表層嵌貼預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲混凝土梁的裂縫性能研究＊

張春生，嚴(yán)保山，2，丁亞紅

(1．河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南焦作454003;2．無錫市天宇民防建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫214000)

目前，工程結(jié)構(gòu)新型加固方法主要有外部粘貼法和內(nèi)部嵌貼法兩種。外貼法［1］是通過樹脂類粘結(jié)劑，在需要加固的構(gòu)件表面粘貼纖維布或板，以提高或改善其受力性能的方法。內(nèi)嵌法［2－3］則是在需要加固的構(gòu)件表面開槽(混凝土保護(hù)層內(nèi))，將筋材或板條填入其中，利用粘結(jié)劑使加固材料與構(gòu)件緊密結(jié)合，從而提高構(gòu)件抗彎或抗剪承載力的加固方法。國內(nèi)外對(duì)于外貼和內(nèi)嵌加固的鋼筋混凝土構(gòu)件已經(jīng)開展了一些研究工作，并取得了一定成果，但研究主要集中在抗彎、抗剪、抗壓和抗疲勞加固性能研究以及加固材料與混凝土的粘結(jié)性能［4－9］等方面，而對(duì)于加固鋼筋混凝土構(gòu)件變形及裂縫性能［10］的研究尚少，因此，本文在內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁研究的基礎(chǔ)上，開展加固梁裂縫的研究工作。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1．1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根矩形截面簡支梁，試驗(yàn)梁截面尺寸為150 mm×300 mm×2 400 mm，梁受拉縱筋選用214;架立筋選用2Φ8;在梁跨中1/3處選用Φ8@150箍筋，支座1/3處選用Φ8@100箍筋，下部受拉縱筋的保護(hù)層厚度為30 mm，試驗(yàn)梁尺寸和配筋圖如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)DB梁為對(duì)比梁，BPS系列為內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固梁，所施加有效預(yù)應(yīng)力分別為螺旋肋鋼絲極限抗拉強(qiáng)度的35%，50%和65%，考慮25%的預(yù)應(yīng)力損失后，張拉控制應(yīng)力分別為785，981．25 和 1 177．5 MPa，開槽寬度分別為10，15和20 mm，開槽深度均為20 mm，試件明細(xì)見表1。

圖1 試驗(yàn)梁尺寸和配筋圖Fig．1 Section spacing and rebar reinforcement of beams

表1 試件明細(xì)表Table 1 Dates of tested beams

1．2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所采用的螺旋肋鋼絲是由河南省向陽預(yù)應(yīng)力鋼絲有限公司提供的低松弛螺旋肋鋼絲，直徑為7．00 mm，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)中所采用的結(jié)構(gòu)膠是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生產(chǎn)的JGN型環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠，該膠拉伸、剪切強(qiáng)度高，性能優(yōu)良;所采用鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示;所選取的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為36．4 MPa。

表2 螺旋肋鋼絲力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of spiral rib wires

表3 鋼筋力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of steel bar

1．3 試驗(yàn)加載與量測內(nèi)容

試驗(yàn)是在YAW－5000微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，荷載及速率均通過電腦控制，加載均采用分級(jí)加載制度。在加載過程中，分別記錄每級(jí)荷載級(jí)別下試驗(yàn)梁對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和變形，使用放大鏡觀察試驗(yàn)梁的裂縫開展情況，用DJCK－2裂縫側(cè)寬儀測量裂縫的寬度，加載至每級(jí)荷載時(shí)，持荷3 min左右，觀察試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展情況，并記錄試驗(yàn)梁開裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫寬度、高度及位置，并用鉛筆標(biāo)注裂縫的分布位置、荷載級(jí)別及混凝土梁破壞時(shí)裂縫的發(fā)展情況。試驗(yàn)加載實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)梁加載Fig．2 Loading set up

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 試驗(yàn)現(xiàn)象

2．1．1 對(duì)比梁

DB試驗(yàn)梁加載至20 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，寬度為 0．7 mm，高度為 12．3 cm，距跨中12.1 cm。繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多，且裂縫寬度不斷增大，高度不斷向上部延伸。加載到100 kN時(shí)，出現(xiàn)膠響，至106 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土發(fā)出響聲，撓度突變。當(dāng)荷載加至110 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，最大裂縫寬度達(dá)到6．52 mm，貫穿全梁。

2．1．2 BPS 系列梁

(1)BPS2－20－35%。試件加載至80 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．02 mm，距跨中偏右10 cm。繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多。當(dāng)荷載加載至110 kN時(shí)，裂縫寬度達(dá)到0．08 mm;120 kN時(shí)，出現(xiàn)斜裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到0．09 mm;至135 kN時(shí)，出現(xiàn)膠響，開始出現(xiàn)大量的斜裂縫，160 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．2 mm;當(dāng)荷載為207．7 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，最大裂縫寬度為 2．8 mm。

(2)BPS2－20－50%。試件加載至95．7 kN時(shí)，跨中處出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．04 mm，高度為5 cm，距跨中偏左7．8 cm。繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多，最大裂縫寬度也隨之增大，但比較緩慢;至140 kN時(shí)，共出現(xiàn)5條裂縫，其中最大裂縫寬度為0．1 mm;繼續(xù)加載至160 kN時(shí)，出現(xiàn)斜裂縫，其寬度為 0．32 mm，高度約為 19．0 cm;170 kN時(shí)，跨中最大裂縫寬度為0．64 mm;加載至200.4 kN時(shí)，出現(xiàn)連續(xù)膠響的聲音，最后左側(cè)集中荷載處裂縫貫穿全梁，跨中最大裂縫寬度為2 mm。

(3)BPS2－20－65%。試件加載至100．4 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．02 mm，距跨中偏右12 cm。加載至110 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．03 mm，并且跨中左側(cè)新增2條裂縫。繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多。至160 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．2 mm，并且出現(xiàn)斜裂縫;加載至170 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．36 mm，斜裂縫寬度達(dá)到0．42 mm，并伴有連續(xù)膠響聲;當(dāng)加載至195．3 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，最大裂縫寬度達(dá)到1．04 mm，斜裂縫寬度達(dá)到0．45 mm。

(4)BPS1－20－50%。試件加載至61．7 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．04 mm，高度為3 cm，距跨中偏左3．5 cm;至70 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．08 mm，此時(shí)跨中共出現(xiàn)4條裂縫。繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)增多;加載至108 kN時(shí)，出現(xiàn)膠響，最大裂縫寬度達(dá)到0．24 mm。至110 kN時(shí)，出現(xiàn)3條斜裂縫，最大斜裂縫寬度達(dá)到0．16 mm;當(dāng)荷載加載至146．5 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓壞，最大裂縫寬度達(dá)到4．5 mm。

(5)BPS2－10－50%。試件加載至83 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．04 mm，高度為2．5 cm，距跨中偏左7 cm;至90 kN時(shí)，跨中新增2條裂縫;繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多;加載至120 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0．12 mm，且出現(xiàn)膠響聲;至132 kN時(shí)，出現(xiàn)斜裂縫。至150 kN時(shí)，最大裂縫寬度為0．3 mm，不斷出現(xiàn)膠響聲;當(dāng)荷載加至191．5 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓壞，最大裂縫寬度達(dá)到 1．2 mm。

(6)BPS2－15－50%。試件加載至85 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0．01 mm，高度為4．3 cm，距跨中偏右18．2 cm;100 kN 時(shí)，跨中共出現(xiàn)5條裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到0．04 mm;繼續(xù)加載，裂縫條數(shù)逐漸增多;加載至140 kN時(shí)，出現(xiàn)膠響聲，并且出現(xiàn)2條斜裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到0．12 mm;加載至220 kN時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，跨中最大裂縫寬度達(dá)到1．1 mm，高度達(dá)到21 cm。圖3所示為加固梁和對(duì)比梁的裂縫分布圖。

2．2 試驗(yàn)梁的裂縫分析

2．2．1 開裂荷載

從試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)比梁的開裂荷載為20 kN，在相同的加固量和開槽寬度下，初始預(yù)應(yīng)力水平為65%的試驗(yàn)梁開裂荷載為100．4 kN，較對(duì)比梁提高幅度為402%，而初始預(yù)應(yīng)力水平為35%和50%的試驗(yàn)梁開裂荷載分別為80 kN和95．7 kN，其提高幅度分別為300%和378．5%，表明試驗(yàn)梁的初始預(yù)應(yīng)力水平越高，其開裂荷載越大，提高幅度也越高。在相同的初始預(yù)應(yīng)力水平和開槽寬度下，內(nèi)嵌1根螺旋肋鋼絲的試驗(yàn)梁開裂荷載為61.7 kN，較對(duì)比梁提高幅度為208．5%，而內(nèi)嵌2根的試驗(yàn)梁開裂荷載為95．7 kN，提高幅度為378.5%，較內(nèi)嵌1根的試驗(yàn)梁的提高幅度增加170%，表明試驗(yàn)梁的加固量越多，其開裂荷載越大，提高幅度也越高。在相同的加固量和初始預(yù)應(yīng)力水平下，開槽寬度為10，15和20 mm的試驗(yàn)梁開裂荷載分別為83，85和95．7 kN，較對(duì)比梁提高幅度分別為315%，325%和378．5%，其提高幅度相差不大，表明開槽尺寸對(duì)試驗(yàn)梁的開裂荷載影響較小。關(guān)于試驗(yàn)梁的開裂荷載見表4。

圖3 試驗(yàn)梁裂縫發(fā)展分布圖Fig．3 Crack distribution of test beams

表4 試驗(yàn)梁的開裂荷載值Table 4 The cracking load of test beams

2．2．2 裂縫發(fā)展特點(diǎn)

(1)開裂裂縫寬度。從試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)比梁開裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫寬度為0．7 mm，而經(jīng)過預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固的試驗(yàn)梁開裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫寬度明顯比對(duì)比梁降低很多，其值為0．03 mm左右，如型號(hào)為BPS2－20－35%的試驗(yàn)梁開裂裂縫寬度為0．02 mm，較對(duì)比梁的開裂裂縫寬度降低0．68 mm;型號(hào)為BPS2－20－50%的試驗(yàn)梁開裂裂縫寬度為0．04 mm，較對(duì)比梁降低0．66 mm。不同初始預(yù)應(yīng)力水平、開槽尺寸和加固量下梁的開裂裂縫寬度為0．03 mm左右，其值變化不大。表明內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固的試驗(yàn)梁能夠降低開裂裂縫寬度值，而加固量、開槽尺寸和初始預(yù)應(yīng)力水平對(duì)試驗(yàn)梁的開裂裂縫寬度影響較小，變化規(guī)律不大，不同參數(shù)下的加固梁開裂裂縫寬度相差0.02 mm左右。

(2)最大裂縫寬度。從試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)比梁破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的最大裂縫寬度為6．52 mm，在相同的加固量和開槽寬度下，初始預(yù)應(yīng)力水平為65%的試驗(yàn)梁破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大裂縫寬度為1．04 mm，較對(duì)比梁其值降低5．48 mm，而初始預(yù)應(yīng)力水平為35%和50%的試驗(yàn)梁最大裂縫寬度分別為2．8 mm和2．0 mm，較對(duì)比梁其值降低3．72 mm和4.52 mm，表明預(yù)應(yīng)力能夠降低梁的最大裂縫寬度，且初始預(yù)應(yīng)力水平越大，最大裂縫寬度值越小，降低幅度也越高。在相同的初始預(yù)應(yīng)力水平和開槽寬度下，內(nèi)嵌1根螺旋肋鋼絲的試驗(yàn)梁最大裂縫寬度為4．5 mm，較對(duì)比梁其值降低2．02 mm，而內(nèi)嵌2根的試驗(yàn)梁最大裂縫寬度為2．0 mm，較對(duì)比梁其值降低4．52 mm，較內(nèi)嵌1根的試驗(yàn)梁其值降低2．5 mm，表明內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲能夠降低梁的最大裂縫寬度，且加固量越大，裂縫最大寬度越小。在相同的加固量和初始預(yù)應(yīng)力水平下，開槽寬度為10，15和20 mm的試驗(yàn)梁最大裂縫寬度分別為1．2，1．1 和2．0 mm，較對(duì)比梁降低值分別為 5.32，5．42和4．52 mm，降低幅度相差不大，表明開槽寬度對(duì)試驗(yàn)梁的最大裂縫寬度影響不大。表5所示為加固梁在開裂和破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫寬度以及較對(duì)比梁的降低值。

表5 試驗(yàn)梁的裂縫寬度Table 5 The cracks width of test beams

2．3 裂縫寬度計(jì)算

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和書籍，本文根據(jù) GB 50010—2010(《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度計(jì)算公式，現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫的計(jì)算公式總結(jié)如下:

式中:αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件取1．5;ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);Es為鋼筋的彈性模量;cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離(mm)，當(dāng)cs≤20時(shí)，取cs=20;當(dāng)cs≥65時(shí)，取cs=65;dte為受拉區(qū)縱向鋼筋等效直徑，本試驗(yàn) dte=和d2分別為縱向鋼筋、螺旋肋鋼絲的公稱直徑;n1和n2分別為縱向鋼筋、螺旋肋鋼絲的根數(shù);ν1和ν2分別為縱向鋼筋、螺旋肋鋼絲的相對(duì)粘結(jié)特性系數(shù)，本試驗(yàn)分別取為1．0和0.8;ρte為有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱筋配筋率;As和Ap分別為縱筋、螺旋肋鋼絲面積;Ate為有效受拉混凝土截面，本試驗(yàn)梁為受彎構(gòu)件，取Ate=0．5bh;σsk為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件受拉區(qū)縱向鋼筋等效應(yīng)力

按照上述公式對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算，最大裂縫寬度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見表6。

表6 試驗(yàn)梁裂縫最大寬度計(jì)算值與試驗(yàn)值Table 6 Theoretical and Experimenta maximum cracks width of test beams mm

從試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可知:

(1)BPS2－20－35% 和BPS2－20－50%試驗(yàn)梁的最大裂縫寬度實(shí)測值較計(jì)算值偏大，而BPS2－10－50% 和BPS2－15－50%的最大裂縫寬度實(shí)測值較計(jì)算值偏小。那是由于BPS2－20－35% 和BPS2－20－50%的開槽尺寸較BPS2－10－50%和BPS2－15－50%的大，過大的尺寸對(duì)混凝土造成一定的損傷，導(dǎo)致混凝土最大裂縫寬度實(shí)測值偏高。對(duì)于BPS1－20－50%試驗(yàn)梁由于加固量較少，導(dǎo)致試驗(yàn)梁的最大裂縫寬度實(shí)測值偏大。

(2)試驗(yàn)梁最大裂縫寬度的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度不是很好，主要是由于本文采用的最大裂縫寬度公式是關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的，而關(guān)于適用于內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁最大裂縫寬度的計(jì)算公式還有待于進(jìn)一步研究和分析。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固梁能顯著提高加固梁的開裂荷載，有效延遲裂縫的開展，降低裂縫寬度，型號(hào)為BPS2－20－65%的加固梁開裂荷載提高幅度達(dá)到402%，比其他加固方式略高，最大裂縫寬度降低值達(dá)到5．48 mm，比其他加固方式略大?？梢姶朔N加固方式優(yōu)于其他加固方式。

(2)在不同的初始預(yù)應(yīng)力水平下，加固梁的開裂荷載提高幅度相差最大為102%，且初始預(yù)應(yīng)力水平越大，開裂荷載提高幅度越高;在不同的加固量下，開裂荷載提高幅度相差為170%，且加固量越多，開裂荷載提高幅度也越高;而在不同的開槽尺寸下，開裂荷載提高幅度相差最大為63．5%?？梢姴煌拈_槽尺寸對(duì)加固梁的開裂荷載影響較小。

(3)在不同的初始預(yù)應(yīng)力水平下，加固梁的最大裂縫寬度相差最大為1．76 mm，且初始預(yù)應(yīng)力水平越大，最大裂縫寬度越小;在不同的加固量下，加固梁的最大裂縫寬度相差為2．5 mm，且加固量越多，最大裂縫寬度值越小;而在不同的開槽尺寸下，加固梁的最大裂縫寬度相差最大為0．9 mm?？梢?，不同的開槽尺寸對(duì)加固梁的最大裂縫寬度影響也較小。

以下幾個(gè)方面還有待于進(jìn)一步分析和研究:

(1)關(guān)于內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力筋材加固混凝土梁的最大裂縫寬度公式還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善，應(yīng)提出一種更適合于內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力筋材加固混凝土梁的最大裂縫寬度計(jì)算公式。

(2)本文只提出了預(yù)應(yīng)力、加固量和開槽尺寸對(duì)加固梁裂縫性能影響的研究，而其他更多的參數(shù)對(duì)加固混凝土梁裂縫性能的影響還有待于進(jìn)一步研究。

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