王青

(合肥科技職業(yè)學(xué)院建筑工程系, 安徽 合肥 231201)

0 引言

在混凝土結(jié)構(gòu)中,梁體是一個(gè)重要的橫向構(gòu)件,它不僅要承載和傳輸水平荷載,而且還必須承擔(dān)起豎向主要負(fù)荷,一旦鋼筋混凝土梁發(fā)生損壞,就會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損壞,從而對(duì)建筑和周邊設(shè)備的安全產(chǎn)生直接的威脅[1].雖然高強(qiáng)混凝土的抗壓能力較強(qiáng),但隨著其強(qiáng)度提高,鋼筋混凝土梁的脆性變大,使其難以滿足適應(yīng)性和耐久性的要求,從而制約其廣泛使用[2].由于混凝土梁受剪機(jī)制較多,剪力破壞脆性大,預(yù)兆性較弱,目前關(guān)于鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的抗剪破壞規(guī)律尚無定論,且理論值較難達(dá)到一致[3],特別是采用新型高強(qiáng)材料的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu),其抗剪破壞特征、斜裂縫形態(tài)、剪力韌性、剪開裂載荷和受剪承載能力等方面尚需深入探討.

邢麗麗等人[4]分析了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)在不同的預(yù)損度下,FRP條間距和FRP強(qiáng)度對(duì)其抗剪承載力的影響,并確定了鋼筋混凝土的不同預(yù)損程度.通過試驗(yàn)證明了,AFRP加固技術(shù)可以有效地提高鋼筋混凝土受損梁的抗壓能力,在不同的受損程度下,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土受損梁的加固效果越強(qiáng),其受損面越小,對(duì)其起到的加固效果越好.當(dāng)受損強(qiáng)度超過荷載且達(dá)到70%左右時(shí),此時(shí)再使用AFPR進(jìn)行加固不會(huì)得到理想的效果,加固后不具備更強(qiáng)的承壓能力.利用AFRP進(jìn)行加固時(shí),要想得到較好的加固效果,需要減小粘貼間距.李艷等人[5]以鋼筋混凝土復(fù)合梁的三點(diǎn)彎曲荷載為試驗(yàn)基礎(chǔ),探討了剪切比、ECC層板和配箍率對(duì)組合梁受剪特性的影響,發(fā)現(xiàn)在相同容積的ECC中,使用相同體積的ECC替代構(gòu)件,其承載能力和抗剪切能力得到了顯著改善;ECC層對(duì)組合梁斜裂的發(fā)展起到了很好的控制作用,并且可以減緩其彎曲的視覺,并且隨著ECC層的增加,其承載能力和延性也會(huì)隨之增加,結(jié)果證明了剪切比值仍是影響組合梁失效形式的主要原因.鄧明科等人[6]探討了高延性混凝土(HDC)加固鋼筋混凝土梁的受剪性能.通過對(duì)7根HDC加固梁和4根未加固梁進(jìn)行靜力試驗(yàn),研究了剪跨比、配箍率、加固層厚度和加固層附加箍筋對(duì)梁的破壞形態(tài)、荷載-撓度曲線、受剪承載力以及裂縫產(chǎn)生的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明,該研究提出的HDC加固鋼筋混凝土梁的受剪承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.解偉等人[7]研究了八點(diǎn)集中加載下高強(qiáng)鋼筋混凝土深梁的受剪性能試驗(yàn),分析了縱筋、水平腹筋和豎向箍筋配筋率對(duì)承載力的影響.搭建了ANSYS有限元模型,并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)配筋率增大能顯著提高深梁的承載力,ANSYS模型較好地反映了受剪機(jī)理,規(guī)范計(jì)算結(jié)果較保守.蔣軒昂等人[8]通過對(duì)大尺寸CFRP加固梁進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同配纖率下加固梁的受剪承載力有所提高.然而,隨著配纖率的增加,CFRP的抗剪加固效率系數(shù)下降.此外,通過分析發(fā)現(xiàn),CFRP的抗剪貢獻(xiàn)隨著配纖率的增加而增加,但加固效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

基于以上研究背景,本文以纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象,進(jìn)行了受剪性能試驗(yàn)研究,分析了影響鋼筋混凝土梁受剪性能的因素.研究包括設(shè)計(jì)制作試件、加固筋籠、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)及拆模等步驟,然后對(duì)試件進(jìn)行加載測(cè)試.結(jié)果顯示,在增加荷載和增大剪跨比的情況下,無腹筋梁試件和有腹筋梁試件都會(huì)出現(xiàn)裂縫.此外,隨著配箍率的增大,C40試件梁的極限荷載和初裂荷載逐漸增大,而C80試件梁的極限荷載和初裂荷載逐漸減小.綜上所述,配箍率對(duì)鋼筋混凝土梁的極限荷載具有顯著影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)試件

試驗(yàn)采用10個(gè)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能加固鋼筋混凝土梁試件,將其分成兩組,分別是有腹筋梁和無腹筋梁.兩個(gè)試驗(yàn)批次的梁體長(zhǎng)度1400 mm,跨度800 mm,無腹筋梁的斷面尺寸120 mm×120 mm,有腹筋梁的斷面尺寸120 mm×230 mm,腹筋梁剪跨都是220 mm.混凝土強(qiáng)度、縱筋截面、剪跨比、配筋比例等是混凝土強(qiáng)度的重要指標(biāo).本文主要探討纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固后[9],鋼筋混凝土梁受剪的破壞形式及其在不同參數(shù)下的作用.試驗(yàn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)及配筋情況如表1和表2所示,有腹筋梁的配筋情況和測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示.

表1 無腹筋梁試件參數(shù)

表2 有腹筋梁試件參數(shù)

(a)B-40-4和B-80-4

(b)B-40-5和B-80-5

1.2 試件加工

圖1給出高性能鋼筋混凝土有腹筋梁的配筋情況,不帶腹筋的鋼筋混凝土梁僅有2條縱向鋼筋,其工藝制作包括模板制作、加固筋籠制作、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)和拆模、粘貼應(yīng)變片、刷白、畫線等步驟,具體如下.

(1)以苯乙烯膠為黏結(jié)劑膠合料,經(jīng)七個(gè)單板擠制而成的木制膠模,其厚度為15 mm,尺寸2 000×1 000 mm,并經(jīng)涂布處理,平整光滑,可拆卸[10].利用兩種不同橫條的規(guī)格分別為120 mm×120 mm×1 000 mm和120 mm×120 mm×1 000 mm的模板,用射釘將該模板用來制作一個(gè)模子,并在模子的內(nèi)部縫隙上噴灑一層玻璃膠,以避免面板縫隙的滲漏[11].

(2)用加固筋綁縛住沒有腹部筋條的縱筋,以保證兩條縱筋的間隔不變,不產(chǎn)生縱向彎曲,對(duì)于帶腹筋的鋼筋籠網(wǎng),應(yīng)首先將其置于縱、豎向筋的位置,然后用鋼絲將其與縱、豎向鋼筋進(jìn)行捆綁,以構(gòu)成加強(qiáng)筋,保證各加強(qiáng)筋的精確定位[12],更加牢固.

(3)試驗(yàn)中使用原位混合的自下式混合器,先用清水打濕攪拌器內(nèi)管,再按配比進(jìn)行預(yù)拌[13].混合機(jī)構(gòu)使用混凝土包裹砂工藝,將砂、石和65%的水混合1 min,然后將水泥和45%的水進(jìn)行90 s的混合.出料后由小車搬運(yùn)到模具中,人工裝入模具并使用振動(dòng)棒振搗密實(shí)[14].

(4)混凝土澆筑完成后,先用刮刀平整,初凝前進(jìn)行二次平整,然后噴灌并覆蓋保鮮膜以避免水分流失[15].每日兩次噴灌一周后進(jìn)行拆卸.

(5)將應(yīng)變件貼于加固的縱筋和箍筋上,使用TK158-75ASA應(yīng)變件,并以502膠水作為黏合劑[16].強(qiáng)化筋的接合處是縱向鋼筋的中間、橫筋的中間、前跨內(nèi)箍筋垂直部分的中間.應(yīng)變板固定在需要粘合的地方,磨平后與接插件用502膠水連接并固化處理[17],用膠粘劑密封應(yīng)變板后固定,并使用環(huán)氧樹脂膠來強(qiáng)化.采用密封劑和環(huán)氧樹脂在試驗(yàn)期間具有防振、抗沖擊功能.

(6)為了清晰描繪裂紋,在橫梁兩側(cè)刷上白灰并劃線分格,每個(gè)方框大小為80 mm×40 mm,并標(biāo)明橫桿號(hào)碼.另一側(cè)和跨中頂面貼上應(yīng)變構(gòu)件,位置在橫梁跨中側(cè)和頂面、跨內(nèi)豎向荷載點(diǎn)與承臺(tái)連接處.

1.3 加載試件及數(shù)據(jù)采集

調(diào)試好加固試驗(yàn)梁后,進(jìn)行箍筋、縱筋和混凝土應(yīng)變塊的連接和溫度的補(bǔ)償,并將儀器和電源接地.當(dāng)測(cè)試工作完成后,將第一階段的載荷預(yù)先進(jìn)行處置,以檢測(cè)各儀表的工作狀態(tài),在正式測(cè)試前對(duì)應(yīng)變檢測(cè)儀進(jìn)行初始化處理,記錄試驗(yàn)數(shù)值.在斜截面開裂之前,每個(gè)階段荷載為10%的開裂荷載量,10 min后,當(dāng)荷載達(dá)到傾斜荷載的90%時(shí),每個(gè)階段的荷載變?yōu)榱鸭y載荷的5%,保持15 min,直至出現(xiàn)第一個(gè)傾斜裂紋[18].混凝土梁斷裂后,增大了載荷的級(jí)差,每個(gè)階段的載荷達(dá)到了15%,在載荷超過最大負(fù)荷90%的情況下,每個(gè)階段的載荷達(dá)到了最大載荷的5%,并將承載時(shí)間提高到15 min.

每個(gè)階段的鋼筋混凝土梁受剪性能測(cè)試結(jié)束后,試樣的變形基本上趨于平穩(wěn),收集過程中的所有數(shù)據(jù),然后進(jìn)行下一階段的加載.在載荷達(dá)到85%以上時(shí),應(yīng)采取保護(hù)措施防止儀器受損,直至試驗(yàn)體出現(xiàn)破壞,加載示意圖如圖2所示.

圖2 試件加載示意圖

在試驗(yàn)中,利用數(shù)據(jù)收集裝置對(duì)分布范圍內(nèi)的兩個(gè)受力元件進(jìn)行荷載測(cè)量,通過3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量,對(duì)加固鋼筋混凝土和支架的變形進(jìn)行記錄,通過應(yīng)變儀收集加固鋼筋混凝土梁的受剪能力,每次加載時(shí),都要注意在測(cè)試期間出現(xiàn)的聲響和異常狀況,并將其記錄下來.記錄加固鋼筋混凝土梁的裂縫荷載、裂縫位置、裂縫分布和裂縫最大裂縫寬度,完成后用馬克筆畫出裂縫分布,并對(duì)其進(jìn)行拍照記錄.最后,對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的破壞形式進(jìn)行觀測(cè)和記錄.

2 結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中,分別以B-40-1無腹筋梁試件和B-40-4有腹筋梁試件為例,利用1.3的加載方案,得到兩類試件的破壞類型,如圖3和圖4所示.

圖3 B-40-1無腹筋梁試件的破壞類型

根據(jù)圖3的結(jié)果可知,B-40-1無腹筋梁試件在加載過程中,隨著荷載的增加,試件梁出現(xiàn)了受彎裂縫,繼續(xù)增加荷載之后,試件梁出現(xiàn)了受剪斜裂縫,從而使得試件梁形成裂縫,試件被破壞.圖4的結(jié)果顯示,對(duì)于B-40-4有腹筋梁試件而言,隨著荷載的逐漸增加,試件同樣出現(xiàn)了斜裂縫,且裂縫周圍出現(xiàn)了局部壓碎的現(xiàn)象,導(dǎo)致試驗(yàn)梁破壞.

圖4 B-40-4有腹筋梁試件的破壞類型

2.2 分析影響鋼筋混凝土梁受剪性能的因素

為了分析影響纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固鋼筋混凝土梁受剪性能的因素,本文以無腹筋梁為試驗(yàn)對(duì)象,分別測(cè)試了剪跨比、配筋率對(duì)試件極限荷載和初裂荷載的影響,又以有腹筋梁為試驗(yàn)對(duì)象,測(cè)試了配箍率對(duì)有腹筋梁試件極限荷載的影響.

2.2.1 剪跨比對(duì)鋼筋混凝土梁受剪性能的影響

對(duì)于纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固鋼筋混凝土梁而言,當(dāng)截面尺寸和配筋率相同時(shí),剪跨比對(duì)無腹筋梁試件極限荷載和初裂荷載的影響如表3和表4所示.

表3 剪跨比對(duì)無腹筋梁試件極限荷載的影響

表4 剪跨比對(duì)無腹筋梁試件初裂荷載的影響

從表3的結(jié)果可以看出,在極限荷載測(cè)試中,隨著剪跨比的增大,無腹筋梁試件的極限荷載越來越小,對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁而言,當(dāng)剪跨比從1.68增加到2.04時(shí),試件梁的極限荷載從74 kN減小到60 kN,當(dāng)剪跨比從2.04增加到2.69時(shí),試件梁的極限荷載從60 kN減小到40 kN;對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁而言,當(dāng)剪跨比從1.68增加到2.04時(shí),試件梁的極限荷載從58 kN減小到34 kN,減小了41.38%,當(dāng)剪跨比從2.04增加到2.69時(shí),試件梁的極限荷載從34 kN減小到25 kN,減小了26.47%.從表4的結(jié)果可以看出,初裂荷載測(cè)試中,對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁而言,當(dāng)剪跨比從1.68增加到2.04時(shí),試件梁的初裂荷載從56 kN減小到34 kN,減小了39.29%,當(dāng)剪跨比從2.04增加到2.69時(shí),試件梁的初裂荷載從34 kN減小到22 kN,減小了35.29%;對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁而言,當(dāng)剪跨比從1.68增加到2.04時(shí),試件梁的初裂荷載從58 kN減小到34 kN,當(dāng)剪跨比從2.04增加到2.69時(shí),試件梁的極限荷載從34 kN減小到26 kN.由此可見,試驗(yàn)梁的剪跨比越小,極限荷載和初裂荷載的降低趨勢(shì)越明顯,也就是隨著剪跨比的增大,鋼筋混凝土的受剪性能逐漸減小,且剪跨比越大,鋼筋混凝土受剪性能的降低越顯著.鋼筋混凝土梁的開裂荷載隨著剪跨比的增大而減小,且當(dāng)剪跨比越小時(shí),開裂荷載的減小趨勢(shì)增大.

2.2.2 配筋率對(duì)鋼筋混凝土梁受剪性能的影響

當(dāng)試件的截面尺寸和剪跨比相同時(shí),測(cè)試了配筋率對(duì)無腹筋梁試件極限荷載和初裂荷載的影響,結(jié)果如圖5所示.

(a)配筋率對(duì)無腹筋梁試件極限荷載的影響

(b)配筋率對(duì)無腹筋梁試件初裂荷載的影響

根據(jù)圖5的結(jié)果可知,隨著配筋率的增大,無腹筋梁試件極限荷載呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),混凝土強(qiáng)度C40和C80的無腹筋梁試件初裂荷載在1.25%的配筋率前變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),在1.25%后呈現(xiàn)相反的趨勢(shì).對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁而言,當(dāng)配筋率從0.5%增加到1.25%時(shí),試件梁的極限荷載從30 kN增加到34 kN,增加了13.33%,當(dāng)配筋率從1.25%增加到2.35%時(shí),試件梁的極限荷載從34 kN減小到31 kN,減小了8.82%,其受剪承載力逐漸增大.初裂荷載測(cè)試中,對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁而言,當(dāng)配筋率從0.5%增加到1.25%時(shí),試件梁的初裂荷載從29 kN增加到34 kN,增加了14.71%,當(dāng)配筋率從1.25%增加到2.35%時(shí),試件梁的初裂荷載從34 kN增加到44 kN,增加了29.41%,其受剪承載力沒有出現(xiàn)明顯的變化.原因是纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固之后,鋼筋混凝土梁的受剪彈性模量比較小,受剪承載力的損失主要體現(xiàn)在銷栓作用下承受的剪力以及受壓區(qū)高度的變化受到配筋率的影響.縱筋的銷栓作用對(duì)混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁影響比較明顯,對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁,其強(qiáng)度和彈性模量都比混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁高,因此混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁在受剪性能上受到配筋率的影響較小.

2.2.3 配箍率對(duì)鋼筋混凝土梁受剪性能的影響

由于配箍會(huì)限制裂縫的發(fā)展,因此在有腹筋梁試件的受剪性能測(cè)試中,不考慮初裂荷載.當(dāng)試件的截面尺寸、剪跨比和配筋率相同時(shí),測(cè)試了配箍率對(duì)有腹筋梁試件極限荷載的影響,結(jié)果如圖6所示.

圖6 配箍率對(duì)有腹筋梁試件極限荷載的影響

圖6的結(jié)果顯示,隨著配箍率的增加,有腹筋梁試件極限荷載也隨之增大.對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C40的試件梁而言,當(dāng)配箍率從0.28%增大到0.64%時(shí),有腹筋梁試件極限荷載從258 kN升高到264 kN,增加了2.33%,當(dāng)配箍率從0.64%增大到1.28%時(shí),有腹筋梁試件極限荷載從264 kN增大到289 kN,增加了9.47%.對(duì)于混凝土強(qiáng)度為C80的試件梁,當(dāng)配箍率從0.28%增大到0.64%時(shí),有腹筋梁試件極限荷載從330 kN增大到374 kN,增加了13.33%,當(dāng)配箍率從0.64%增大到1.28%時(shí),有腹筋梁試件極限荷載從374 kN增大到393 kN,增加了5.08%.

由此可見,當(dāng)配箍率逐漸增大時(shí),C80試件梁的極限荷載增大幅度比C40試件梁高,說明纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固之后,鋼筋混凝土能夠發(fā)揮出較強(qiáng)的箍筋抗剪作用,而且當(dāng)配箍率較低時(shí),箍筋在試件中表現(xiàn)出良好的受剪性能.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固鋼筋混凝土梁為試驗(yàn)對(duì)象,提出了受剪性能試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示,剪跨比、配筋率和配箍率都會(huì)影響鋼筋混凝土梁的受剪性能.本文研究雖然能夠得到影響纖維網(wǎng)格增強(qiáng)超高性能混凝土加固鋼筋混凝土梁受剪性能的因素,但是還存在很多需要改進(jìn)的地方,在今后的研究中,希望通過數(shù)值模擬的方法,分析鋼筋混凝土梁的耐久性,從而延長(zhǎng)其使用壽命.