预应力钢绞线加固损伤梁抗剪性能试验研究

作者：司建辉张旺

单位：西安理工大学土木建筑工程学院

摘要：针对受损钢筋混凝土梁开展绕丝加固试验研究,进行了5组试验,其中第一组为未受损未加固梁,第二组为未受损加固梁,其余三组均为受损加固梁。选取裂缝宽度作为受损指标,通过对试件的破坏形态、荷载-挠度关系曲线、箍筋应变等试验结果的分析,研究钢筋混凝土梁受损程度对抗剪承载力和变形能力的影响。研究结果表明:未受损未加固梁在采用绕丝加固后,其抗剪承载力有所提升。通过受损试件之间对比可以看出,当在钢绞线预加应力相同的情况下,加固梁抗剪承载力随着受损程度的增大而下降。预应力钢绞线加固可有效抑制钢筋混凝土梁斜裂缝的发展,改善加固梁破坏形态,且对梁的延性、承载力都有显著提升效果。

关键词：绕丝加固抗剪承载力预应力钢绞线延性

作者简介：司建辉,博士,副教授,硕士生导师,Email:sjhfr@163.com。
基金：西安市建设科技项目(SJW2015—21)。 -页码-：20-24

　　 0 引言

　　钢筋混凝土梁作为建筑物重要的组成部分,如果出现损伤,导致的后果将非常严重。传统钢筋混凝土梁抗剪加固的主要方法有粘贴轻质高强材料 ^[1,2]、复合砂浆钢丝网加固 ^[3,4]等。由于具有工艺简单、施工方便等特点,以上加固方式在工程加固中得到了较为广泛的应用,但是加固局限性也逐渐凸显,如会遇到加固材料与主体的剥离,应力邂逅等问题。针对这些局限性,研究人员提出了一些新的加固方法,比如玻璃纤维-聚合物砂浆加固法 ^[5,6,7,8]、高强钢绞线-聚合物砂浆加固法 ^[9,10,11,12]等。这些加固方法不仅提高了加固主体的刚度和承载能力,而且在一定程度上克服了加固材料与主体结构的剥落。当前,一些学者已开展了钢绞线用于钢筋混凝土梁(RC梁)抗剪加固的试验研究,如Yang等 ^[13]研究了不同预应力水平、钢绞线间距、RC梁截面形式等参数对钢绞线加固RC梁受力性能的影响。但在我国,此项加固方式尚处于起步阶段,各种试验资料还相对缺乏。为此,本试验通过对预应力钢绞线加固受损梁之间的对比,重点研究预应力钢绞线加固受损梁的效果。

1 试验概况

1.1 试验梁设计

　　本次试验梁设计按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混凝土规范)进行。设计试件具体参数如下:基准梁(试件L-1)配筋率1.7%,配箍率0.57%,基准梁长为1 400mm,截面尺寸b×h为100mm×200mm,混凝土强度等级为C30,混凝土保护层厚度为10mm。纵向受力筋采用2ϕ14,架立筋采用2ϕ6,箍筋采用ϕ6@150,距梁端50mm处开始布置,剪跨比2.5。为比较损伤程度对加固效果的影响,各试验梁的剪跨比、混凝土强度、配筋率、钢绞线预加应力、钢丝布距都相同,且每根试验梁贴有14个应变片。试验梁尺寸及配筋情况见图1,应变片布置图见图2,试验梁基本参数见表1,其中试件L-2为未受损加固梁,试件L-3～L-5为受损加固梁。

　　图1 试验梁尺寸及配筋

　　图2 应变片布置示意图

　　 试验梁基本参数情况表1

试件编号	混凝土强度等级	原梁配筋率 /%	原梁配箍率 /%	原梁损伤程度 /mm	钢绞线间距 /mm	钢绳施加应力 /kN	钢绞线布置方式
L-1	C30	1.7	0.57	0	0	0	U形非闭合
L-2	C30	1.7	0.57	0	100	1	U形非闭合
L-3	C30	1.7	0.57	0.2	100	1	U形非闭合
L-4	C30	1.7	0.57	0.4	100	1	U形非闭合
L-5	C30	1.7	0.57	0.6	100	1	U形非闭合

1.2 绕丝加固方案

　　该试验采用直径为4mm的钢绞线作为体外预应力加固材料。钢绞线截面面积为12.56mm²,经过实测,其弹性模量为1.1×10⁵MPa,抗拉强度标准值为1 731.4MPa,抗拉强度设计值为1 328MPa。由于选用的钢绞线截面大小适中,形态柔软,便于缠绕,因此,试验梁体外约束采用非闭合U形约束。具体操作步骤为:首先用夹板夹具固定钢绞线一端,钢绞线穿过钢板,环绕梁截面至另一端,最后用夹具将另一端固定。绕丝间距控制在100mm。在绕丝加固之前还要做好试件表面打磨,白灰粉刷,画控制线格。钢绞线采用预紧,钢绞线预加应力控制在1kN,使钢绞线与混凝土表面严密贴合。加固过程中用到了扭矩扳手,扭矩扳手加固见图3。

　　图3 扭矩扳手加固图

1.3 试验加载

　　试验加载在500t液压伺服长柱试验机上进行,应变采集装置选用静态数据采集仪TDS-303。试验时,基准梁以0.1N_u(N_u为预估的极限荷载)预加载3次,主要是检查应变片和位移计是否正常工作,同时调整试验梁的对中。然后以1kN/s的速度开始加载,每10kN持荷3min,60kN以后每10kN持荷5min。主要是为了方便观察裂缝,接近峰值荷载时转为位移控制0.2mm/min,直至破坏。试验梁的加载方案前期和基准梁一样,直到出现目标裂缝时停止加载,进行加固。然后再进行预加载,再以1kN/s的速度进行正式加载,接近峰值时变为0.2mm/min的位移速度加载,直至破坏。试验时用采集仪采集混凝土、纵筋、箍筋应变量,位移计时刻记录位移变化,同时观察记录试验梁的破坏形态和破坏过程。应变数据采集装置见图4,试验加载装置见图5,位移计位置示意见图6,试验加载示意见图7。

　　图4 应变数据采集装置图

　　图5 试验加载装置图

　　图6 位移计位置示意图

　　图7 试验加载示意图

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及破坏特征

　　在试验过程中,基准梁与试验梁表现出了两种破坏形式,由图8可知:

　　 (1)剪压破坏(试件L-1,L-2,L-3,L-4),如图8(a)～(d)所示,试验初期,由于未达到构件开裂荷载,试件变化不明显。当荷载达到40～50kN时,在RC梁剪跨段出现了多条斜裂缝,但裂缝发展缓慢。随着荷载增加,斜裂缝逐渐增大且形成一条主裂缝。当荷载接近极限荷载时,斜裂缝顶端的混凝土在各向应力作用下被压碎,斜裂缝延伸到加载板下,该破坏形式发展平缓。破坏过程中由于钢绞线的作用,试件跨中挠度下降缓慢。基准梁与试验梁在破坏形式上基本一致。主要区别是试验梁开裂荷载及极限荷载相对于基准梁都有提升,在相同荷载下试验梁的裂缝宽度、箍筋应变、挠度变化发展的都比较平缓。

　　 试验梁开裂荷载及极限承载能力对比表2

试件编号	预压目标裂缝承载力/kN	实测极限承载力/kN	实测目标裂缝承载力/kN	实测比预压目标裂缝荷载提高幅度/%	实测极限承载力/kN	实测比预压目标极限承载力提高幅度/%
L-1	51	92	—	—	—	—
L-2	56	105	—	9.81	—	14.13
L-3	61	—	80	27.86	100	8.69
L-4	65	—	78	20.01	96	4.34
L-5	67	—	74	10.44	88	-4.34

　　图8 试验梁破坏形态

　　 (2)弯曲破坏(试件L-5),如图8(e)所示,加载初期,当荷载达到40～50kN时,RC梁跨中出现多条弯曲裂缝。随着荷载的持续增加,试验梁剪跨段主裂缝出现。由于加固梁损伤严重及钢绞线预应力作用,使得受剪承载力大于受弯承载力。斜向裂缝在形成后基本没有发展,跨中竖向裂缝发展较快。试验后期跨中纵筋屈服,跨中混凝土被压碎,属于典型的弯曲破坏。

2.2 试验梁的抗裂性能

　　在试验荷载的作用下,基准梁与试验梁数据对比情况见表2。由表2可以看出,基准梁极限承载力为92kN。当设定的裂缝宽度为0mm时,试验梁(试件L-2)极限承载力为105kN,相对于基准梁承载力提高了14.13%;当设定的裂缝宽度为0.2mm时,试验梁(试件L-3)实测极限承载力为100kN,相对于基准梁预压目标极限承载力提高了8.69%;当设定的裂缝宽度为0.4mm时,试验梁(试件L-4)实测极限承载力为96kN,相对于基准梁预压目标极限承载力提高了4.34%;当设定的裂缝宽度为0.6mm时,试验梁(试件L-5)实测极限承载力为88kN,相对于基准梁预压目标极限承载力下降了4.34%。由试验数据可以看出,受损程度较轻的试验梁与基准梁相比极限承载力有所提高。对比不同损伤试验梁发现,损伤程度越严重,承载力提高的就越不明显。损伤程度严重的试验梁由于受损过于严重,加固后承载力反而下降。

2.3 荷载-挠度关系

　　试验梁荷载-挠度(P-Δ)曲线如图9所示。由图9可以看出,试验的挠度变化大致可以分成以下三个阶段:

　　 (1)弹性阶段。在此阶段中,跨中荷载-挠度曲线大致呈线性增长,基准梁与试验梁位移曲线基本重合,且增长缓慢。该阶段表明,绕丝加固不能明显提高梁的抗弯刚度。

　　 (2)弹塑性阶段。在此阶段中,随着荷载的增加,裂缝的宽度不断发展,导致跨中挠度相对弹性阶段变快,且呈非线性增加。由于试验梁的受损程度不同,导致受损程度严重的试验梁挠度在该阶段变化更快。不过,由于预应力钢绞线的约束作用,试验梁相对于基准梁的裂缝发展慢,钢绞线承担了一部分剪力。因此,可以看出,相对于基准梁,试验梁的承载力得到了提升。

　　 (3)破坏阶段。在此阶段中,由于箍筋屈服后,导致试验梁曲线有明显转折。梁上裂缝快速增加,跨中挠度发展变快,混凝土受压被压碎。且最大主裂缝贯通梁高,基准梁在箍筋达到屈服后挠度变化不大,试验梁在箍筋屈服后挠度增加变快。受损程度较严重的试件L-5,由于加固前试验梁受损比较严重,混凝土的抗弯性能已有破坏,所以当箍筋屈服后,受损程度较重的试件L-5要比受损程度较轻的试验梁挠度变化快,此时基准梁承载力下降快速,而试验梁的承载力随着荷载的增加下降缓慢。由以上现象可以看出,绕丝加固明显提高了试件的延性。

　　图9 试验梁荷载-挠度曲线

2.4 箍筋应变分析

　　试验梁箍筋荷载-应变曲线见图10。由图10可知,在试验梁斜裂缝出现前,基准梁与试验梁的箍筋应变很小,这充分说明在斜裂缝出现前,箍筋及体外约束的作用不大。但当剪跨区出现斜裂缝以后,与斜裂缝相交的箍筋应力突然增大,起到抵抗梁剪切破坏的作用。在斜裂缝出现后,由于体外钢绞线的作用,使得试验梁的箍筋应变明显小于基准梁,有效地限制了斜裂缝的发展,延迟了体内箍筋的屈服。在该阶段,受损程度严重的试件L-5要比受损程度较轻的试验梁应变要大。由此可知,绕丝加固提高了试验梁的抗剪能力。另外,就基准梁与试验梁箍筋的屈服荷载来看,试验梁的箍筋屈服荷载大于基准梁箍筋的屈服荷载。

　　图10 试验梁箍筋荷载-应变曲线

3 损伤加固受剪承载力计算

　　对试验结果进行分析,当剪跨比大于0.5时,梁的拱作用逐渐减小。考虑到试验梁的剪跨比较大,故可忽略拱作用。因此,选用桁架模型进行钢筋混凝土梁受剪承载力计算,现做以下假定:1)满足混凝土规范规定的受弯构件斜截面承载力计算假定;2)忽略混凝土、钢绞线及钢筋之间的应力损耗;3)钢绞线只承受拉力,钢绞线与混凝土接触良好。

　　根据基本假定和桁架模型基本原理,受损加固梁的受剪承载力计算公式如下:

　　 $V = V_{c s} + V_{w} (1)$ $V = V_{c s} + V_{w} (1)$

　　式中:V为RC梁的受剪承载力;V_cs为按混凝土规范计算RC梁的斜截面承载力计算值;V_w为钢绞线提供的剪力。

　　其中,V_w可按下列公式进行计算:

　　 $V_{w} = φ_{1} φ_{2} \frac{A_{s w} f_{w}}{L_{w}} h (2)$ $V_{w} = φ_{1} φ_{2} \frac{A_{s w} f_{w}}{L_{w}} h (2)$

　　式中:A_sw为钢绞线全截面面积;f_w为钢绞线抗拉强度;L_w为钢绞线布置间距;h为深高;φ₁为钢绞线端部锚固质量折减系数,试验中钢绞线紧绷,锚固质量良好,故φ₁取1;φ₂具体求法按下列公式:

　　 $φ_{2} = 1.2 \times 10^{- 4} (\frac{V_{w^{'}}}{S_{l}}) - 0.7 \times 10^{- 4} (3)$ $φ_{2} = 1.2 \times 10^{- 4} (\frac{V_{w^{'}}}{S_{l}}) - 0.7 \times 10^{- 4} (3)$

　　式中:V_w′为钢绞线预加应力;S_l为加固梁受损程度。

　　因式(1)是按剪跨比大于0.5,忽略拱作用建立的,故对剪跨比小于0.5的情况不适用。试验结果与计算结果进行对比,如表3所示。结果表明,计算结果与试验结果基本吻合。

　　 计算结果与试验结果对比表3

试件编号	预加应力 /kN	损伤程度 (裂缝宽度)/mm	实测荷载 /kN	计算荷载 /kN	$\frac{实测荷载}{计算荷载}$ $\frac{实测荷载}{计算荷载}$
L-2	1	0	105	104	1.01
L-3	1	0.2	100	102	0.98
L-4	1	0.4	96	95	1.01
L-5	1	0.6	88	88	1.00

4 结论

　　 (1)采用非闭合预应力钢绞线体外加固,可以有效抑制RC梁斜裂缝的发展,改善加固梁的裂缝分布,提高抗剪承载力。

　　 (2)预应力钢绞线加固未受损梁与基准梁相比,挠度、箍筋应变均有显著减小,表现出了较好的延性。

　　 (3)对于受损程度不同的加固梁,当构件受损程度越严重,损伤加固梁的抗剪承载力就越低。

　　 (4)根据试验结果及理论分析,推导了绕丝加固受损RC梁的计算公式,与试验结果吻合良好,可为实际加固工程提供参考依据。

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Experimental study on shear performance of damaged beams strengthened by prestressed steel strands

SI Jianhui ZHANG Wang

(School of Civil Engineering and Architecture, Xi′an University of Technology)

Abstract: Five sets of tests were carried out on the study of wire winding reinforcement test of damaged reinforced concrete(RC) beams,of which the first group was undamaged and unreinforced beams, the second group was undamaged reinforced beams, and the remaining three groups were damaged reinforced beams. The crack width was selected as the damage indicator. Through the analysis of the test results of the failure mode, load-deflection curve and stirrup strain of the test specimen, the influence of the damage degree of the RC beam on the shear capacity and deformation capacity was studied. The results of the study show that the undamaged and unreinforced beams have improved their shear bearing capacity after being wound with wire. It can be seen from the comparison between the damaged specimens that when the prestressing of the steel strands is the same, the shear bearing capacity of the reinforced beam decreases with the increase of the degree of damage. The reinforcement of prestressed steel strands can effectively inhibit the development of diagonal cracks of reinforced concrete beams, improve the failure form of reinforced beams, and have a significant effect on the ductility and bearing capacity of beams.

Keywords: wire winding reinforcement; shear capacity; prestressed steel strand; ductility

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