劉 寧 翁維素 馬晨陽 孫瀟涵 郭洪禮 潘宏賓

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國的建筑材料中占有很大的比重.但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又存在著一些因素致使結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生破壞，因此對于混凝土結(jié)構(gòu)的加固的研究很有必要.相較于傳統(tǒng)加固方法，噴射玻璃纖維聚合物具有高強(qiáng)輕質(zhì)且抗疲勞等許多優(yōu)點(diǎn).[1]

分析國內(nèi)外對纖維加固鋼筋混凝土梁剛度的研究，發(fā)現(xiàn)，目前對于噴射短切玻璃纖維加固技術(shù)的研究大多是雙剪實(shí)驗(yàn)下的界面粘結(jié)力研究[2]、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究[3]以及砌體構(gòu)件的抗震性能[4]的研究.但是對于噴射GFRP聚合物加固鋼筋混凝土梁跨中撓度的影響還沒有研究.

本文針對噴射玻璃纖維聚合物加固鋼筋混凝土適筋梁的跨中撓度進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論研究.利用4根試驗(yàn)梁和9根理論梁推導(dǎo)出了噴射GFRP聚合物對鋼筋混凝土梁跨中撓度影響的結(jié)論.得到了開裂前、開裂后，噴射GFRP聚合物對加固梁跨中撓度影響的具體結(jié)論.

1 試驗(yàn)分析

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)進(jìn)行了4根鋼筋混凝土梁的抗彎實(shí)驗(yàn).簡支梁的尺寸為100 mm×200 mm×2200 mm,混凝土強(qiáng)度等級為C30(彈性模量Ec=3×104N/mm).噴射GFRP聚合物的厚度分別為3 mm、5 mm和7 mm，極限強(qiáng)度為150 MPa，彈性模量[5]為10 GPa，極限應(yīng)變?yōu)?%;實(shí)測混凝土強(qiáng)度為14.4 MPa;鋼筋的實(shí)測屈服強(qiáng)度分別為302 MPa.具體加固方式和加固厚度如下圖.

圖1-1 試驗(yàn)梁L1-0

圖1-2 底面加固試驗(yàn)梁

表格1-1 各個(gè)試驗(yàn)梁加固方式和加固厚度

1.2 加載方式

試驗(yàn)通過手動式液壓千斤頂為試驗(yàn)梁提供集中荷載，以分配梁傳力的方式隨梁進(jìn)行三分點(diǎn)對稱分級加載.通過分配梁的作用，在試驗(yàn)梁的中部形成一個(gè)長為一米的純彎段，具體見下如圖.

圖1-3 加載簡圖

采用單調(diào)分級加載機(jī)制，每次加載的時(shí)間間隔為10分鐘.在正式加載之間，對試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)加載，具體采用分級荷載的前兩級進(jìn)行預(yù)加載.當(dāng)加載到開裂荷載計(jì)算值的90%之前，每級加載不大于開裂荷載的20%.達(dá)到90%之后每級荷載不大于開裂荷載的5%.在試件開裂后，每級取荷載值為承載力試驗(yàn)荷載計(jì)算值的10%.當(dāng)荷載加載到受力縱筋屈服后，按照跨中位移控制加載，加載的級距為鋼筋屈服工況對應(yīng)的跨中位移.在玻璃纖維即將破壞之際，將儀表拆除，最后加載到破壞.

開裂荷載的實(shí)測值通過放大鏡觀測法進(jìn)行確定，采用八倍的放大鏡觀察裂縫的出現(xiàn).觀察到裂縫出現(xiàn)時(shí)，選取前一級荷載作為開裂荷載的實(shí)測值.而在相應(yīng)的荷載時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)裂縫，則取兩級荷載的平均值作為開裂荷載的實(shí)測值.

特別注意的是，在分級加載中，每次加載后一定要靜停到規(guī)定時(shí)間，使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定，試驗(yàn)梁變形趨于穩(wěn)定后再開始記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[6].

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)得到下面的數(shù)據(jù)并整理成相應(yīng)的圖表，具體如下：

表格1-2 試驗(yàn)記錄的跨中荷載和撓度

在彈性階段中，各試驗(yàn)梁的開裂荷載都集中在10 KN到12 KN之間.相應(yīng)的撓度差別并不大，各梁撓度差值不超過0.5 mm.因此可知加固厚度和加固方式對簡支梁的開裂荷載影響不大.

加載到25 KN時(shí)，加固厚度為7 mm的試驗(yàn)梁的跨中撓度僅為無加固梁跨中撓度的一半.加載到40 KN時(shí)，為比加固厚度3 mm的試驗(yàn)梁的撓度減少21%.加載到50 KN時(shí)，比加固厚度5 mm試驗(yàn)梁的跨中撓度減少13%.

圖1-4 試驗(yàn)梁加固厚度對比圖

綜上所述，開裂前，加固厚度對試驗(yàn)梁跨中撓度的影響不大.開裂后，在同一荷載下，加固厚度越厚，試驗(yàn)梁的剛度越大，跨中撓度值越小.試驗(yàn)梁的承載能力隨著加固厚度的增加也越來越大.

2 玻璃纖維對簡支梁抗彎撓度影響的理論分析

為了更為深刻的說明加固厚度對加固梁撓度影響的試驗(yàn)結(jié)論，這里通過理論分析，將底面加固兩端錨固這種加固方式下加固梁的跨中撓度計(jì)算出來，從而進(jìn)一步加深了加固厚度對于簡支梁抗彎撓度影響的研究.

本文通過對9根簡支梁的理論分析，研究了開裂前以及裂縫工作階段玻璃纖維對加固梁抗彎撓度的影響[7].鋼筋混凝土簡支梁的加固方式、梁長、截面形式、配筋率、混凝土標(biāo)號等和試驗(yàn)梁一樣，下面是各個(gè)簡支梁的加固厚度:

表格2-1 加固厚度

2.1 公式推理

2.1.1 開裂前計(jì)算公式

表格2-2 各種規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式

上表為幾種規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式，這里噴射GFRP復(fù)合材料加固梁的截面抗彎剛度可以通過材料力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，但是由于混凝土事實(shí)上在受拉區(qū)內(nèi)已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性.所以在實(shí)測抗彎剛度時(shí)，加固梁的跨中抗彎剛度相對于EcI0實(shí)際上是要更低的.因此實(shí)際計(jì)算要對其抗彎剛度進(jìn)行適當(dāng)折減，通過文獻(xiàn)研究取折減系數(shù)為0.85[8].最終得到噴射玻璃纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁在開裂前階段的短期抗彎剛度表達(dá)公式為：

B=0.85EcI0

(2-1)

其中公式里的Ec為混凝土彈性模量，I0換算截面慣性矩.

2.1.2 裂縫工作階段加固梁剛度計(jì)算

圖2-1 加固梁跨中截面受力分析圖

通過上圖，由相應(yīng)的受力以及應(yīng)變關(guān)系可以計(jì)算得到下面的公式:

M=EsεsAsηh0+EsfεsfAsf(ηh0+as)

(2-2)

結(jié)合上式可以得到：

整理之后可以得到：

通過計(jì)算噴射玻璃纖維復(fù)合材料的等效鋼筋面積可以更加方便的計(jì)算出加固梁的抗彎剛度.計(jì)算出公式(2-4)，使用公式(2-4)的結(jié)果導(dǎo)算出公式(2-5).通過公式(2-5)得到在噴射玻璃纖維復(fù)合材料的影響下鋼筋的應(yīng)力.在上述工作做完之后，便可以去探索計(jì)算噴射玻璃纖維復(fù)合物加固鋼筋混凝土的梁的抗彎剛度.從而推導(dǎo)出加固梁跨中撓度的計(jì)算方法.

為了推導(dǎo)加固梁在有裂縫工作階段撓度的計(jì)算方法.使用剛度解析方法[9].通過以上的分析以及文獻(xiàn)的參考，可以得到加固梁的短期抗彎剛度.由于試驗(yàn)中使用的是矩形截面的鋼筋混凝土梁，因此計(jì)算出矩形截面的加固梁在裂縫工作階段下抗彎剛度的計(jì)算公式(2-6)-(2-8).最終經(jīng)過整理可以得到相應(yīng)的矩形截面加固梁的抗彎剛度計(jì)算公式：

通過公式(2-8)特別注意在計(jì)算ρte時(shí)要加入噴射玻璃纖維復(fù)合材料的換算面積.其中具體的參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]，定義如下：

Esf、Asf——噴射纖維截面面積與彈性模量

As、Es——鋼筋面積與彈性模量

εsf、εs——噴射纖維與鋼筋的拉應(yīng)變

η——截面內(nèi)力臂系數(shù)

as——縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受拉邊的距離

K——截面受壓區(qū)高度與截面有效高度的比值

A——噴射纖維換算的等效鋼筋面

B——加固梁的短期抗彎剛度

φ——縱向鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)

ρte——等效鋼筋配筋率

2.2 數(shù)據(jù)分析

按照最小剛度原則取加固梁剛度為跨中截面剛度，由材料力學(xué)方法計(jì)算加固梁跨中撓度，公式如下：

其中公式中參數(shù)M為噴射玻璃纖維復(fù)合材料加固梁的跨中彎矩；參數(shù)βf為撓度系數(shù)，由于試驗(yàn)中采用的是三分點(diǎn)對稱加載的簡支梁受彎構(gòu)件，因此選取βf為23/216[11]；參數(shù)l0為噴射GFRP復(fù)合材料加固梁的計(jì)算跨度.

利用上述公式得到相應(yīng)簡支梁的跨中撓度，具體如下：

表格2-3 理論推導(dǎo)計(jì)算的跨中荷載和撓度

圖2-2 理論梁撓度荷載曲線對比

分析圖表可以發(fā)現(xiàn)：(1)鋼筋混凝土梁在開裂前階段隨加固厚度的加大，跨中撓度的變化值并不是很明顯，這一現(xiàn)象和試驗(yàn)一致，印證了試驗(yàn)的相應(yīng)結(jié)論.(2)鋼筋混凝土梁在裂縫工作階段，噴射玻璃纖維復(fù)合材料對于加固梁撓度的加固效果十分明顯.加載到33 KN時(shí)，加固厚度7 mm僅為加固厚度1 mm簡支梁跨中撓度的64%.加載到40 KN時(shí)，跨中撓度比3 mm加固厚度的梁少了27%.相較于其他各梁，跨中撓度都有不同程度的減少.(3)不過和8 mm、9 mm加固厚度的簡支梁比較，跨中撓度值相差不大.

3 結(jié) 論

利用試驗(yàn)和理論分析，得到下面的結(jié)論：

(1)噴射玻璃纖維復(fù)合材料可以有效降低鋼筋混凝土梁的跨中撓度，提高簡支梁的抗彎剛度.

(2)簡支梁開裂前，加固梁的跨中撓度幾乎不受噴射GFRP聚合物厚度的影響.

(3)加固厚度在9 mm內(nèi)，在同一荷載時(shí)，加固厚度越大，簡支梁的跨中撓度值越小，抗彎剛度越大.加載到33 KN時(shí)，加固厚度7 mm僅為加固厚度1 mm簡支梁跨中撓度的64%.加載到40 KN時(shí)，跨中撓度比3 mm加固厚度的梁少了27%.相較于其他各梁，跨中撓度都有不同程度的減少.

(4)當(dāng)加固厚度達(dá)到7 mm，相對于8 mm、9 mm加固厚度的加固梁，撓度值相差不多，但是更加節(jié)省材料.