相同模型對簡支梁進行了抗剪分析,模擬值與試驗結果接近。鋼筋采用三折線模型(強化階段為水平段),極限應變取0.1,泊松比0.3,彈性模量、屈服應變均由試驗值確定。CFRP板條采用理想線彈性模型[14]。材料強度均取試驗實測值。UHPC材料受拉本構曲線選取材性試驗實測曲線,如圖11(a)所示,而受壓曲線采用雙線性模型[14],峰值點數值采用試驗實測結果,如圖11(b)所示。

圖11 UHPC本構模型

3.3 黏結滑移的考慮

鋼筋與混凝土和CFRP板條與UHPC板之間的黏結滑移可采用嵌入式模型或黏結滑移模型進行模擬。研究表明[14],兩者分析結果相差較小,而嵌入式模型可使結果更好收斂,故選用此模型。

UHPC板與RC梁間采用邊界界面連接,并選取Coulomb摩擦材料模型考慮黏結滑移的影響。參考文獻[16]并結合試驗情況,Coulomb摩擦參數取值如下:黏聚力2.1 MPa,摩擦角40°,膨脹角40°,界面單元張開模型不考慮張開。

3.4 破壞模態(tài)對比

圖12為有限元數值模擬的破壞形態(tài)。結合圖4可見,模擬結果與試驗結果基本一致。各梁模擬破壞模態(tài)均為受剪破壞,主斜裂縫均在剪跨區(qū),從支座延伸至加載點。在UHPC板板邊緣處有明顯的豎向裂縫,與試驗結果一致。可見,所建有限元模型對裂縫開展和破壞模態(tài)具有較好的預測精度。

圖12 模擬破壞模態(tài)

3.5 荷載-位移曲線對比

圖13為試驗梁與有限元模擬的荷載-位移曲線對比情況。可知,兩曲線趨勢基本一致,極限試驗荷載與模擬結果平均比值為0.94(離散系數為0.028),表明有限元模型具有較高的預測精度,可較精確地反映加固RC梁的整體受力行為。

圖13 有限元與試驗結果對比

同時,由圖13可見,上升段模擬值稍微偏大,可能因為試驗連接件存在空隙等原因,而下降段試驗值較模擬值偏高。這是因為在加載后期加載點預埋鋼板發(fā)生明顯受彎變形,起到了類似銷栓的作用,使試驗梁具有了一定的延性而荷載緩慢下降,而模擬結果未能考慮此效應。

4 結論

開展了UHPC板加固足尺RC梁的抗剪性能試驗研究和有限元模擬工作,對加固方案的可行性和有效性進行了驗證,具體結論如下。

(1)所有梁均發(fā)生了受剪破壞。UHPC預制板大大提高了RC梁的承載力、剛度和延性,承載力最大提高了25.1%,對應位移最大提高了13.8%。

(2)CFRP板條作為UHPC板的增強筋能夠延緩裂縫的產生與發(fā)展,提高加固梁的抗裂性能,進一步提高加固梁的極限荷載。

(3)UHPC板與RC梁間的界面強度決定于結構膠層的黏結力和螺桿的錨固約束作用,隨著加載的進行,兩種作用的貢獻比例發(fā)生變化,即在加載初期,結構膠占主導貢獻,而在加載后期,螺桿占主導地位。

(4)螺桿錨固不但對梁體提供側向約束力,還在梁體與UHPC板不協(xié)調的錯動中起到了銷栓作用。合理設計螺栓數量和間距可以增大UHPC板與RC梁間的界面強度,從而提高UHPC板的貢獻。

(5)有限元模擬的破壞形態(tài)、荷載-位移曲線與試驗結果均接近,極限承載力誤差不超過6%,說明有限元模型可以較精確地模擬試件的整體受力行為。