鄧明科,李琦琦,馬福棟,黃 政
(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西,西安710055;2.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司西南公司 四川,成都 610041)
鋼筋混凝土梁是建筑結(jié)構(gòu)的主要水平承重構(gòu)件和耗能構(gòu)件,其主要的破壞形式為彎曲破壞和剪切破壞?;炷亮喊l(fā)生剪切破壞時具有明顯的脆性特征,其延性較差,且加固修復(fù)難度較大。因此,當(dāng)混凝土梁的受剪承載力不足時,采用新材料和新技術(shù)提高其抗剪性能,改善梁的剪切破壞形態(tài),具有重要的工程意義。
高延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementi-tious composite,ECC)[1-4]是一種具有高韌性、高抗裂性和高耐損傷能力的新型結(jié)構(gòu)材料。在拉伸和剪切作用下均表現(xiàn)出高延展性,具有典型的多裂縫開展和應(yīng)變硬化特征,能顯著改善混凝土材料的韌性和抗裂能力[5-8],在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Maalej等[9]研究表明,ECC在沖擊荷載作用下具有良好的抗剪性能。梁興文等[10]進(jìn)行了小跨高比纖維增強(qiáng)混凝土連梁的抗震性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明纖維增強(qiáng)混凝土可提高連梁的承載力和延性。由此可見,ECC用于以受剪為主的構(gòu)件,均表現(xiàn)出良好的剪切延性,可顯著提高構(gòu)件的抗剪性能和耐損傷能力。
為推廣 ECC在混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,本課題組將其稱為高延性混凝土(highductile concrete,HDC),并系統(tǒng)研究了其力學(xué)性能[11-13]。研究表明,采用HDC替代普通混凝土,可顯著改善無腹筋梁[14-15]和短柱[16]的脆性剪切破壞形態(tài);采用HDC加固受損磚砌體墻[17]和混凝土柱[18],均可顯著提高其抗震性能。本文在此基礎(chǔ)上,提出采用 HDC加固無腹筋混凝土梁,以提高梁的抗剪承載力和變形能力,并通過靜力加載試驗(yàn),研究 HDC加固層對無腹筋梁的破壞形態(tài)和變形能力的影響,為 HDC加固混凝土梁的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供參考。
本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了9個HDC加固的RC梁和4個對比試件,其中 1個采用高性能復(fù)合砂漿加固RC梁,其余 3個為未加固梁。試件截面尺寸均為150 mm×300 mm,按剪跨比為1、2和3將試件分為3組,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級均為 C30,縱筋采用HRB400級,箍筋采用HPB300級U形箍筋。各試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1,試件尺寸及加固方式見圖1。
為充分發(fā)揮HDC材料的抗剪性能優(yōu)勢,加固梁均采用三面圍套加固方式。HDC加固梁,每側(cè)加固層厚度為15 mm或25 mm;高性能復(fù)合砂漿加固梁,加固層厚度為25 mm。其中試件L1-4、L2-4、L2-5和L3-4均在加固層配置箍筋。試件加固施工過程為:首先對試件表面進(jìn)行鑿毛處理;然后固定U形箍筋,清理界面;最后采用人工壓抹HDC加固層。
表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 main parameters of specimens
圖1 試件尺寸及加固示意圖Fig.1 Section details and strengthening of test beams
為滿足較高的強(qiáng)度和延性要求,試驗(yàn)采用的HDC由水泥、粉煤灰、精細(xì)河砂、礦物摻合料、水、高效減水劑和PVA纖維按一定的比例配制組成。其中,砂的最大粒徑為1.18 mm,水泥為P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為Ⅰ級灰,PVA纖維的體積摻量為 2%。試驗(yàn)所用的纖維各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)見表2。
表2 PVA纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of PVA
對于HDC材料,采用邊長為70.7 mm立方體試塊測試其抗壓強(qiáng)度;采用尺寸為350 mm×50 mm×15mm的啞鈴型拉伸試件,測試其抗拉強(qiáng)度。對于混凝土材料,采用邊長為100 mm立方體試塊測試其抗壓強(qiáng)度,并按換算得到其抗拉強(qiáng)度。對于高性能復(fù)合砂漿材料,采用邊長為100 mm立方體試塊測試其抗壓強(qiáng)度,采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)確定其抗拉強(qiáng)度。HDC、混凝土和高性能復(fù)合砂漿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3,其中fcu,m為立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測平均值;fc,m為按式(1)分別換算成標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊的HDC、混凝土和高性能復(fù)合砂漿軸心抗壓強(qiáng)度值。
式中:δ1為尺寸效應(yīng)系數(shù);αc1為棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度之比。對于混凝土,根據(jù)我國規(guī)范[19],取δ1為0.95,按C30混凝土考慮取αc1為0.76。根據(jù)課題組前期試驗(yàn)[12],對 HDC,取δ1為 1.0,αc1為 0.88;對高性能復(fù)合砂漿,取δ1為 1.0,αc1為 0.988。鋼筋的力學(xué)性能見表4。
表3 混凝土、HDC和高性能復(fù)合砂漿的力學(xué)性能Table 3 Material properties of RC,HDC and high performance composite mortar
表4 鋼筋的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of steels
本試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震試驗(yàn)室進(jìn)行,采用5000 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)的彎曲平臺進(jìn)行加載,加載裝置如圖2和圖3。為防止試件局部壓壞,在支座和加載點(diǎn)處均放置墊板,并鋪設(shè)細(xì)砂找平。試驗(yàn)采用位移控制加載方式,加載速率為0.2 mm/min,當(dāng)荷載下降至峰值荷載的85%以下或跨中撓度過大時,停止加載。
試驗(yàn)主要測試內(nèi)容包括:試件承載力、跨中撓度、縱筋和箍筋應(yīng)變,以及裂縫出現(xiàn)和開展情況。
圖2 加載裝置Fig.2 Test setup
圖3 試驗(yàn)加載現(xiàn)場Fig.3 Test load field
3個未加固梁的破壞形態(tài)為斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞;10個加固梁的破壞形態(tài)有剪壓破壞、剝離破壞、彎剪破壞和彎曲破壞。各試件的破壞形態(tài)與裂縫分布如圖4所示。
圖4 試件破壞形態(tài)與裂縫分布Fig.4 Photographs and crack patterns of specimens at failure
2.1.1 未加固梁
1)斜壓破壞
剪跨比為1時,梁L1-1發(fā)生斜壓破壞。加載至160 kN時,加載點(diǎn)左側(cè)腹部出現(xiàn)第一條斜裂縫;加載至 180 kN時,梁左側(cè)被斜裂縫分割成若干個傾斜的受壓柱體;隨后試件變形逐漸增大,斜裂縫之間混凝土剝落,試件承載力突然降低,發(fā)生具有明顯脆性的斜壓破壞。
2)剪壓破壞
剪跨比為2時,梁L2-1發(fā)生剪壓破壞。加載載至65 kN時,加載點(diǎn)右側(cè)出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至110 kN時,加載點(diǎn)兩側(cè)均出現(xiàn)腹剪斜裂縫;加載至 120 kN時,梁右側(cè)形成主斜裂縫,隨后斜裂縫兩側(cè)混凝土出現(xiàn)明顯的剪切錯動,加載點(diǎn)處混凝土壓碎,試件發(fā)生剪壓破壞。
3)斜拉破壞
剪跨比為3時,梁L3-1發(fā)生斜拉破壞。加載至45 kN時,梁右側(cè)出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至115 kN時,梁右側(cè)腹部形成主斜裂縫;隨后,主斜裂縫明顯變寬,梁因斜向被拉裂成兩部分而突然破壞,發(fā)生典型的斜拉破壞。
2.1.2 加固梁
10個加固梁中,試件L1-3發(fā)生剝離破壞,試件L3-3發(fā)生彎剪破壞,試件L3-4發(fā)生彎曲破壞,其余加固梁均發(fā)生剪壓破壞。
1)剝離破壞
HDC加固梁L1-3由于加固層較厚(25 mm),施工時分兩次壓抹,加固層之間發(fā)生了剝離破壞。加載至 220 kN時,跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至 270 kN時,加載點(diǎn)右側(cè)出現(xiàn)了第一條斜裂縫;加載至 310 kN時,加載點(diǎn)兩側(cè)出現(xiàn)細(xì)密斜裂縫;隨后,右側(cè)斜裂縫貫通形成主斜裂縫;繼續(xù)加載,主斜裂縫變寬,承載能力開始下降,且試件破壞過程中伴隨有纖維拔出和拉斷的滋滋響聲。最后,試件一側(cè)的加固層出現(xiàn)剝離而發(fā)生破壞。
2)剪壓破壞
HDC加固梁L1-2、L1-4、L2-2、L2-3、L2-4、L3-2均發(fā)生剪壓破壞。試件 L2-2采用 15 mm厚HDC面層加固。加載至85 kN時,跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至 175 kN時,加載點(diǎn)兩側(cè)出現(xiàn)多條細(xì)密斜裂縫;隨后,加載點(diǎn)左側(cè)斜裂縫貫通形成主斜裂縫;繼續(xù)加載,主斜裂縫變寬,試件變形增大,且試件破壞過程伴隨有纖維拔出和拉斷的滋滋響聲,但裂縫分布和數(shù)量不再發(fā)生變化;最后,試件發(fā)生具有一定延性的剪切破壞。
試件 L2-5采用高性能復(fù)合砂漿與箍筋加固,發(fā)生剪壓破壞。主斜裂縫形成以后,加載點(diǎn)處的高性能復(fù)合砂漿壓碎破壞比較嚴(yán)重。
3)彎剪破壞
試件L3-3采用25 mm厚HDC面層加固,發(fā)生彎剪破壞。加載至90 kN時,加載點(diǎn)右側(cè)出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至 145 kN時,加載點(diǎn)左右兩側(cè)腹部斜裂縫細(xì)密開展;加載至 190 kN時,縱筋屈服,右側(cè)斜裂縫分別向支座及加載點(diǎn)延伸,形成主斜裂縫;隨后,主斜裂縫寬度增大,試件承載力開始下降。
4)彎曲破壞
試件L3-4采用25 mm厚HDC面層和箍筋加固,發(fā)生彎曲破壞。加載至65 kN時,跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫;加載至 190 kN時,加載點(diǎn)左右兩側(cè)斜裂縫細(xì)密開展,跨中豎向裂縫向上延伸;繼續(xù)加載,豎向裂縫寬度增大,縱筋屈服,縱筋外側(cè)出現(xiàn)縱向劈裂裂縫,跨中撓度明顯,受壓區(qū)混凝土壓碎剝落。
根據(jù)試驗(yàn)過程中對各試件縱筋與箍筋應(yīng)變的測試結(jié)果,可得試件的鋼筋屈服情況與破壞形態(tài)匯總于表5。
表5 試件破壞形態(tài)與鋼筋屈服情況Table 5 Failure patterns of specimens and yield condition of steels
1)試件L3-3和L3-4達(dá)到峰值荷載前,縱筋均達(dá)到屈服,試件受剪承載力未得到充分發(fā)揮。其余試件縱筋均未屈服。
2)試件L1-4、L2-4均采用25 mm厚HDC面層和箍筋加固,達(dá)到峰值荷載以前,箍筋均達(dá)到屈服強(qiáng)度。
3)試件 L2-5采用高性能復(fù)合砂漿和箍筋加固,達(dá)到峰值荷載前,部分箍筋達(dá)到屈服,縱筋均未屈服。
根據(jù)上述10根加固梁和3根對比梁的試驗(yàn)結(jié)果,對其破壞形態(tài)進(jìn)行比較和分析:
1)剪跨比為1時,采用HDC面層加固改善了無腹筋梁的剪切破壞形態(tài)。未加固梁 L1-1發(fā)生斜壓破壞,其受剪承載力取決于混凝土斜壓柱體的受壓承載力。采用HDC面層加固的梁L1-2和 L1-4均發(fā)生剪壓破壞,其受剪承載力取決于剪壓區(qū)混凝土和HDC的剪壓復(fù)合受力強(qiáng)度,與試件L1-1相比,其受剪承載力上限值(剪壓比)得到明顯提高。
對于HDC加固梁L1-3,由于HDC加固面層較厚(25 mm厚),施工分2層壓抹,面層之間發(fā)生的剝離破壞。因此,當(dāng) HDC加固層較厚時,宜采取一定的錨固措施。
2)剪跨比為2時,采用HDC面層加固可顯著提高試件的受剪承載力。未加固梁L2-1和HDC加固梁L2-2、L2-3及L2-4,均發(fā)生剪壓破壞。與未加固梁L2-1相比,HDC加固梁的承載力和變形能力均有較大幅度提高。由于 HDC具有良好的拉伸應(yīng)變硬化效應(yīng),HDC加固梁腹部均出現(xiàn)明顯的多裂縫開展現(xiàn)象;且 HDC具有良好的耐損傷能力,最終未出現(xiàn) HDC加固面層被壓碎、剝落現(xiàn)象,試件保持良好的完整性。
試件 L2-5采用高性能復(fù)合砂漿和箍筋加固,與 HDC加固梁相比,裂縫發(fā)展較為單一,且加載點(diǎn)混凝土剝落嚴(yán)重,損傷程度較大。
3)剪跨比為3時,隨著加固層厚度的增加,以及加固層內(nèi)配置箍筋,試件的破壞形態(tài)逐步得到改善。未加固梁 L3-1發(fā)生斜拉破壞,其受剪承載力取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度,承載力低且破壞突然。試件L3-2采用15 mm厚HDC面層加固,發(fā)生具有一定延性的剪壓破壞。試件L3-3的HDC面層厚度增至25 mm,發(fā)生延性較好的彎剪破壞。試件L3-4采用25 mm厚HDC面層和箍筋加固,發(fā)生了延性彎曲破壞。
以上分析可見,采用HDC面層進(jìn)行抗剪加固,可在一定程度上代替箍筋的抗剪作用,并改善無腹筋梁的剪切破壞形態(tài),提高梁的剪壓比限值。
將13根試件的各個特征點(diǎn)匯總于表6。根據(jù)試驗(yàn)記錄,按剪跨比的不同分別繪出 13根試件的荷載-撓度曲線,如圖5所示。本試驗(yàn)中,以試件表面出現(xiàn)明顯裂縫確定其開裂荷載Fcr及相應(yīng)的位移Δcr;以荷載-撓度曲線上最大荷載點(diǎn)對應(yīng)的荷載和位移確定的峰值荷載Fm與峰值位移Δm;以荷載-撓度曲線上承載力下降到峰值荷載的 85%時對應(yīng)的點(diǎn)確定極限位移Δu;采用“通用屈服彎矩”確定屈服位移Δy。由圖5和表6對比分析可得:
圖5 荷載-位移曲線Fig.5 load-deflection curves of specimens
1)試件開裂前,各試件的荷載-撓度曲線基本一致,跨中撓度均隨荷載的增加呈線性增長,表示加載前期,HDC加固面層對梁剛度的貢獻(xiàn)不明顯。試件開裂后,各試件呈曲線發(fā)展,且曲線的斜率逐漸降低,表明試件剛度降低,撓度增長速度加快;達(dá)到峰值荷載后,各試件的荷載-撓度曲線出現(xiàn)下降,HDC加固試件的承載力下降較為平滑,表明HDC面層可在一定程度上延緩試件的剛度退化。
表6 試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results
2)HDC加固面層厚度對試件的剛度有較大的影響。當(dāng)剪跨比為1時,試件L1-3加固面層剝離,HDC未充分發(fā)揮其作用,故其荷載-撓度曲線與試件L1-2接近。當(dāng)剪跨比為2、3時,試件開裂后,在相同荷載作用下,隨著 HDC加固面層厚度的增加,試件的跨中撓度遞減,曲線的斜率增大;但其達(dá)到峰值荷載時的跨中撓度得到了顯著的提高。
3)剪跨比相同時,HDC加固層內(nèi)附加箍筋的試件剛度退化緩慢。
根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,對各試件的變形能力進(jìn)行分析可得:
1)剪跨比對 HDC加固梁的變形能力影響較大。剪跨比為1時,HDC加固層以受壓為主,對梁變形能力的提高幅度相對較??;當(dāng)剪跨比較大時,HDC加固層以受剪和受拉為主,梁的極限位移明顯提高。當(dāng)剪跨比為2時,HDC加固梁的極限位移提高幅度為56%~150%,剪跨比為3時,HDC加固梁的極限位移提高幅度為99%~555%。因此,剪跨比較大時,HDC面層可相當(dāng)于箍筋的作用,加固梁的變形能力得到明顯提高。
2)試件L2-2、L2-3的HDC加固層厚度分別為15 mm、25 mm,與未加固梁L2-1相比,其峰值位移提高幅度分別為144%和308%,極限位移提高幅度分別為56%和150%,表明隨著HDC加固面層厚度增加,梁發(fā)生剪切破壞的變形能力提高。
3)試件L3-4采用25 mm厚HDC面層和箍筋加固,其受剪承載力有富余而發(fā)生延性彎曲破壞,試件變形能力大幅度提高。
4)當(dāng)剪跨比相同時,HDC加固梁的峰值位移和極限位移明顯高于未加固梁,表明采用 HDC進(jìn)行抗剪加固,可顯著提高梁發(fā)生剪切破壞時的變形能力,實(shí)現(xiàn)延性剪切破壞模式。
采用 HDC面層加固試件的開裂荷載和峰值荷載均有較大程度的提高,其提高幅度與剪跨比和加固方式相關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)記錄,按剪跨比的不同分別繪出13根試件的承載力柱狀圖,如圖6所示。由表6和圖6對比分析,可以得出以下結(jié)論:
1)剪跨比對試件的加固效果有較大的影響。剪跨比為1時,HDC加固梁以拱作用為主,試件L1-2發(fā)生剪壓破壞時的承載力比未加固梁 L1-1提高了39%;剪跨比為2時,HDC加固梁的桁架和拱共同作用,試件L2-2發(fā)生剪壓破壞時比未加固梁L2-1提高了51%;剪跨比為3時,HDC加固梁以桁架作用為主,試件 L3-2發(fā)生剪壓破壞時比未加固梁L3-1提高了29%??梢?,采用HDC加固梁可顯著提高其抗剪承載力,但不同剪跨比時,HDC面層發(fā)揮的作用有所不同。
2)HDC加固層厚度對梁加固效果的影響較大。剪跨比為2時,加固梁L2-2和L2-3的HDC加固層厚度為15 mm和25 mm,與未加固梁L2-1相比,其開裂荷載提高幅度分別為41%和55%,極限承載力提高幅度分別為51%和123%;剪跨比為3時,加固梁L3-2和L3-3的HDC加固層厚度為15 mm和25 mm,與未加固梁 L3-1相比,其開裂荷載提高幅度分別為16%和37%,極限承載力提高幅度分別為29%和66%??梢?,隨著HDC加固層厚度的增加,梁受剪承載能力明顯提高。
3)試件 L2-5采用高性能復(fù)合砂漿和箍筋加固,試件L2-3采用25 mm厚HDC進(jìn)行抗剪加固,2個試件的峰值荷載接近,說明HDC面層能夠替代部分箍筋承擔(dān)的抗剪作用。
圖6 承載力柱狀圖Fig.6 Load histogram of specimens
采用疊加法計(jì)算HDC加固梁的受剪承載力:
式中:Vc為原梁的受剪承載力;Vs為加固箍筋的受剪承載力;VHDC為加固層的受剪承載力。
根據(jù)我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19],集中荷載作用下無腹筋梁的受剪承載力計(jì)算公式為:
式中:λ為剪跨比,取為a/h0,當(dāng)λ<1.5時取1.5,當(dāng)λ>3時取3;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度;b為原梁截面寬度;h0為原梁截面有效高度。
根據(jù)我國《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[20],加固箍筋的受剪承載力計(jì)算公式為:
式中:αs為加固箍筋強(qiáng)度利用系數(shù),取αs=0.9;fy為加固箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為同一截面內(nèi)加固箍筋各肢截面面積之和;s為加固箍筋沿梁長度方向的間距;h01為梁加固后截面有效高度。
考慮 HDC加固層承擔(dān)的剪力,為保持計(jì)算方法和現(xiàn)行規(guī)范一致,使公式的應(yīng)用較為簡便,參考我國《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[20],提出 HDC加固層受剪承載力計(jì)算公式為:
式中:λ為剪跨比,取值同式(3);αs為HDC加固層強(qiáng)度利用系數(shù),取αs=0.7;fDt為 HDC軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(注:計(jì)算L2-5時,fDt為高性能復(fù)合砂漿軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值);AD為HDC加固層截面面積。
由式(2)計(jì)算得到各試件的受剪承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值 如表7所示。
表7 計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果Table 7 Comparison of theoretical and experimental results
由表7可得:
1)當(dāng)剪跨比為1時,梁以斜壓破壞為主,承載力較高,延性較差,為避免發(fā)生脆性斜壓破壞,我國規(guī)范按混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算所得的受剪承載力偏于保守,因此試驗(yàn)值明顯高于計(jì)算值。
2)當(dāng)剪跨比為2和3時,按以上公式計(jì)算得到的試件受剪承載力與試驗(yàn)值吻合較好。
3)試件L3-4發(fā)生了彎曲破壞,因此其受剪承載力計(jì)算值高于試件破壞的最大剪力值。
通過對9個HDC加固混凝土梁和4個對比試件的抗剪性能研究,考慮加固層厚度、附加箍筋和剪跨比的影響,得出以下結(jié)論:
(1)采用HDC面層對無腹筋梁進(jìn)行抗剪加固,可顯著提高梁的抗剪承載力和變形能力,且對斜裂縫的發(fā)展起到了很好的阻滯作用,顯著改善了混凝土梁的裂縫分布和破壞形態(tài);隨著 HDC加固層厚度的增加,混凝土梁的受剪承載力和變形能力均得到進(jìn)一步提高。但加固層較厚,施工分層壓抹時,宜采取一定的錨固措施。
(2)HDC面層可代替部分箍筋的抗剪作用,改善無腹筋梁的剪切破壞形態(tài),實(shí)現(xiàn)延性剪切破壞,提高梁的剪壓比限值。
(3)采用HDC面層和附加箍筋進(jìn)行抗剪加固,可增強(qiáng) HDC對試件的約束作用,進(jìn)一步提高試件的受剪承載力,并改善無腹筋梁的剪切破壞形態(tài)。
(4)本文提出了 HDC加固梁的受剪承載力計(jì)算公式,其計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可為HDC加固試件的受剪承載力計(jì)算提供參考。