灌漿料加固鋼筋混凝土偏心受壓柱研究

余文成，王子恒，劉均利，劉 浪

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

由于結(jié)構(gòu)老化和使用環(huán)境的影響，鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的承載力和耐久性會(huì)逐漸降低。在近年的結(jié)構(gòu)加固和改建工程中，人們對(duì)構(gòu)件的使用空間和外形美觀的要求越來越嚴(yán)格，縮短工期和提升加固效率一直是不變的追求[1-2]。

增大截面法加固方式靈活，可以與其他加固方式有效組合，以滿足實(shí)際施工中的特殊要求。并且因?yàn)槭┕そ?jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟、防火和耐腐蝕性能好、加固費(fèi)用低等顯著優(yōu)勢(shì)一直是實(shí)際加固工程中應(yīng)用最為廣泛的一種加固方法。然而由于普通混凝土強(qiáng)度和彈模較低，往往造成加固層截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重增加較大，并且結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度直接關(guān)系到加固效果，這也是增大截面法的主要技術(shù)難題之一[3-4]。因此，有必要尋求新材料或者新技術(shù)來有效提升構(gòu)件加固后的承載力。

高強(qiáng)無收縮灌漿料在施工現(xiàn)場(chǎng)只需要按照要求添加適量的水，拌合均勻后就可以具有自流平、早強(qiáng)、無收縮、無污染等多種施工優(yōu)點(diǎn)，作為一種適用性極強(qiáng)的加固用材料，一直以來被廣泛應(yīng)用于輔助各種加固形式的施工上[5-7]。

目前，對(duì)高強(qiáng)無收縮灌漿料在實(shí)際加固工程上的研究主要集中在軸心受壓磚柱結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土梁以及梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震上。喬慶浩等[8]在2020年對(duì)摻有纖維的灌漿料試塊進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析硅灰和不同纖維摻量對(duì)疊合試塊的粘結(jié)性能和抗拉性能的影響，得到了粘結(jié)強(qiáng)度最高時(shí)各纖維的摻量比例。廖杰洪等[9]采用灌漿料增大截面以及高性能砂漿包裹鋼鉸線等多種方式，對(duì)地震中受損的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加固。然而，這僅僅利用了水泥基灌漿料自流性好、無收縮和微膨脹等特點(diǎn)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。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所有原構(gòu)件均采用同一批次的C30商品混凝土一次澆筑完成。加固用灌漿料采用柳州漢西鳴建材公司生產(chǎn)的HGM-H80型高強(qiáng)無收縮灌漿料。構(gòu)件澆筑過程中同時(shí)制作普通混凝土和高強(qiáng)灌漿料試塊，與構(gòu)件在同條件下養(yǎng)護(hù)，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序測(cè)得普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為36.56 MPa，高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度平均值為72.35 MPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作10根鋼筋混凝土柱，原構(gòu)件高1 200 mm，截面尺寸為250 mm × 250 mm?？v筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，C16縱筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為439.7 MPa、598.1 MPa，C6箍筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為456.8 MPa和588.2 MPa。構(gòu)件參數(shù)如表1所示，構(gòu)件配筋示意圖如圖1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

圖1 原柱尺寸及配筋設(shè)置

1.3 試驗(yàn)加載和測(cè)量方案

試驗(yàn)采用500 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)偏心壓力的分級(jí)加載，加載過程中記錄構(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，并使用裂縫綜合測(cè)試儀觀察裂縫展開情況，記錄各級(jí)荷載下的裂縫分布、發(fā)展過程及寬度。

所有構(gòu)件都采用單調(diào)加載的形式。在構(gòu)件定位安裝完成后，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件按照預(yù)估極限荷載的10%進(jìn)行預(yù)加載，待確定構(gòu)件各處的應(yīng)變片連接完好，千分表和試驗(yàn)儀器能正常使用后開始加載。正式加載采用分級(jí)加載，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,加載至構(gòu)件破壞，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 主要試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形式

2.1.1 小偏心受壓柱

小偏心加固柱XPX1～XPX3加載和破壞現(xiàn)象相似。在加載初期，由于試驗(yàn)荷載較小，混凝土表面未出現(xiàn)裂縫，混凝土表面應(yīng)變隨荷載呈線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)為彈性工作狀態(tài)，符合平截面假定；隨著荷載的增加，構(gòu)件首先在側(cè)面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，混凝土表面和內(nèi)部縱筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段；隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫逐漸增多、延伸發(fā)展并且伴隨著混凝土開裂聲;當(dāng)試驗(yàn)荷載接近其極限承載力時(shí)，構(gòu)件進(jìn)入塑性階段，受壓區(qū)混凝土壓碎剝落;隨著荷載的進(jìn)一步增加，構(gòu)件受壓區(qū)混凝土表面應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，并在一聲巨響后宣告破壞，但縱向鋼筋并未屈服，構(gòu)件整體性保存較好。小偏心對(duì)比柱DBZ1破壞時(shí)，構(gòu)件中部箍筋約束較薄弱的混凝土被壓碎，縱向鋼筋外凸屈服，構(gòu)件整體性破壞嚴(yán)重。破壞形態(tài)如圖2所示。

(a)DBZ1 (b)XPX1 (c)XPX2 (d)XPX3

2.1.2 大偏心受壓柱

大偏心加固柱DPX1～DPX5與對(duì)比柱DBZ2在加載階段現(xiàn)象基本相似，加載初期構(gòu)件受力狀態(tài)為彈性階段，各測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系；隨著荷載的增加，構(gòu)件受壓區(qū)中、上部開裂，但裂縫寬度保持在0.04～0.1 mm之間；繼續(xù)加大荷載至極限荷載時(shí)，構(gòu)件受壓區(qū)縱向裂縫增多，靠近支座處的局部混凝土表皮開始鼓起并剝離，柱頭和柱腳處的主要裂縫不斷發(fā)展變寬，柱頭處混凝土壓碎脫落，加固層發(fā)生劈裂破壞，部分加固層退出工作，構(gòu)件宣告破壞，破壞形態(tài)如圖3所示。其中大偏心單側(cè)加固構(gòu)件DPX3與小偏心加固構(gòu)件的加載和破壞現(xiàn)象相似，分析認(rèn)為主要是150 mm的加固厚度使大偏心受壓構(gòu)件變成了小偏心受壓構(gòu)件，使構(gòu)件受力更為合理。對(duì)于柱頭的局部破壞現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是柱頭的變截面使得構(gòu)件在受力過程中局部壓應(yīng)力過高，灌漿料和混凝土的強(qiáng)度差使得柱頭處混凝土壓碎。

(a)DBZ2 (b)DPX2 (c)DPX3 (d)DPX4 (e)DPX5

2.2 試驗(yàn)結(jié)果匯總分析

2.2.1 承載力

10根混凝土受壓柱均加載至構(gòu)件破壞狀態(tài)，各構(gòu)件的主要試驗(yàn)分組和結(jié)果如表2所示。

表2 試件分組及測(cè)試結(jié)果

分析組一和組二內(nèi)相同偏心距構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：小偏心單側(cè)加固構(gòu)件的承載力與加固層厚度關(guān)系不明顯，提升幅度約為86%～102%，差距不大，原因在于單側(cè)加固形式只提供了錨固作用，僅提高了較大豎向力作用下構(gòu)件的抗剪切滑移能力，材料強(qiáng)度利用率不高，對(duì)加固后偏于軸壓構(gòu)件的承載力影響不大，構(gòu)件破壞主要受支座處混凝土強(qiáng)度影響；大偏心單側(cè)加固構(gòu)件的承載力主要受加固厚度的影響，承載力提升幅度約為76%～283%，但整體提升效率呈先升后降的趨勢(shì)，加固層直接受壓并承擔(dān)主要壓應(yīng)力，說明通過增大受壓側(cè)加固層厚度來提升大偏心受壓構(gòu)件承載力的效果明顯，并在一定范圍內(nèi)，承載力隨加固厚度的增加而增大。

分析組一和組二內(nèi)相同加固厚度構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：加固厚度為70 mm時(shí)，小偏心構(gòu)件的加固效果略優(yōu)于大偏心構(gòu)件；當(dāng)加固厚度為100 mm和150 mm時(shí)，大偏心構(gòu)件加固后的承載力提升幅度高于小偏心加固構(gòu)件，約為小偏心構(gòu)件的2.7倍，但大偏心加固構(gòu)件的極限承載力均低于小偏心加固構(gòu)件，原因在于大偏心構(gòu)件加固后，其偏心距間接減小并向小偏心受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變，極限承載力也逐漸接近小偏心加固的極限承載力，但是加固層較薄時(shí)，變截面的應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)構(gòu)件的影響更大，使得大偏心加固效果不如小偏心。

分析組二和組三內(nèi)相同加固厚度構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：雙側(cè)加固構(gòu)件極限承載力的提升幅度約為單側(cè)加固構(gòu)件的32%～98%，跨中位置的最大撓度也比單側(cè)加固構(gòu)件的小。表明雙側(cè)加固有效減小構(gòu)件軸壓比，增加構(gòu)件延性的同時(shí)，極限承載力也有所提升。

2.2.2 荷載-應(yīng)變

構(gòu)件各測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖4～圖13所示，圖中縱坐標(biāo)為豎向荷載，橫坐標(biāo)為各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，鋼筋測(cè)點(diǎn)用實(shí)心標(biāo)記，混凝土和加固層用空心標(biāo)記，測(cè)點(diǎn)均在柱高1/2處。

圖4 DBZ1荷載-應(yīng)變曲線 圖5 XPX1荷載-應(yīng)變曲線

圖8 DBZ2荷載--應(yīng)變曲線 圖9 DPX1荷載-應(yīng)變曲線

圖10 DPX2荷載-應(yīng)變曲線 圖11 DPX3荷載-應(yīng)變曲線

圖12 DPX4荷載-應(yīng)變曲線 圖13 DPX5荷載-應(yīng)變曲線

由圖4～圖13可知：加固后，構(gòu)件由部分截面受壓狀態(tài)逐漸向全截面受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變，承載力均有明顯提高，高強(qiáng)灌漿料的優(yōu)秀抗壓性得以充分發(fā)揮，改善了因近荷側(cè)鋼筋和混凝土應(yīng)力過大和應(yīng)力集中而導(dǎo)致構(gòu)件局部壓潰的情況。

對(duì)于單側(cè)加固柱：在加載初期，構(gòu)件處于彈性階段，混凝土和鋼筋荷載-應(yīng)變曲線大致呈線性相關(guān)；構(gòu)件在加載60%Py左右時(shí)開始出現(xiàn)裂縫，而后構(gòu)件進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài)，構(gòu)件鋼筋和混凝土表面的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率略微提升；加載至80%～90%Py時(shí)，加固層和受壓區(qū)混凝土豎向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)基本同步，直到接近峰值時(shí)才出現(xiàn)差異，說明在豎向荷載作用下，加固層灌漿料和縱筋參與了原柱的協(xié)同工作。偏心距為75 mm的組一構(gòu)件在加固后，受壓側(cè)縱筋和混凝土的應(yīng)變值比加固前都有了不同程度的增長(zhǎng)，受壓側(cè)混凝土極限應(yīng)變，加固層厚度70 mm的XPX1為-2 314×10-6，加固層厚度150 mm的XPX3為-941×10-6，受拉側(cè)縱筋和混凝土應(yīng)變由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌骸Ｆ木酁?50 mm的組二構(gòu)件在加固后應(yīng)變變化規(guī)律也與組一構(gòu)件基本相似。由此可以看出構(gòu)件加固后，受壓區(qū)截面面積增大，并且隨著加固厚度的增加，構(gòu)件受力狀態(tài)更接近于軸心受壓，受力性能得到了改善，構(gòu)件剛度顯著提升，但偏心距對(duì)構(gòu)件的變形影響較小。

對(duì)于雙側(cè)加固柱：雙側(cè)加固構(gòu)件的荷載-應(yīng)變曲線與單側(cè)加固構(gòu)件相似，存在線性相關(guān)段和非線性相關(guān)段，雙側(cè)加固構(gòu)件在40%Py左右時(shí)出現(xiàn)裂縫，受壓側(cè)縱筋和加固層表面的應(yīng)變有一定程度的提升，說明對(duì)大偏心構(gòu)件加固能顯著提升構(gòu)件剛度和承載能力，雙側(cè)加固對(duì)構(gòu)件變形能力的提升比單側(cè)加固更加明顯，構(gòu)件的延性性能也更加優(yōu)秀。

3 結(jié) 語

通過對(duì)8根加固柱和2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)大、小偏心構(gòu)件的影響，可以得到以下結(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，混凝土和加固層結(jié)合完好，為原柱提供了錨固作用，整個(gè)加載過程中都能保持較好的協(xié)同工作狀態(tài)，改善了鋼筋混凝土柱脆性破壞的形態(tài)，表明試驗(yàn)采用的高強(qiáng)灌漿料和新舊界面的處理方式是可靠的。

(2)加固后，偏心受壓柱的開裂荷載、破壞荷載、剛度以及變形能力都得到較大幅度的提升，方案一加固柱的極限承載力提高了86%～102%；方案二加固柱的極限承載力提高了76%～283%；方案三加固柱的極限承載力提高了249%～329%。

(3)單側(cè)加固方案能夠有效改善偏心受壓柱的受力狀態(tài)，通過增大構(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，大幅提高了構(gòu)件的剛度和極限承載力；雙側(cè)加固則對(duì)構(gòu)件極限承載力和變形能力的提升更加明顯。

(4)在一定范圍內(nèi)增大加固層厚度對(duì)大偏心受壓柱的剛度和極限承載力提升明顯，而小偏心受壓柱的剛度提升效果不大，其主要通過對(duì)原柱的錨固效果以提升承載力。