目前, 由于人为过失、使用要求、灾害作用以及设计规范的改进、安全储备的提高等原因, 许多原有建筑的安全性、适用性及耐久性不再满足要求。拆除这些建筑不仅耗资巨大, 而且会给国家造成难以估计的经济损失。因此, 采取适当的加固技术对原有建筑进行维修加固是现阶段较为合理的举措。目前, 碳纤维增强塑料 (Carbon Fiber Reinforced Plastics, 简称CFRP) 已成为工程界加固应用最广泛的材料之一^[1,2,3,4], 经试验研究, 内嵌CFRP筋材加固法与内嵌螺旋肋钢丝加固法均能够大幅增强混凝土梁的承载力, 并能够有效限制裂缝扩展^[5,6,7,8]。考虑到CFRP筋材具有抗拉强度高、质量轻、弹性模量小, 螺旋肋钢丝具有抗拉强度较大、自重大、弹性模量大的特点, 本文提出内嵌预应力混杂筋材加固混凝土梁, 并对其进行了试验研究。

　　 混凝土试验梁的尺寸为1 200×300×50。浇筑试件时采用的模板在现场拼装, 拼装的模板尺寸与构件尺寸严格相符, 以使浇筑的构件符合设计要求。浇筑混凝土时用振动棒振捣密实。经24h, 混凝土达到一定强度后拆模。试验构件的浇筑由试验员全程监督, 确保构件质量。图1为浇筑完毕的构件照片。试验所用混凝土标号为C30, 其配合比为水∶水泥∶砂∶碎石=1∶1.67∶3∶10。

　　 理论分析与计算表明, 影响试验梁加固效果的主要参数包括初始预应力水平、加固量和加固材料种类。同时, 为确保混杂筋材受力均衡, 考虑在试验梁中设计3根加固筋材。试验梁加固方案设计如下:

　　 试验设计1根普通素混凝土试验梁 (RB) 作为对比梁, 3根BF2P1系列试验梁 (内嵌2根CFRP筋材、1根预应力螺旋肋钢丝) , 3根BF1P2系列试验梁 (内嵌1根CFRP筋材、2根预应力螺旋肋钢丝) 。除加固筋材外, 所有试验梁制作方法及材料均相同。3根BF2P1系列或BF1P2系列试验梁具有不同的初始预应力水平, 在BF2P1或BF1P2后添加后缀数字表示所施加的螺旋肋钢丝有效预应力的百分比, 有效预应力按螺旋肋钢丝极限抗拉强度与预应力损失综合计算。加固方式为在混凝土梁受拉部位表面开槽 (开槽尺寸均为20×20) , 加入预应力螺旋肋钢丝和CFRP筋材, 然后浇筑回填。试件明细见表1。

　　 试验中所采用的螺旋肋钢丝和CFRP筋材的力学性能均高于普通钢筋。螺旋肋预应力钢丝直径为7.0mm, 极限抗拉强度为1 570MPa, 螺旋肋钢丝抗拉强度的测定是按照《金属材料的室温拉伸试验》 (GB/T 228.1—2010) 的规定进行的。利用夹片式锚具在试验机上对CFRP筋材进行了拉伸测试得到CFRP筋材的性能参数, 拉伸测试装置见图2。本试验所采用的结构胶粘剂是中国科学院大连化学物理研究所生产的JGN型环氧树脂类建筑结构胶, 质量合格。为便于比较螺旋肋钢丝和CFRP筋材与传统热轧带肋钢筋材料性能之间的差异, 还进行了8, 14钢筋的拉伸试验。各类筋材实测性能见表2。

　　 试验按照《混凝土结构试验方法标准》 (GB/T 50152—2012) 中规定的结构单调加载静力试验的加载方法进行。试验梁两端简支, 通过手动千斤顶分级施加集中荷载。试验数据由电脑自动采集, 试验量测内容包括梁跨中挠度、试验梁开裂荷载P_cr、屈服荷载P_y (螺旋肋钢丝发生屈服时的相应荷载) 、极限荷载P_u (试件破坏时的相应荷载) 。试验梁加载装置和测量仪器见图3。

　　 表3列出了内嵌预应力混杂筋材加固混凝土梁的特征荷载值。

　　 由表3可见, 随初始预应力水平的增加, 试验梁开裂荷载明显提高。且当初始预应力水平较低时, 增大预应力水平对提高开裂荷载的作用更为明显, 当初始预应力水平达到有效预应力的45%后, 增大预应力水平对提高开裂荷载的作用有所下降。当初始预应力水平相同时, BF1P2系列试验梁的开裂荷载明显大于BF2P1系列试验梁, 原因在于前者预应力筋材的加固量更大。由此可见, 影响开裂荷载的主要因素是预应力筋材加固量和初始预应力水平。

　　 由于RB对比梁是素混凝土, 因此认为其开裂荷载即为屈服荷载。由表3可见, 内嵌预应力混杂筋材加固对混凝土梁屈服荷载的影响与开裂荷载相似, 随初始预应力水平的增加, 屈服荷载明显提高。当初始预应力水平相同时, 内嵌预应力筋材加固量越多, 屈服荷载提高程度越大。由此可见, 影响屈服荷载的主要因素是预应力筋材加固量和初始预应力水平。

　　 由表3可见, 内嵌预应力混杂筋材加固对试验梁极限荷载的影响最为显著, 且与内嵌预应力筋材根数及初始预应力水平无关。由于试验梁总加固量相同, 所以二者的极限荷载相差不大。

　　 表4列出了内嵌混杂筋材加固混凝土梁的反拱及特征荷载作用下的变形情况。

　　 记RB对比梁开裂挠度即为屈服挠度。由表4可见, BF2P1系列试验梁的反拱分别为0.18～0.46mm, BF1P2系列试验梁的反拱分别为0.23～0.68mm。由此可见, 随初始预应力水平及内嵌预应力筋材加固量的增加, 放张预应力筋引起的反拱也越大。从表中可以看出, BF1P2系列试验梁开裂时的变形大于BF2P1系列试验梁, 而二者在钢筋屈服及试验梁破坏时的变形差别不大。

　　 综合试验数据, 当初始预应力为有效预应力的45%时, 试验梁的加固效果较好且具有代表性, 因此针对初始预应力为有效预应力45%的试验梁进行应变曲线分析。由图4可见, 截面混凝土应变沿高度的变化基本符合平截面假定, 因此对采用内嵌预应力混杂筋材加固梁进行分析时仍可采用平截面假定。

　　 在试验过程中, 所有试验梁具有明显的三阶段特征, 即试验梁加载到开裂、开裂到受拉钢筋屈服以及受拉钢筋屈服到试验梁破坏。

　　 由图5试验梁的裂缝分布情况可以看出, 随着初始预应力水平的提高, 裂缝的发展越来越充分。在初始预应力水平相同的情况下, BF2P1系列试验梁的裂缝比BF1P2系列的试验梁更为密集, 而BF1P2系列试验梁裂缝的倾斜度却比BF2P1系列试验梁的更大, 裂缝平均高度也较低。由此可见, 合适的初始预应力水平与不同种类加固筋材的配合, 能够显著提高被加固构件的抗裂能力, 还可以有效地改善构件裂缝的分布。

　　 综合7根梁的试验过程发现, 内嵌混杂筋材加固混凝土梁的破坏模式主要有三种:一是对比梁的脆性破坏, 当素混凝土受拉部位达到其抗拉极限时, 混凝土开始产生较大裂缝, 裂缝出现后迅速连通并贯穿梁的横截面, 导致混凝土梁破坏;二是弯曲破坏, BF1P2系列梁大多发生类似于适筋梁的破坏形态, 这是一种相对比较合理的破坏模式, 在破坏前, 裂缝发展均匀且快, 梁由屈服荷载进入极限荷载之间的时间较长, 对破坏现象有充分的预警作用;三是预应力筋材被拉断, 但非预应力筋材强度未被充分利用, 这类破坏是由于初始预应力水平过高或预应力筋材数量不足造成的, BF2P1系列梁的破坏与此类似, 在破坏前, 裂缝出现少且缓慢, 当梁进入屈服荷载时, 裂缝开始迅速扩展, 梁由屈服荷载进入极限荷载的时间较短, 对破坏现象的预警作用较弱。

　　 试验梁的屈服荷载P_y及相应挠度Δ_y、极限荷载P_u及相应挠度Δ_u如表5所示, 极限挠度与屈服挠度的比值Δ_u/Δ_y代表延性系数。

　　 由表5可见, 内嵌混杂筋材加固混凝土试验梁的延性系数大于对比梁, 且所有加固试验梁的延性系数均达到3.00以上, 能够满足延性要求;内嵌混杂筋材加固混凝土梁虽然能够大幅度提高试验梁的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载, 但随初始预应力水平的增加, 试验梁的延性系数略有下降, 这是因为初始预应力越大, 试验梁屈服荷载越高, 屈服荷载所对应的挠度变形也就越大, 而初始预应力水平对试验梁的最大挠度变形影响不大, 所以延性系数降低。

　　 (1) 内嵌预应力混杂筋材加固混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载均随初始预应力水平的增加而增加, 研究结果表明, 初始预应力水平达到有效预应力的45%时加固效果较好;当初始预应力水平相同时, BF1P2系列试验梁的开裂荷载与屈服荷载明显大于BF2P1系列试验梁, 二者的极限荷载相差不大。

　　 (2) BF2P1系列试验梁的刚度要明显小于BF1P2试验梁, 即在相同变形情况下, BF1P2系列试验梁所能承受的荷载大于BF2P1系列试验梁。

　　 (3) 试验梁的延性随初始预应力水平的增加而降低, 但均满足正常使用要求。研究结果表明, BF1P2系列试验梁的延性高于BF2P1试验梁。

　　 内嵌预应力混杂筋材加固混凝土梁是一种较为经济实用的加固方法, 试验中由于各种因素的影响, 试验梁数量和工况偏少, 因此, 笔者认为以下几个方面需要进一步探讨:1) 本试验中混凝土梁的设计只是参考, 研究者应因地制宜, 根据构件尺寸及受力情况进行不同加固量的试验。2) 所施加预应力的程度有待于进一步研究。施加预应力的大小会严重影响被加固构件的各种性能, 因此应对初始预应力水平按照不同的梯度进行试验, 据此找出更为合适的初始预应力水平。