王子恒，余文成，劉均利，劉 浪

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430023)

0 引 言

近年來(lái), 隨著人們生活水平的不斷提高, 在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下, 構(gòu)件的使用空間、 外形美觀也受到越來(lái)越多的關(guān)注[1], 尤其在結(jié)構(gòu)加固和改建工程中, 提高施工質(zhì)量、 縮短工期和提升加固效率一直人們孜孜以求的目標(biāo)[2], 而高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料的出現(xiàn)為此提供了契機(jī)。

增大截面法因其加固方式靈活、 施工工藝簡(jiǎn)單、 應(yīng)用范圍廣泛、 防火性能好以及承載力提高顯著等優(yōu)點(diǎn)[3-4]一直是結(jié)構(gòu)加固常用的方法, 也是本試驗(yàn)的主要研究對(duì)象。然而使用普通混凝土加固時(shí)往往造成加固層截面尺寸較大, 開裂現(xiàn)象加重, 并且新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度不夠和振搗不均勻也會(huì)降低構(gòu)件加固效果[5-7]。因此, 有必要尋求新材料或者新技術(shù)來(lái)提高增大截面加固法的施工質(zhì)量[8-10]。

高強(qiáng)灌漿料(high strength grouting material)一般只需要按照要求添加適量的水, 拌合均勻后即可, 其具有流動(dòng)性好、 早期和后期強(qiáng)度高、 無(wú)收縮、 無(wú)污染等多種施工優(yōu)點(diǎn), 能有效解決增大截面法尺寸增加大、 施工不方便、 結(jié)合面粘結(jié)差等問(wèn)題。灌漿料早期主要應(yīng)用于設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿和橋梁、 堤壩搶險(xiǎn)等工程中[11], 近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、 梁板柱加固[12-13]以及路面搶修工程中, 具有巨大的實(shí)用前景和科研價(jià)值。

為此, 很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灌漿料的原料、 配比以及施工工藝等方面進(jìn)行了充分的研發(fā), 以滿足工程實(shí)踐和實(shí)際生產(chǎn)的需要。賈雪麗等[14]針對(duì)灌漿材料中各組分對(duì)其工作性能的影響進(jìn)行了分析和優(yōu)化, 最終制備出了高流動(dòng)性、 高強(qiáng)度等綜合性能優(yōu)良的灌漿材料。李天水[15]以普通硅酸鹽水泥為主要膠凝材料, 在滲流理論和中心質(zhì)假說(shuō)的基礎(chǔ)上建立了Alfred 顆粒堆積模型, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)高性能水泥基配合比的快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化, 在一定程度上降低了施工成本。沈暉等[16]通過(guò)對(duì)7根水泥基灌漿料圍套加固偏心受壓磚柱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)分析了加固厚度、 縱筋配筋率和偏心距對(duì)構(gòu)件極限承載力的影響, 并大致推導(dǎo)出了灌漿料加固磚柱結(jié)構(gòu)的極限承載力公式, 證明了灌漿料加固磚柱結(jié)構(gòu)的可靠性。

現(xiàn)有對(duì)高強(qiáng)灌漿料的研究主要集中在軸心受壓結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土梁以及梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震上, 雖然取得了良好的加固效果, 但是這僅僅利用了水泥基灌漿料自流性好、 無(wú)收縮和微膨脹等在工程施工上的優(yōu)勢(shì), 對(duì)灌漿料主要的抗壓強(qiáng)度利用率有限, 而在加固偏心受壓構(gòu)件方面的研究所見(jiàn)較少, 本文對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

所有原柱均采用同一批次商用混凝土一次澆筑完成。 加固用灌漿料則采用現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌, 每一鍋灌漿料都嚴(yán)格按照廠家提供的配合比精確量取, 構(gòu)件澆筑的同時(shí)制作普通混凝土和高強(qiáng)灌漿料試塊, 直接從泵車和混凝土攪拌機(jī)取得3組標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊, 與構(gòu)件同條件養(yǎng)護(hù)直到對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固處理, 在構(gòu)件受壓前對(duì)每組試塊按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗(yàn), 最后測(cè)得普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為36.83 MPa,高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為71.17 MPa。

1.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

共制作了8根鋼筋混凝土柱, 柱高1 200 mm, 截面尺寸為250 mm×250 mm。縱筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋, 其中直徑為16 mm縱筋的平均屈服強(qiáng)度、 極限強(qiáng)度分別為439.7、 598.1 MPa, 直徑為6 mm箍筋的平均屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為456.8、 588.2 MPa。構(gòu)件詳細(xì)配筋情況見(jiàn)圖1。

圖1 構(gòu)件配筋圖Fig.1 Details of the specimens

原構(gòu)件養(yǎng)護(hù)28 d后依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2013)的要求進(jìn)行加固。加固前, 首先根據(jù)原構(gòu)件縱筋及箍筋位置對(duì)鉆孔進(jìn)行定位, 鉆孔深度保持80 mm, 以確保鋼筋能夠順利植入; 為了讓加固層和原混凝土能夠穩(wěn)固地結(jié)合, 對(duì)原柱舊混凝土待加固區(qū)域表面進(jìn)行鑿毛和清理, 以保證在豎向荷載作用下構(gòu)件能夠共同工作; 最后將植筋膠注入預(yù)先清理好的鉆孔中, 并將U型箍筋涂抹植筋膠植入鉆孔中, 等待植筋膠完成固化后進(jìn)行縱筋的綁扎和加固層的澆筑。需要注意的是, 縱筋需要在灌注植筋膠前提前放置, 以便植筋膠固化后綁扎在U型箍筋內(nèi)側(cè)。構(gòu)件尺寸和加固方式見(jiàn)表1。

表1 構(gòu)件尺寸參數(shù)和加固形式Table 1 Component parameters and reinforcement forms mm

1.3 加載和量測(cè)方案

通過(guò)500 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)加載, 使用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)記錄構(gòu)件縱向鋼筋、 箍筋、 原構(gòu)件混凝土和加固層表面的應(yīng)變; 使用裂縫綜合測(cè)試儀觀察裂縫開展情況, 記錄各級(jí)荷載下的裂縫分布、 發(fā)展過(guò)程及寬度。

正式加載前先預(yù)壓3次, 確保裝置和量測(cè)儀表各部分接觸良好、 正常工作, 直到荷載-位移曲線趨于穩(wěn)定后開始正式加載。正式加載采用分級(jí)加載制度, 按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。加載至構(gòu)件破壞時(shí), 試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。

2 主要試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形式

未加固構(gòu)件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出較明顯的偏心受壓破壞特征, 遠(yuǎn)荷側(cè)混凝土被拉裂后退出工作, 支座墊板下的裂縫向下方牛腿與柱體相接處不斷延伸, 并快速發(fā)展成為主要裂縫, 直到受壓區(qū)牛腿處的混凝土被壓碎脫落。構(gòu)件破壞時(shí)受拉側(cè)的橫向裂縫數(shù)量多且分布密集, 頂部混凝土斷裂并可見(jiàn)受拉鋼筋被拉斷。

在荷載小于0.2Py(Py為加固構(gòu)件極限荷載)時(shí), 鋼筋和混凝土均處于彈性階段, 7根加固構(gòu)件并未出現(xiàn)明顯的裂縫和彎曲變形, 符合平截面的基本假定。隨著荷載的增大, 在達(dá)到構(gòu)件的開裂荷載時(shí), 近荷側(cè)的支座墊板下首先出現(xiàn)一條寬度小于0.06 mm的豎向裂縫, 此時(shí)不增加荷載, 裂縫也不再繼續(xù)發(fā)展, 構(gòu)件的剛度有所下降。隨著荷載的繼續(xù)增加, 構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段, 墊板下的豎向裂縫向下緩慢發(fā)展, 遠(yuǎn)荷側(cè)的橫向裂縫開始出現(xiàn), 但裂縫寬度隨荷載的小幅度增加變化不大, 不影響構(gòu)件的正常使用, 7根加固構(gòu)件在這一階段也仍然保持著相同的試驗(yàn)現(xiàn)象。

在荷載增大到0.7Py前, 7根加固構(gòu)件位于側(cè)面的混凝土出現(xiàn)不同程度的破壞, 縱向裂縫逐漸增多、 延伸發(fā)展并且伴隨著混凝土開裂聲開始鼓起并剝離, 遠(yuǎn)荷側(cè)橫向裂縫的寬度增大但未超過(guò)0.1 mm, 構(gòu)件中部荷載-撓度曲線進(jìn)一步變緩, 此時(shí)構(gòu)件的破壞仍在可控范圍內(nèi)。繼續(xù)加大荷載后, 構(gòu)件進(jìn)入塑性階段, 牛腿處的裂縫不斷增多變寬, 并迅速向下延伸, 其中加固層厚度為70 mm的構(gòu)件由于牛腿與柱身交接處相對(duì)薄弱, 頂部裂縫向此處延伸造成牛腿的斜壓破壞; 加固層厚度為100 mm的構(gòu)件由于加固層改善了原構(gòu)件的受力狀態(tài), 灌漿料或牛腿的加固層被壓碎而導(dǎo)致了構(gòu)件破壞; 加固層厚度為150 mm的DPX3構(gòu)件解決了牛腿處應(yīng)力集中的弱點(diǎn), 因此側(cè)面裂縫沿縱向一直發(fā)展, 并在延伸至構(gòu)件中部后上部混凝土因到達(dá)極限而試驗(yàn)結(jié)束。構(gòu)件的破壞形態(tài)及裂縫分布狀況如圖2所示。

圖2 各試驗(yàn)柱構(gòu)件破壞形態(tài)Fig.2 Structural failure patterns of tested specimens

試驗(yàn)表明, 增大加固厚度可以有效改善偏心受壓構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài), 使構(gòu)件的整體受力更加合理; 而加固厚度相同時(shí), 改變加固形式對(duì)破壞形態(tài)的影響較小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 承載力結(jié)果

提高構(gòu)件的極限承載力、 增強(qiáng)構(gòu)件的耐久性是對(duì)構(gòu)件加固的主要目的, 而極限承載力提高程度是衡量高強(qiáng)灌漿料增大截面法加固鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件加固效果的一個(gè)重要指標(biāo), 8根混凝土受壓構(gòu)件的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 8根偏心受壓RC構(gòu)件承載力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Bearing capacity of 8 eccentrically compressed RC members

經(jīng)過(guò)增大截面法加固后, 偏心受壓構(gòu)件的開裂荷載和極限荷載都得到了明顯的提升, 其中開裂荷載的提高幅度更為明顯, 最大可提高477%, 這表明使用灌漿料能有效地抑制裂縫的發(fā)展, 提高構(gòu)件的抗裂性能。極限荷載的提高幅度則隨加固層厚度的增加而增大, 并在采用雙側(cè)加固的方式時(shí)效果最好, 說(shuō)明單純?cè)黾蛹庸虒用鏀?shù)并不能有效地提升加固效率, 增大加固層厚度才是最直接有效的方法。這是由于近荷側(cè)的加固層承擔(dān)了大部分的荷載, 增大加固層有利于減小構(gòu)件的軸壓比, 間接地減小了構(gòu)件的偏心距, 改善了牛腿處的受力狀態(tài), 從而增大構(gòu)件的整體承載力, 但是四面加固使得構(gòu)件的變截面增多, 受力情況更加復(fù)雜, 反而降低了加固效果。

3.2 荷載-位移分析

圖3是對(duì)比構(gòu)件和加固構(gòu)件的荷載-位移曲線, 橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)活塞的豎向位移, 可視作構(gòu)件本身的豎向位移(曲線所示數(shù)據(jù)點(diǎn)為部分特征數(shù)據(jù)點(diǎn),僅為增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)比)。加固后構(gòu)件的極限承載力均有了顯著提高, 并且由圖3a發(fā)現(xiàn), 隨著加固層厚度的增加, 加固構(gòu)件在彈性階段的斜率增大明顯, 說(shuō)明增大近荷側(cè)加固層厚度對(duì)構(gòu)件的剛度提升明顯。同時(shí), 加固構(gòu)件的極限荷載由986.40 kN提升到2 140.40 kN, 達(dá)到破壞荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向位移也由DPX1構(gòu)件的8.79 mm減小到6.58 mm, 這也表明通過(guò)增大近荷側(cè)加固層厚度對(duì)加固效果的提高明顯。

圖3 荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve

同時(shí), 由于未加固構(gòu)件在達(dá)到極限荷載后的破壞具有突然性, 而實(shí)際工程中更希望構(gòu)件破壞時(shí)具有明顯的征兆, 因而對(duì)構(gòu)件有延性的要求。 經(jīng)高強(qiáng)灌漿料增大截面法加固后, 加固構(gòu)件在曲線下降段(從峰值荷載到荷載下降至85%)都有了不同程度的減緩, 且DPX1對(duì)延性的提升最明顯, 但是DPX1的極限承載力僅比DBZ2提高了76%, 僅為DPX5極限承載力的41.15%, 構(gòu)件的整體剛度也降低明顯, 這對(duì)于主要用于承壓的構(gòu)件來(lái)說(shuō)十分不利。 因此在實(shí)際加固工程中, 若使用空間允許, 應(yīng)盡量保證加固層的厚度。

3.3 荷載-撓度分析

試驗(yàn)構(gòu)件的荷載-撓度曲線如圖4所示, 加固后構(gòu)件的破壞荷載增加較大, 跨中的最終撓度也有了不同程度的減小, 說(shuō)明灌漿料加固能有效提高構(gòu)件抵抗變形的能力。在達(dá)到開裂荷載之前, 所有加固構(gòu)件的變形情況類似, 荷載與撓度大致呈線性關(guān)系, 而在裂縫出現(xiàn)后, 單側(cè)加固構(gòu)件的曲線斜率隨加固層厚度的增加而增大, 并且DPX1、 DPX4和DPX6中雙側(cè)加固方案對(duì)構(gòu)件抵抗變形能力的提升最明顯, 證明相同條件下雙側(cè)加固的效果要優(yōu)于單側(cè)和四面加固, 且增大加固層厚度對(duì)于偏心受壓構(gòu)件加固效果的提升最直接有效。另外, DPX4的極限承載力比DPX2僅增加了7.2%, 荷載-位移點(diǎn)線圖也近乎重合, 但其加固自重卻增加了75%, 因此在實(shí)際加固工程中建議優(yōu)先考慮增加加固厚度來(lái)提高加固效率。

圖4 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)7根加固柱和1根對(duì)比柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn), 研究了加固厚度和加固方式對(duì)偏心受壓構(gòu)件的影響, 初步得到以下結(jié)論:

(1)采用高強(qiáng)灌漿料增大截面法對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固, 為原柱提供了錨固效果, 并且混凝土和加固層結(jié)合完好, 整個(gè)加載過(guò)程中都能保持較好的協(xié)同工作狀態(tài), 加固后偏心受壓柱的開裂荷載、 破壞荷載、 剛度以及抵抗變形的能力都得到較大幅度的提升, 各加固構(gòu)件的極限荷載較對(duì)比構(gòu)件DBZ2提升了76%～323%。

(2)增大加固厚度能夠有效改善加固構(gòu)件柱的受力狀態(tài), 并通過(guò)增大構(gòu)件截面的方式間接地減小原柱的偏心距, 使構(gòu)件由部分截面受壓轉(zhuǎn)變成全截面受壓, 提高了混凝土材料的利用率, 從而大幅提高了構(gòu)件的剛度和極限承載力。

(3)單側(cè)加固形式的加固效果隨加固厚度的增大而提升明顯, 雙側(cè)加固則對(duì)構(gòu)件極限承載力和抵抗變形能力的提升更加明顯, 而四面加固的形式對(duì)核心混凝土的保護(hù)更加優(yōu)秀, 可以有效提高構(gòu)件的開裂荷載, 但其加固效果主要受結(jié)合面粘結(jié)程度影響, 加上對(duì)構(gòu)件自重的增加明顯, 因而在實(shí)際加固工程中的應(yīng)用價(jià)值較低。

(4)相較于改變加固方式, 增加近荷側(cè)的加固厚度對(duì)偏心受壓構(gòu)件的整體加固效果更加明顯, 也更利于實(shí)際工程的應(yīng)用, 但對(duì)于四面加固的變截面處理和牛腿部位的薄弱問(wèn)題還不夠完善, 有待進(jìn)一步的研究。