在结构加固与改造实践中, 经常需要针对混凝土梁的抗弯承载力进行加固。一般情况下, 梁的抗弯承载力加固会在增大截面、粘贴钢板和粘贴碳纤维复合材等几种常用方法之间做出选择, 或根据实际情况将上述三种方法配合使用。随着加固工程设计与施工实践的发展, 上述常用加固方法的局限性逐渐显露。使用增大截面法加固的混凝土梁, 虽然具有良好的整体受力性能, 但施工过程较为繁琐, 对在用建筑使用功能的影响较大, 且加固施工工期较长。使用粘贴钢板和粘贴碳纤维加固方法具有简便、快捷的优点, 但同时具有易于产生剥离破坏的缺点^{[1,2,3,4,5,6]}。Ali M S M等^[7]将连续梁受拉面粘贴的加固钢板延伸至受压区, 试图避免剥离破坏, 但试验结果表明, 仍然会发生钢板端部剥离破坏和因剪切裂缝导致的剥离破坏。此外, 碳纤维复合材取用的抗拉设计强度很高^[8] (比如高强度I级碳纤维布在一般构件抗拉设计时, 强度取值为2 300MPa) , 纤维复合材的断面面积相对较小, 相应地正常使用状态下对构件的刚度贡献较小。

　　 当抗弯承载力计算时, 需要抗弯加固的截面不超限, 抗弯加固的核心问题就是增加欠缺的钢筋面积。因此, 如果能够避免剥离破坏, 采用外置钢板替补欠缺的受拉钢筋加固混凝土梁是个很好的选择。为此, 可以使用锚栓将钢板固定在构件受拉一侧表面, 即形成锚栓钢板加固技术。不少学者对锚栓钢板加固混凝土梁的抗弯承载力进行过试验研究, 在承载力得到明显提高的同时, 都出现了锚栓被剪断的现象^[9,10,11]。这些试验现象表明, 在锚栓钢板加固技术中使用普通化学锚栓不是最好的选择, 因为锚栓与钢板孔壁之间一定留有随机分布间隙, 这些间隙不能保证群锚协同受力, 进而影响加固钢板与混凝土之间的协同工作。使用胶粘剂填充锚栓杆与钢板孔壁之间的间隙可能也是不恰当的, 因为胶体或许不能承担锚栓与钢板之间很高的接触应力, 不能保证锚栓协同受力, 并可能导致部分锚栓被剪断^[10]。

　　 笔者重视外置钢板加固混凝土梁正截面承载力所具有的优势, 并考虑到现存锚栓钢板加固技术存在的缺陷, 提出直接剪切型锚栓钢板加固混凝土梁抗弯承载力的设计概念。直接剪切型锚栓钢板的重要技术特征在于, 在钢板锚栓孔与锚栓杆之间专门设置了钢质膨胀套, 完全消除锚栓与钢板锚栓安装孔壁之间的间隙, 最大限度保证不同锚栓之间的协同工作^[12]。

　　 本文针对梁底安装直接剪切型锚栓钢板加固混凝土梁抗弯承载力的情况阐述其安装工艺, 安装工艺包含如下技术内容。

　　 在需要安装直接剪切型锚栓钢板的梁体底面, 采用钢筋扫描仪确认纵筋和箍筋位置, 并将其映射到钢板表面。

　　 将锚栓设计孔位与映射到钢板表面的钢筋位置进行比对。锚栓孔位应位于钢筋之间的间隔范围, 如果钢筋位置与锚栓设计孔位冲突时, 应适当调整锚栓设计孔位, 避开钢筋。

　　 采用人力或轻型提升设备将已经完成钻孔的钢板临时固定在梁的底面。选择位于钢板中部的一个锚栓孔, 利用电锤穿过钢板孔沿垂直于构件表面的方向钻孔, 达到设计规定的深度后, 采用可拆卸的膨胀锚栓固定钢板。按此方法, 选择其他若干个分散布置的孔位安装可拆卸膨胀锚栓。

　　 透过钢板上的安装孔, 沿垂直于构件表面的方向完成剩余全部钻孔, 深度应满足设计规定。钻孔过程中, 应确保钢板不移动变位, 否则应适当增加临时固定用膨胀锚栓或适当提高紧固力。

　　 每一块加固钢板上的直接剪切型锚栓分两个批次完成。采用可拆卸膨胀锚栓固定钢板后, 剩余的锚栓孔对应的锚栓为第一批次的直接剪切型锚栓。第一批次的直接剪切型锚栓安装完成, 待锚固胶料获得不低于70%的标准强度后 (经验判断) , 拆除用于固定钢板的可拆卸膨胀锚栓, 这些腾出的锚栓孔对应需要安装的锚栓即是第二批次的直接剪切型锚栓。

　　 本文试验研究共包含4个混凝土梁足尺试件 (试件B-0~B-3) , 试件的截面和配筋完全相同, 见图1。试件B-0为不加固的对比试件, 试件B-1, B-2, B-3为直接剪切型锚栓钢板加固试件。全部试件采用同一罐车预拌混凝土浇筑, 混凝土设计强度等级为C30, 实测混凝土立方体抗压强度为30.80MPa。三个加固试件使用的钢板材质均为Q235, 钢板截面相同, 其中厚度均为10mm, 宽度均为200mm。钢筋、钢板及锚栓的力学性能实测结果见表1。由于设备原因, 未能测试直径25mm的钢筋和直径20, 25mm锚栓的极限抗拉强度。虽然未能测试上述材料极限抗拉强度, 但并不影响试件设计和试验结果分析, 因为试件设计采用的是材料屈服强度, 而各根试件的配筋是完全相同的, 并不影响加固试件与对比试件的结果比对。

　　 试件采用图2所示的简支加载方案, 全部试件按跨中纯弯区段出现弯曲破坏进行设计。各根试件剪弯区段的抗剪能力均进行了加强, 确保跨中截面出现弯曲破坏之前, 剪弯区段不发生剪切破坏。

　　 作为初步试验研究, 本文试件设计时锚栓数量的确定原则参考了李英民等^[9]的方法, 即梁的受弯控制截面 (加载点截面) 至较近一侧支座之间的锚栓抗剪承载力总和不低于控制截面处钢板的抗拉能力, 即:

　　 式中:n为加载点至较近一侧支座之间锚栓的数量;A_bolt和f_{ud, v}分别为锚栓的截面面积和抗剪设计强度;A_a和f_a分别为钢板的净截面面积和抗拉设计强度。

　　 本试验序列锚栓的设计等级均为6.8级, 但实测直径25mm的锚栓屈服强度为436.94MPa, 因此在验算公式 (1) 时, 直径25mm锚栓的抗剪强度设计值乘以折减系数0.91 (436.94/480=0.91) 。此外, 直接剪切型锚栓为半螺纹锚栓, 承受剪力最大的区段无螺纹, 因此对公式 (1) 进行验算时, 根据锚栓直径采用锚栓全截面面积计算。

　　 图3为各试件直接剪切型锚栓布置图。各试件的直接剪切型锚栓数量相同, 由于箍筋实际分布原因, 各试件锚栓的具体定位略有差异。由于跨中等弯矩区段钢板拉应力沿长度方向不变, 仅布置了2根构造锚栓。

　　 试件B-1和试件B-2采用相同数量和相同规格的锚栓, 但试件B-2的底面采用电动砂轮清除了浮浆, 钢板进行了除锈, 并在钢板和混凝土底面之间进行了注胶处理。对比试件B-1和试件B-2是为了比较胶层和直接剪切型锚栓在加固构件受力变形过程中的作用。

　　 锚栓锚固胶采用符合国家标准《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 (GB 50367—2013) 的A级锚固用结构胶;试件B-2钢板与混凝土之间的灌注胶采用符合前述标准的A级粘贴碳纤维用结构胶。

　　 试件采用三分点静载加载方案, 由一台1 500k N的液压千斤顶作为荷载源, 采用分配梁将荷载P均分至跨内两个加载点上;配置一台X-Y函数记录仪对试验过程进行监控:构件受弯屈服前采用荷载控制加载;当X-Y函数记录仪显示构件受弯屈服, 则采用位移控制后续加载过程, 图4为试验现场实景。

　　 试验过程中, 如果出现锚栓剪断现象则认定试件破坏;如果锚栓未剪断, 则继续按前述规定的加载方案持续试验, 直至最大裂缝宽度超过1.5mm或受压区混凝土被压碎, 认定试件破坏。

　　 试件B-0~B-3均发生弯曲破坏, X-Y函数记录仪显示了明显的构件屈服并进入强化段的过程。全部加固试件均未出现锚栓剪断现象, 试件以跨中最大弯曲裂缝宽度达到1.5mm后终止试验。

　　 试验过程中对试件裂缝开展、破坏形态等宏观特征进行了观察, 对各级荷载下的跨中挠度、钢板应变、裂缝宽度以及钢板端部与混凝土的相对位移进行了测试。

　　 各加固试件的受力变形全过程中, 均未发现锚栓剪断现象, 这与采用普通化学锚栓连接钢板进行抗弯加固时出现锚栓剪断的现象^[9,10,11]明显不同。在直接剪切型锚栓钢板加固体系中, 由于完全消除了锚栓杆体与钢板安装孔之间的间隙, 使得锚栓受力与构件受力之间具有良好的关联性, 各个锚栓之间具有良好的协同工作特性。根据试验结果可以初步判断, 采用直接剪切型锚栓钢板加固混凝土梁时, 锚栓有可能完全避免剪断, 从而保证钢板与混凝土构件之间的共同工作、提高承载力加固的可靠性, 彻底避免像粘贴碳纤维和粘贴钢板加固等方法所具有的剥离破坏现象。

　　 全部试件按原设计意图发生了弯曲破坏, 都经历了混凝土开裂、钢筋屈服和屈服后的强化变形过程, 试件纯弯区段的最大裂缝宽度达到1.5mm后结束试验。图5为各试件在扣除支座沉降影响后的荷载-挠度关系曲线, 表2为各试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载。

　　 各加固试件的荷载-挠度曲线与对比试件B-0的比较表明, 直接剪切型锚栓钢板加固技术能够有效提高混凝土梁的抗弯刚度和抗弯承载力。对荷载-挠度曲线的宏观观察表明, 各试件的屈服位移大体相当, 但屈服荷载却成倍增长, 表明屈服刚度大幅度提高。与对比试件B-0的极限荷载相比, 加固试件B-1, B-2, B-3的抗弯承载力分别提高了122%, 125%, 113%。

　　 粘贴碳纤维和粘贴钢板加固方法的固有缺点之一就是脆性剥离破坏。剥离破坏导致加固材料与基体混凝土失去复合受力能力, 并且这种结构性能上的转变十分突然, 在重力荷载作用下可能导致实体结构或构件完全垮塌。锚栓钢板加固技术采用锚栓连接钢板与基体混凝土, 并使其具有组合作用, 因此锚栓的作用十分重要。如果锚栓钢板中的锚栓剪断, 同样会使钢板与基体混凝土构件之间失去组合受力能力, 并导致脆性破坏, 这一点类似于粘贴加固方法中的剥离破坏。因此, 锚栓钢板加固方法应避免锚栓剪断这一破坏现象。试验结果表明, 直接剪切型锚栓钢板加固技术与粘钢加固技术的受力机理不同, 也与普通化学锚栓构成的锚栓钢板加固技术的受力机理不同。对粘钢加固技术而言, 一旦剥离破坏发生, 加固钢板与基体混凝土分离, 便不存在组合作用, 承载力失效, 构件脆性破坏;普通化学锚栓构成的锚栓钢板加固技术中, 由于各个锚栓与对应锚栓孔之间存在随机分布的安装间隙, 不能实现协同受力, 部分锚栓可能提前剪断, 导致脆性破坏;直接剪切型锚栓钢板加固技术消除了锚栓杆体与钢板安装孔之间的间隙, 可以实现完全的协同受力, 避免锚栓剪断, 确保构件良好的延性, 如图5所示。直接剪切型锚栓使得构件破坏不再受加固材料与被加固构件之间的连结媒介制约, 构件的延性可以完全由截面尺寸、材料强度和配筋/加固钢板等因素控制, 而这些正是我们熟知的普通钢筋混凝土梁所具有的属性。

　　 试件B-1, B-2所使用的直接剪切型锚栓规格、数量和使用的钢板截面尺寸完全相同, 但试件B-2在经过界面处理后, 钢板和混凝土之间的结合面还使用符合规范要求的A级灌注型结构胶进行了注胶处理。比较二者的有关测试结果可以发现:1) 试件B-1, B-2具有相同的承载力;2) 试件B-2的屈服刚度略大于试件B-1。这些结果表明, 单纯依靠直接剪切型锚栓已经能够保证加固钢板的发挥作用, 并使钢板与混凝土构件之间具有很好的协同工作性能;在钢板与混凝土之间的胶层有利于进一步加强两种材料之间的协同受力, 并使构件刚度进一步提高。

　　 本试验试件B-1~B-3的钢板厚度均为10mm, 试件设计时要求钢板受拉屈服。为了测试钢板纵向受拉应变发展, 在各锚栓之间的钢板表面粘贴了电阻应变片。由于测试原因, 部分电阻应变片未能完全跟踪试件受力变形的全过程。以试件B-1为例, 在外加荷载P=500k N时实测跨中等弯区段钢板最大拉应变为0.001 4, 根据钢板实测抗拉屈服强度, 屈服应变为0.001 26, 可以判定试件B-1的钢板在荷载P=500k N时已经受拉屈服。结合图5的荷载-挠度曲线可以看出, 试件B-1钢板屈服发生的时刻大体相当于试件荷载-挠度曲线屈服弯折点附近, 说明采用直接剪切型锚栓安装固定的外置钢板可以与截面内受拉钢筋基本上同时屈服。结合全部加固试件承载力发展水平以及荷载-挠度曲线规律, 可以推断全部加固试件钢板在试验终止时均受拉屈服。正是由于钢板受拉屈服, 试件B-3的承载力略低于试件B-1和试件B-2。因为试件B-3的钢板所用锚栓直径更大, 导致钢板开孔更大, 钢板净截面面积相对较小, 构件的极限承载力由钢板面积决定, 从而使得试件B-3的极限承载力低于试件B-1和试件B-2。

　　 对裂缝的观测表明, 采用直接剪切型锚栓钢板加固的试件与对比试件裂缝开展的规律基本相同。弯曲裂缝开始于试件受拉区边缘, 逐渐向上发展, 由于梁截面高度范围无纵向构造钢筋, 而受拉区存在受拉钢筋和加固钢板的约束, 裂缝向上发展超过截面高度中部以后, 裂缝最大宽度不在梁底受拉区边缘, 反而出现在截面高度范围中部。受拉钢筋中心处实测裂缝宽度表明, 各级荷载下加固梁的裂缝宽度明显比对比试件B-0的裂缝宽度小, 比如在荷载P=150k N时, 对比试件B-0纯弯区段出现10条弯曲裂缝, 实测裂缝宽度平均值为0.15mm;在同样的荷载等级下, 试件B-1纯弯区段出现10条弯曲裂缝, 实测裂缝宽度平均值为0.12 mm。图6为试验结束时试件B-1的裂缝照片, 表明锚栓所在位置与裂缝开展之间没有确定的关联性。

　　 根据对试验成果的分析, 可以得出以下初步结论:1) 直接剪切型锚栓消除了锚栓与钢板之间的安装间隙, 为群锚协同受力提供了良好条件。合理设计的直接剪切型锚栓数量和布置, 能够确保加固构件受力全过程中锚栓不被剪断, 为加固钢板和被加固梁之间的全过程协同受力提供了保障。2) 合理设计的直接剪切型锚栓数量和布置, 能够保证钢板受拉屈服, 大幅度提高被加固梁的抗弯承载力和抗弯刚度, 并使被加固构件具有良好的延性。

　　 虽然本试验证实了直接剪切型锚栓钢板技术加固梁抗弯承载力的有效性, 但直接剪切型锚栓的数量是建立在群锚极限抗剪能力不低于钢板抗拉能力的基础上的, 尚不能反映弯矩分布特点与锚栓合理分布之间的关系;此外, 本试验采用的直接剪切型锚栓性能等级为6.8级, 如何合理选择锚栓的性能等级以确保锚栓具有足够的抗剪能力并兼顾足够的受剪切延性, 尚需进一步研究, 以最大限度发挥直接剪切型锚栓钢板加固体系的技术优势。