二次受力下PVA-RFCC加固RC梁抗弯性能试验研究
0 引言
实际工程中,车辆荷载的增加、规范有关标准的提高和材料性能的降低等因素,都会导致桥梁的承载力不满足要求,因此出现大量桥梁加固技术。但在加固之前,桥梁已受到了不同程度的损伤,在加固之后再进行荷载试验,原来的抗弯承载力计算方法已不再适用,因此需对加固桥梁的二次受力进行力学性能探讨。二次受力加固分为:完全卸载加固、部分卸载加固和不卸载加固等多种方式。加固桥梁的二次受力研究比较少,主要集中在粘贴纤维布、粘贴钢板以及预应力碳纤维布加固等方法中。对试验梁进行不卸载加固处理,得出不同的加固技术能够提高试验梁的承载能力,但加固梁的极限荷载随着一次受力的损伤程度增大而降低
基于以上研究成果,以聚乙烯醇纤维增强钢丝网水泥基复合材料(PVA-RFCC)为加固材料,主要探讨完全卸载二次受力加固方式下,加固前不同损伤程度对加固梁力学性能的影响。分别对其破坏形态、荷载-挠度曲线、跨中截面应变、刚度系数以及位移延性系数等进行分析,得出二次受力对PVA-RFCC加固试验梁弯曲性能的影响。
1 试验概况
1.1 试验材料
PVA-RFCC的基体材料是由P.O.42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、聚羧酸类高性能减水剂、PVA纤维和水按照一定的比例配制而成,如表1所示。
PVA-RFCC基体材料配合比 表1
|
水泥 /(kg/m3) |
粉煤灰 /(kg/m3) |
硅灰 /(kg/m3) |
精细砂 /(kg/m3) |
水 /(kg/m3) |
减水剂 Wt/% |
纤维 V/% |
|
572 |
537 | 58 | 583 | 350 | 0.6 | 1.5 |
注:Wt为重量比;V为体积比。
PVA纤维的长度为12mm,直径为39μm,抗拉强度为1 620MPa,伸长率为7%,弹性模量为42.8GPa,密度为1.3g/cm3;钢丝网(SM)的直径为2mm,网格间距为25mm×25mm;钢筋网(RM)的直径为8mm,间距为50mm×50mm。在浇筑PVA-RFCC时,预留3个立方体(100mm×100mm×100mm)试块,测得其平均抗压强度为45.2MPa。试验梁的混凝土设计强度等级为C30,保护层厚度为30mm,在浇筑试验梁时,预留3个立方体(100mm×100mm×100mm)试块,测得其平均抗压强度为31.2MPa。
1.2 试件设计
共设计4根试验梁,其中1根未加固对比梁(CB),1根加固对比梁(B6-RM-SM)和2根二次受力加固梁(B6-RM-SM-C和B6-RM-SM-Y),其中B6表示加固层厚度。试验梁宽度为200mm,高度为300mm,长度为2 600mm,净跨为2 400mm,加固层厚度和长度分别为60mm和2 600mm。试验梁的纵向受拉钢筋为2
1.3 试验梁加固过程
试验梁加固过程分为以下5个步骤:
(1)首先对加固试验梁梁底进行打磨处理,主要目的是去除杂物和平整底面。
(2)为增加加固层与试验梁之间的接触面积,对试验梁梁底进行切割和凿毛。切割的距离为10～15cm,凿毛深度控制在5～8mm。最后根据《水泥复合砂浆钢筋网加固混凝土结构技术规程》(CECS 242∶2016)中测粗糙度方法,得出试验梁底的粗糙度为Ⅲ级。
(3)为防止加固层与试验梁之间发生界面剥离破坏,在梁底按照一定的间距布设剪力连接件。按照设置的距离进行定位、钻孔、清孔、植胶等步骤。
(4)待植筋胶达到强度后安装加固层模板,对试验梁底面进行清灰和润湿处理,涂刷界面剂。
(5)浇筑加固层,同时,将RM和SM安放在预定位置。为了增加PVA-RFCC密实性,用振动棒进行振动处理,同时将表面抹平。初期养护3d后拆掉模板,养护28d后进行破坏试验。
1.4 试验装置和测点布置
本试验梁采用的加载装置如图3所示,采取四点弯加载。在试验梁开裂之前,加载速率为每级5kN;试验梁开裂以后到破坏,加载速率为每级10kN。纯弯段长度为1 000mm,支座距试验梁边缘100mm。为了观测横截面应变随荷载的变化规律,沿着试验梁高度方向,在试验梁跨中位置,粘贴7个应变片(SG1～SG7)。受压区混凝土应变通过在受压区布置2个应变片(SG8,SG9)量测。同时在加载点和跨中共布设3个位移计,量测位移随着荷载的变化规律。裂缝宽度由测宽仪测量,裂缝发展由人观测且用马克字笔在裂缝附近进行标记。
2 试验结果及分析
2.1 破坏形态和裂缝开展
试验梁的具体破坏形式如图4所示。未加固对比梁CB的破坏形态为受拉区钢筋屈服,受压区混凝土压碎,如图4(a)所示。加固对比梁B6-RM-SM的破坏形态为加固层中的RM和SM断裂,如图4(b)所示。二次受力加固梁B6-RM-SM-C的破坏形态为界面剥离破坏,靠近试验梁梁底在加载点附近出现一条主裂缝,混凝土沿着此裂缝发生约200mm的剥离,加固层呈现出多裂缝特点;混凝土在支座附近的界面发生剥离,随着荷载增加,剥离趋势向跨中位置发展,最终以受压区混凝土产生水平裂缝而破坏,如图4(c)所示。二次受力加固梁B4-SM-RM-Y的破坏形式是加固层SM断裂,如图4(d)所示。
在试验梁加载过程中,对最大裂缝宽度进行量测,最终得到荷载-裂缝宽度曲线,如图5所示。由图可知,与未受损的加固梁CB对比,二次受力加固梁呈现出类似的规律。相同荷载下,二次受力加固梁B6-RM-SM-C的裂缝宽度小于二次受力加固梁B6-RM-SM-Y。这是因为在加固前,二次受力加固梁B6-RM-SM-Y的损伤程度大于二次受力加固梁B6-RM-SM-C,所以在二次受力以后,二次受力加固梁B6-RM-SM-Y裂缝宽度发展比较快。在加固之前,二次受力加固梁B6-RM-SM-C进行加卸载后,整体损伤程度比较小,试验梁基本在弹性阶段,部分裂缝在卸载后闭合。因此,加固对比梁B6-RM-SM与二次受力加固梁B6-RM-SM-C的裂缝发展呈现出类似规律。从表2中可以得出,与未加固对比梁CB的Pcr,P0.2,P0.3值相比,加固梁呈现出明显增大趋势,且最大增幅可以达到123%。二次受力下,随着试验梁在加固前损伤程度的增加,其开裂性能逐渐降低。随着裂缝宽度和损伤程度增加,P0.2和P0.3降低幅度逐渐减小。
试验梁的开裂性能 表2
|
梁编号 |
Pcr/kN | P0.2/kN | P0.3/kN | αcr | α0.2 | α0.3 |
|
CB |
35 | 130 | 160 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
|
B6-RM-SM |
60 | 290 | 325 | 1.71 | 2.23 | 2.03 |
|
B6-RM-SM-C |
50 | 280 | 293 | 1.43 | 2.15 | 1.83 |
|
B6-RM-SM-Y |
40 | 280 | 320 | 1.14 | 2.15 | 2.00 |
注:Pcr为试验梁开裂荷载;P0.2和P0.3为最大裂缝宽度为0.2,0.3mm对应的荷载,αcr,α0.2,α0.3为加固梁Pcr,P0.2,P0.3与未加固对比梁CB对应值的比值。
2.2 荷载-挠度曲线
图6为试验梁的荷载-挠度曲线。由图可知,与加固对比梁B6-RM-SM相比,二次受力加固梁的极限荷载降低,且最大降低值约为16%。与未加固对比梁CB相比,加固梁具有类似的荷载-挠度曲线,且二次受力加固梁的屈服阶段不明显。图7为试验梁在弹性阶段和屈服阶段的刚度系数曲线。本试验中的刚度系数定义为加固梁与未加固试验梁的刚度比值。由图可知:二次受力加固梁的刚度系数呈现降低趋势,最大降低值约31%;二次受力对弹性阶段刚度系数影响比较大,对屈服阶段刚度系数影响比较小;二次受力对试验梁刚度系数(弹性阶段)的影响,随着初始损伤程度的增加而降低。由此可以得出,当加固前试验梁的损伤小于钢筋的屈服荷载时,二次受力对其屈服阶段的性能影响比较小。
表3为试验梁承载力和位移延性系数试验结果。位移延性系数定义为极限位移与屈服位移的比值。由表可知,二次受力对试验梁的位移延性系数有明显影响。与未加固对比梁CB的位移延性系数相比,加固梁呈现出降低趋势,且最大幅度能达到65%。当加固前试验梁损伤程度比较小时,二次受力后延性降低幅度比较小,且高于未损伤的加固对比梁B6-RM-SM。因此,建议在实际桥梁中加固时,选择在梁处于初始损伤时进行加固,可在一定程度上提高极限承载能力、刚度和位移延性系数。而在梁损伤比较严重时进行加固,虽然对极限承载能力有明显改善,但是对刚度和延性系数提高幅度有限。
试验梁承载力和位移延性系数试验结果 表3
| 梁编号 | Py/kN | Δy/mm | Pu/kN | Δu/mm | αy | αu | μ |
|
CB |
160 | 8.55 | 185 | 41.35 | 1.00 | 1.00 | 4.84 |
|
B6-RM-SM |
320 | 11.68 | 350 | 27.27 | 2.00 | 1.89 | 2.33 |
|
B6-RM-SM-C |
280 | 11.13 | 295 | 40.00 | 1.75 | 1.59 | 3.59 |
|
B6-RM-SM-Y |
300 | 12.53 | 330 | 21.40 | 1.88 | 1.78 | 1.71 |
注:Py为试验梁屈服荷载;Pu为试验梁极限荷载;Δy为试验梁屈服挠度;Δu为试验梁极限挠度;αy,αu为加固梁的Py,Pu与未加固对比梁CB对应值的比值;位移延性系数μ为Δu与Δy的比值。
2.3 跨中截面应变分析
图8为试验梁跨中截面的应变分布图。由图可知,在混凝土开裂之前,跨中截面沿着梁高方向的应变符合平截面假定。开裂之后,跨中截面应变不再满足平截面假定。加固层的应变存在滞后现象,在二次受力加固梁B6-RM-SM-C中表现比较明显。对于二次受力加固梁B6-RM-SM-Y,当荷载加载至40kN以后,裂缝穿过应变片SG7,其值超出应变片量程,因此忽略不计。
图 9为试验梁中的钢筋和加固层中的钢筋应变图(图中CRL代表加固层中钢筋应变)。由图可知,加固层中的钢筋应变大于试验梁中的钢筋应变。随着荷载的增加,加固层中的钢筋的应变逐渐增加,试验梁中的钢筋的应变增幅不显著,说明一定厚度的加固层可以提高试验梁的整体受力,降低试验梁的钢筋受力,达到加固目的。二次受力对试验梁及加固层中的钢筋应变影响不明显,是因为在加固之前进行加卸载,对试验梁造成的损伤程度未达到钢筋屈服状态。图10为试验梁受压区混凝土应变图。由图可知,二次受力对受压区混凝土应变的影响,与加固前试验梁的损伤程度有关。当损伤程度比较小时,二次受力对受压区混凝土的影响比较小,这是因为一次加载使得试验梁处于弹性阶段,卸载以后应变得到恢复;当损伤程度比较大时,二次受力对受压区混凝土应变的影响比较显著。
3 结论
(1)二次受力对试验梁极限承载力和刚度系数(屈服阶段)影响比较小。初始损伤程度比较大的试验梁,二次受力会加快裂缝和裂缝宽度的扩展,降低试验梁抗裂性能。
(2)与加固对比梁相比,二次受力加固梁的开裂荷载和刚度系数(弹性阶段)明显降低,最大降低幅度分别约为33%,31%。
(3)二次受力对试验梁位移延性系数的影响与加固前试验梁的损伤程度有关。当试验梁损伤程度为28.6%,位移延性系数大幅度增加;当试验梁损伤程度为82.8%时,位移延性系数降低26.6%。
(4)PVA-RFCC是一种有效的加固材料,能够提高试验梁的力学性能。通过二次受力试验,建议对试验梁处于初始损伤时进行加固,加固效果会更加明显。
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