任偉*，劉賀，李平2，趙滿

(1.長(zhǎng)安大學(xué)舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西西安7100642.哈爾濱市市政工程設(shè)計(jì)院， 黑龍江哈爾濱150009)

0 引言

高強(qiáng)纖維材料用來(lái)加固橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)物，一直是結(jié)構(gòu)加固的重點(diǎn)研究對(duì)象[1]。高強(qiáng)纖維材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，目前常用的纖維加固材料有碳纖維(CFRP)，芳綸纖維(AFRP)等。本文所用加固材料—纖維織物網(wǎng)是用芳綸纖維編織而成，相對(duì)于碳纖維，芳綸纖維的抗剪和抗沖擊強(qiáng)度均較優(yōu)，而且芳綸纖維不導(dǎo)電，可以用在地鐵等特殊場(chǎng)合中。

在常規(guī)粘貼非預(yù)應(yīng)力FRP加固混凝土梁試驗(yàn)中， FRP發(fā)揮不到五分之一的強(qiáng)度時(shí)FRP就會(huì)因梁的變形而剝離[2]，所以直接粘貼FRP加固是很不經(jīng)濟(jì)的[3]。并且在鋼筋屈服后不久，外貼FRP就開(kāi)始剝離，對(duì)梁的極限荷載的提高幫助甚微[4]。為了解決傳統(tǒng)外貼FRP加固方法中FRP利用率低和被動(dòng)加固的問(wèn)題，可對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力使FRP對(duì)梁體主動(dòng)施力。經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的研究[5-10]，目前對(duì)FRP材料施加預(yù)應(yīng)力的方法有以下幾種：反拱法、波形錨具法、端錨固法和通過(guò)外部反力架張拉法。

上述方法除端錨固法外，其他方法由于受到施工條件和施工困難程度的影響很難在實(shí)橋上應(yīng)用[11]。如反拱法需先用千斤頂對(duì)梁體跨中位置頂升，對(duì)設(shè)備要求高，并且容易對(duì)梁體造成破壞；波形錨具法不適用于跨徑較大的梁；外部反力架張拉法需要用噸位較大的千斤頂，施工復(fù)雜。本文所采用的張拉錨固設(shè)備是本課題組按照端錨固法的加固思路和小噸位、分散錨固的加固形式自主設(shè)計(jì)研發(fā)的，并且已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。

本文所用的張拉錨固設(shè)備是通過(guò)扭轉(zhuǎn)施力法來(lái)施加預(yù)應(yīng)力，簡(jiǎn)便易行，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的條件。本文利用該張拉錨固設(shè)備來(lái)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力TRM(纖維織物網(wǎng)增強(qiáng)砂漿)加固，對(duì)比分析加固后RC梁受彎性能的變化。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

為了使試驗(yàn)梁尺寸在滿足安裝張拉錨固設(shè)備的要求的基礎(chǔ)上盡量縮小，本次試驗(yàn)把矩形梁設(shè)計(jì)成兩端漸變加寬的形式。試驗(yàn)梁長(zhǎng)為3.3 m，跨度為3.2 m，截面尺寸為160 mm×320 mm。試驗(yàn)梁底部主筋為2Ф14的HRB400型鋼筋，配筋率為0.6 %，架立鋼筋采用2Ф8的HRB335型鋼筋，試驗(yàn)梁采用C30強(qiáng)度混凝土。試驗(yàn)梁尺寸及配筋見(jiàn)圖1。

(a) 立面圖

(b)1-1橫斷面圖 單位：mm

圖1 試件參數(shù)及配筋圖
Fig.1 Geometry and reinforcement details for specimens

1.2 試驗(yàn)材料

本文所用的加固材料芳綸纖維的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。纖維織物網(wǎng)實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 纖維織物網(wǎng)Fig.2 Fabric web

表1 芳綸纖維性能參數(shù)Tab.1 Aramid fiber performance parameters

受拉鋼筋經(jīng)拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為476.8 MPa，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)為34.4 MPa。

1.3 張拉錨固設(shè)備及加固流程

本文所采用的張拉錨固設(shè)備為課題組獨(dú)立設(shè)計(jì)研發(fā)，通過(guò)在梁上種植化學(xué)螺栓固定。主要包括3部分：張拉端、錨固端、反力架。具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。工作原理：扭動(dòng)施力螺母，張拉端在固定滑道平移，依靠楔形塊在分離式楔形夾具內(nèi)的摩擦力來(lái)對(duì)纖維網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定可靠張拉，錨固端依靠波形帶齒錨具來(lái)阻止纖維網(wǎng)滑移，并且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證在合適的錨固方式下滑移量控制在5 mm以下[12]。反力架固定在梁上承擔(dān)張拉過(guò)程中的反力。

張拉設(shè)備的加固流程為：①在梁底測(cè)量好孔位后進(jìn)行鉆孔、種植化學(xué)螺栓；②安裝好張拉端、錨固端和反力架；③在梁底先涂抹厚度為5 mm的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，再將纖維網(wǎng)穿過(guò)張拉端和錨固端；④扭動(dòng)施力螺母來(lái)拉動(dòng)張拉端，通過(guò)S型傳感器控制張拉力；⑤張拉到目標(biāo)荷載后，再涂抹5 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿將纖維網(wǎng)覆蓋住；⑥待到砂漿養(yǎng)護(hù)完畢后旋轉(zhuǎn)頂緊螺桿頂住張拉端，直到S型傳感器讀數(shù)為0。此時(shí)可以撤掉反力架和傳感器。

圖3 張拉設(shè)備Fig.3 Composition of stretching equipment

1.4 試驗(yàn)方案

本文通過(guò)3片矩形試驗(yàn)梁，對(duì)預(yù)應(yīng)力TRM加固混凝土梁進(jìn)行研究。其中B-02試驗(yàn)梁在加固前預(yù)先壓裂0.1 mm寬的裂縫，再進(jìn)行加固，加固參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)梁加固參數(shù)Tab.2 Details of test beams

圖4 加固后圖示Fig.4 Schematic diagram after reinforcement

加固前首先進(jìn)行預(yù)張拉，確定張拉設(shè)備各部位連接可靠。張拉分五級(jí)張拉到目標(biāo)荷載，以2 kN/min勻速?gòu)埨?，每?jí)張拉完后觀察2 min后再進(jìn)行下一步張拉，直到張拉到指定荷載。加固圖見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)使用電液伺服作動(dòng)器進(jìn)行位移加載。為了盡可能詳細(xì)的采集試驗(yàn)梁各受力階段的數(shù)據(jù)，在加載初期加載速率為0.5 mm/min，在試驗(yàn)梁開(kāi)裂后將速率提高到1 mm/min，受拉鋼筋屈服后采用2 mm/min加載速率。

1.5 試驗(yàn)加載及測(cè)量

試驗(yàn)通過(guò)分配梁進(jìn)行四點(diǎn)加載，如圖5所示。

圖5 加載示意圖Fig.5 Schematic of loading

本試驗(yàn)在梁底面、頂面、兩側(cè)面粘貼混凝土應(yīng)變片測(cè)試各階段梁的應(yīng)變變化。通過(guò)提前預(yù)埋經(jīng)過(guò)特殊處理的鋼筋應(yīng)變片來(lái)量測(cè)鋼筋應(yīng)變。在試驗(yàn)梁的跨中、四分點(diǎn)和支點(diǎn)處設(shè)置百分表來(lái)測(cè)量試驗(yàn)梁撓度變化。主要測(cè)試內(nèi)容有：承載力，包括：開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載；位移；鋼筋及混凝土應(yīng)變。用裂縫觀測(cè)儀觀察裂縫寬度，人工攝像記錄梁體裂縫各階段發(fā)展情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

首先對(duì)B-01梁進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)。B-01梁為對(duì)比梁，沒(méi)有進(jìn)行加固。在加載過(guò)程中B-01梁經(jīng)過(guò)短暫的彈性階段后梁體產(chǎn)生了第一條裂縫，此時(shí)的荷載為15.8 kN。隨后隨著荷載的增加，裂縫逐漸增加發(fā)展，在荷載達(dá)到71.6 kN時(shí)，主筋應(yīng)變?yōu)? 314 με，鋼筋屈服。此后梁的撓度在荷載作用下明顯增大，并于115.3 kN時(shí)受壓區(qū)混凝土被壓碎，達(dá)到極限破壞強(qiáng)度。破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 B-01試驗(yàn)梁破壞形態(tài)Fig.6 B-01 Ultimate failure mode of test beams

B-02梁為預(yù)應(yīng)力加固后的試驗(yàn)梁，預(yù)應(yīng)力加固后，原有裂縫寬度減小為0.03 mm。其在加載的初期與對(duì)比梁的情況一致，由于梁已經(jīng)存在初始裂縫，不容易確定梁的開(kāi)裂荷載數(shù)值。當(dāng)荷載達(dá)到93.1 kN鋼筋屈服，這時(shí)主要由纖維網(wǎng)承擔(dān)外荷載。此時(shí)試驗(yàn)梁撓度增加較快，鋼筋屈服后不久纖維網(wǎng)在純彎段靠右位置拉斷。后期纖維網(wǎng)與環(huán)氧樹(shù)脂膠逐漸剝離，并在125.3 kN時(shí)壓區(qū)混凝土壓碎宣告試驗(yàn)結(jié)束。破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 B-02試驗(yàn)梁破壞形態(tài)Fig.7 B-02 Ultimate failure mode of test beams

B-03梁為預(yù)應(yīng)力加固梁，且不存在初始損傷，試驗(yàn)梁在荷載達(dá)到28.8 kN時(shí)梁體出現(xiàn)第一條裂縫。開(kāi)裂荷載與B-01梁有較為顯著的提高。當(dāng)荷載達(dá)到95.3 kN時(shí)，鋼筋屈服。在鋼筋屈服的同時(shí)纖維網(wǎng)在跨中位置拉斷，纖維突然斷裂導(dǎo)致斷裂處裂縫也突然加寬。加固層隨著梁體位移的增大產(chǎn)生剝離。荷載達(dá)到125.4 kN時(shí)試驗(yàn)梁最終破壞，見(jiàn)圖8。

圖8 B-03試驗(yàn)梁最終破壞形態(tài)Fig.8 B-03 Ultimate failure mode of test beams

2.2 承載能力分析

表3統(tǒng)計(jì)了抗彎試驗(yàn)中各試驗(yàn)梁承載能力大小。其中Pcr為試驗(yàn)梁開(kāi)裂時(shí)的荷載，Py為屈服荷載，Pu為試驗(yàn)梁的極限荷載。

表3 各試驗(yàn)梁承載力對(duì)比表Tab.3 Comparison table of bearing capacity of each test beam

由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， B-03試驗(yàn)梁相比對(duì)比梁B-01開(kāi)裂荷載提高了 82.3 %，說(shuō)明該預(yù)應(yīng)力加固方法可以明顯提高混凝土梁的開(kāi)裂荷載，并且驗(yàn)證了張拉錨固設(shè)備的可靠性。隨著預(yù)應(yīng)力的增大屈服荷載也在增大，B-02梁與B-03梁相比對(duì)比梁屈服荷載提高了30.0 %，33.1 %。由3片試驗(yàn)梁可以看出極限荷載的提高與加固量有直接關(guān)系，由于兩片加固梁加固量相同且加固纖維網(wǎng)都被拉斷，纖維網(wǎng)利用率都達(dá)到最大，所以極限荷載提高量也基本相同。

2.3 跨中荷載—撓度曲線分析

圖9 跨中荷載—撓度曲線對(duì)比Fig.9 Load-deflection curves of specimens

在本文加固的方法中，預(yù)應(yīng)力纖維網(wǎng)和環(huán)氧砂漿層都可以提高混凝土梁的剛度。本文對(duì)3片試驗(yàn)梁剛度進(jìn)行分析，荷載位移曲線見(jiàn)圖9。

由B-02和B-03梁的荷載位移曲線可見(jiàn)，鋼筋屈服后由于纖維網(wǎng)還未拉斷，荷載位移曲線斜率下降，荷載持續(xù)增加隨后纖維網(wǎng)被拉斷。在纖維網(wǎng)拉斷的瞬間荷載降到了83 kN，鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段開(kāi)始承但荷載，纖維網(wǎng)持續(xù)剝離，逐漸失去對(duì)梁的約束能力。荷載不斷增加，試驗(yàn)梁跨中撓度增加明顯加快，最后混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度被壓碎。

由圖9可見(jiàn)， 進(jìn)行加固的試驗(yàn)梁B-03的開(kāi)裂荷載與屈服荷載均要大于未加固梁B-01，說(shuō)明該種預(yù)應(yīng)力加固方法能顯著改善梁在屈服前的使用性能。相同大小荷載下，預(yù)應(yīng)力大小和試驗(yàn)梁跨中撓度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。撓度關(guān)系為：B-03B-02>B-01。從荷載位移曲線可以看出B-02梁雖存在初始損傷，但對(duì)加固效果影響較小。

2.4 裂縫分析

由于各試驗(yàn)梁加固情況不一致，各試驗(yàn)梁的破壞損傷形態(tài)有所區(qū)別。其中裂縫的分布是一個(gè)明顯特征[13]。各試驗(yàn)梁的裂縫分布圖見(jiàn)圖10(圖中數(shù)字為裂縫出現(xiàn)的順序)。

(a) B-01梁裂縫分布圖

(b) B-02梁裂縫分布圖

(c) B-03梁裂縫分布圖

圖11 荷載與最大裂縫寬度關(guān)系曲線 Fig.11 Relation curve betweenload and maximum crack

觀察圖10可以看出，未加固的B-01梁在屈服時(shí)共有21條裂縫，施加60 %預(yù)應(yīng)力的B-03梁有23條裂縫。說(shuō)明該加固方法對(duì)RC梁的裂縫有較好的分散能力。由圖11可以看出，B-01試驗(yàn)梁在屈服階段時(shí)梁體最大裂縫寬度為0.62 mm，而B-03梁在屈服階段時(shí)梁體最大裂縫寬度為0.48 mm。說(shuō)明本文預(yù)應(yīng)力TRM加固對(duì)梁體裂縫最大寬度有較好的約束能力。

B-02梁雖存在初始損傷，但其裂縫發(fā)展過(guò)程與B-03梁極為相似，屈服時(shí)B-02梁也存在23條裂縫。但是由于初始損傷的存在造成梁的剛度下降，結(jié)果最大裂縫寬度為0.6 mm。

圖11為試驗(yàn)梁出現(xiàn)第一條裂縫到試驗(yàn)梁屈服階段的荷載與最大裂縫之間的關(guān)系。由圖11可以得出，經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力加固的梁，在相同的荷載作用下，最大裂縫寬度要小于未加固梁的最大裂縫寬度。由荷載與最大裂縫寬度曲線說(shuō)明本文加固方法對(duì)裂縫最大寬度有著較好的抑制作用，且預(yù)應(yīng)力施加越大效果越好。

2.5 延性分析

纖維加固技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎承載性能有顯著提升，但是會(huì)降低結(jié)構(gòu)的延性[14-15]。結(jié)構(gòu)延性是指結(jié)構(gòu)屈服后到達(dá)到結(jié)構(gòu)極限荷載之間承受荷載和變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性較低會(huì)導(dǎo)致梁的后期變形能力降低，在梁破壞之前發(fā)生脆性破壞的概率較大。因此，有必要對(duì)本文加固方法進(jìn)行延性分析。試驗(yàn)梁延性指標(biāo)比較見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)梁延性指標(biāo)比較Tab.4 Ductility index comparison of test beams

表4中：Δy表示屈服時(shí)跨中撓度，Δu表示達(dá)到極限荷載時(shí)跨中撓度，λ=Δu/Δy代表延性指標(biāo)。

施加預(yù)應(yīng)力后的纖維網(wǎng)其材料的預(yù)拉應(yīng)變會(huì)增大，施加越大的預(yù)應(yīng)力就會(huì)越接近其極限應(yīng)變，就會(huì)使其剩余應(yīng)變減小，從而導(dǎo)致被加固梁的延性下降[16]。B-02梁的延性比B-01梁延性降低23.2 %，B-03梁延性比B-01梁延性降低了35.7 %。

3 結(jié)論

本文通過(guò)3片模型梁試驗(yàn)，研究了預(yù)應(yīng)力TRM加固RC梁的試驗(yàn)現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

① 預(yù)應(yīng)力TRM加固RC梁可以顯著提高開(kāi)裂荷載，屈服荷載，極限荷載。與對(duì)比梁相比，加固梁B-03的開(kāi)裂荷載提高了82.3 %；加固梁B-02、B-03的屈服荷載分別提高了30 %、33.1 %，極限荷載提高了8.7 %、8.8 %。由B-02、B-03梁的極限荷載可知，預(yù)應(yīng)力大小對(duì)極限承載力影響不大。

② 加固梁的破壞形態(tài)均為纖維網(wǎng)的拉斷破壞，說(shuō)明本文預(yù)應(yīng)力加固方法有效提高了纖維強(qiáng)度的利用率。

③ 預(yù)應(yīng)力纖維網(wǎng)對(duì)梁體裂縫有較好的約束作用，加固后梁的裂縫數(shù)量增加，最大裂縫寬度減小。

④ 本文所用加固方法可以明顯提高RC梁的剛度，但會(huì)使梁的延性降低。與對(duì)比梁相比，B-02梁和B-03梁的延性分別降低了23.2 %、35.7 %。