工程植筋技术自20世纪90年代引入我国后, 在建筑、路桥、采矿等工程领域中的各类结构加固、改造与工程维修中得到广泛应用^[1]。对于承受动荷载的工程结构, 例如吊车梁、桥梁等, 极容易在结构薄弱部位产生疲劳损伤发生失效破坏。植筋结构由于存在新旧混凝土结合部位和植入钢筋与混凝土的连接, 更容易引发结构疲劳损伤进而加剧结构的破坏进程。目前国内外关于植筋技术的研究在静载拉拔试验方面居多, 国内研究成果主要集中于《混凝土结构加固设计规范》 (GB 50367—2013) 中, 也缺少对防止植筋构件发生疲劳破坏方面的规定。植筋结构处于动荷载作用下其植入钢筋的受力状态与静载拉拔试验中的受力状态并不完全相同^[2]。相比其大量的工程实践而言, 植筋结构疲劳损伤影响其失效机理的研究明显滞后。

　　 为此, 本文就植筋技术对钢筋混凝土结构疲劳性能的影响问题进行试验研究, 研究成果可为建筑和桥梁等结构的植筋方案设计提供参考。

　　 本次试验共制作3组混凝土植筋梁试件, 每组2根, 其中1根进行疲劳试验, 另外1根进行静载试验以对照。试件采用C30混凝土, 按植筋工艺要求分两批浇筑, 混凝土力学性能见表1。纵向受拉钢筋、架立筋采用HRB400级钢筋, 箍筋采用HPB235级钢筋, 钢筋力学性能见表2。试件参数见表3, 试件尺寸及截面配筋如图1所示。

　　 本试验采用跨中集中力加载, 以梁的极限荷载为控制荷载, 综合3根静载试验梁的极限荷载取疲劳上限P_max=90k N, 考虑试验机的设备要求和试验的安全性, 取疲劳下限P_min=50k N。荷载上限和荷载下限均使梁为受压状态。疲劳试验采用交替施加静载和重复荷载, 首先静力加载至疲劳上限, 卸载后施加重复荷载。在重复加载到1, 10, 50, 100, 150万次时, 停机进行一个循环的静载试验。达到200万次后作静载破坏试验, 最后得到200万次疲劳加载后的极限荷载。本试验对混凝土、钢筋应变和试件挠度进行采集, 测点布置如图2所示。

　　 JB1梁加载至30k N时在新旧混凝土交界面出现第一条裂缝, 随后植筋搭接端头也出现竖向裂缝;加载至130k N时, 剪跨段出现斜裂缝, 并逐渐向荷载作用点延伸;继续加载, 植筋端头处裂缝变成主裂缝并一直向受压区发展, 最终贯穿整个梁高导致试件破坏, 测得极限荷载为180k N。JB2梁第一条裂缝出现在新旧混凝土交界面, 开裂荷载为35k N, 随后梁侧出现细小竖向裂缝并不断发展;加载至170k N时, 出现第一条斜裂缝, 其余竖向裂缝逐渐斜向延伸;随荷载继续增加, 植筋搭接段接近跨中截面裂缝发展为主裂缝, 最终极限荷载为270k N。JB3梁开裂荷载同JB2梁, 裂缝也出现在新旧混凝土交界面, 加载至70k N时, 钢筋搭接段出现竖向裂缝, 随荷载增加开始出现弯剪斜裂缝, 斜裂缝延伸250mm后开始竖向发展至贯穿梁全高, 纵筋屈服, 受压区混凝土被压碎, 呈塑性破坏, 测得极限荷载为330k N。裂缝宽度随植筋深度增加而扩大, 裂缝数量随植筋深度增加而增加。

　　 疲劳试验首次静力加载时, PB1, PB2, PB3梁开裂荷载及位置与JB1, JB2, JB3梁相同。3根疲劳试验梁在0次静力加载时在新旧混凝土交界面和跨中附近出现了比较多的竖向裂缝, 至50万次疲劳加载中上述位置裂缝继续发展并有新裂缝产生。之后50万次至200万次疲劳加载中试件并未出现明显裂缝发展。经过200万次疲劳加载后, 静力加载至破坏, PB1梁在植筋端头截面斜裂缝发展至梁高3/4, 搭接段底部混凝土剥落, 为脆性破坏, 极限荷载为190k N;PB2梁随荷载增加, 植筋端头附近出现横向或斜向受剪裂缝, 后期斜裂缝逐步发展并与竖向裂缝相交最终形成一个较大的裂缝, 测得极限荷载为260k N, 裂缝发展较PB1梁完全;PB3梁裂缝发展最慢, 竖向主裂缝出现在植筋端头附近, 破坏时极限荷载为324k N, 呈塑性破坏。利用公式M_cr=γ_mf_tW₀得到开裂弯矩为31.76k N·m, 并计算开裂荷载理论值, 与试验结果对比见表4。

　　 由试验结果可得植筋深度不超过20d时, 增加植筋深度可提高构件抗裂能力, 超过20d后增加植筋深度对开裂荷载影响不大, 但仍可提高构件极限承载力。在循环荷载幅值为40k N, 应力比为0.56时, 经200万次疲劳加载后, PB1, PB2, PB3梁承载力较静载试验分别下降了1.09%, 0.47%和1.88%, 说明本次试验条件下构件的极限承载力几乎不受疲劳加载影响。

　　 PB1, PB2, PB3梁开裂荷载仅占理论值的45.5%, 49.6%, 46.2%, 远小于理论值, 新旧混凝土交界面和植筋端头处是构件的薄弱部位, 施工时应谨慎处理。JB1, PB1梁植筋搭接深度最小, 在植筋端头处出现许多横向或斜向细小裂缝并最终形成一个较大的受剪裂缝, 导致破坏。JB2, JB3梁由于搭接段接近跨中位置形成竖向裂缝导致破坏。静载试验发现JB1~JB3梁破坏时主裂缝位置有从植筋端头移至搭接段中间的趋势。而PB2, PB3梁破坏时裂缝出现在植筋端头, 说明经疲劳加载, 植筋端头截面发展为薄弱部位。

　　 PB1~PB3梁经200万次疲劳加载后中和轴高度与静载试验相比变动范围在10%以下, 符合平截面假定, 说明疲劳加载对混凝土受压区高度影响不大。3根梁经预定次数疲劳加载后, 静力加载至破坏的结果如图3所示。图中纵坐标为无量纲M^t/M_u^t值, M^t为各级荷载下实测弯矩, M_u^t为破坏时极限弯矩;横坐标为挠度a_f实测值。

　　 图3中, PB1, PB2梁破坏过程未出现挠度急剧大幅度增长, 曲线缺少平滑段, 受拉钢筋均未达到屈服, 最后斜裂缝开展导致脆性破坏。PB3梁破坏过程与适筋梁受弯破坏类似, 出现三阶段破坏特征:第Ⅰ阶段挠度与荷载成线性关系, 构件未开裂, 第Ⅰ阶段结束时对应的荷载为35k N;第Ⅱ阶段始于构件开裂, 裂缝不断产生与开展, 挠度增长速率大于加载速率, 然后钢筋到达屈服强度, 第Ⅱ阶段结束时对应的荷载为310k N;进入第Ⅲ阶段荷载基本不变而挠度急剧增长, 构件破坏。开裂时实测弯矩与极限弯矩的比值:PB1梁最大, PB2梁次之, PB3梁最小, 可见随植筋深度增加, 破坏过程中钢筋应变发展更加完全, 构件塑性特征更加明显。

　　 不同植筋深度对植筋梁疲劳损伤影响可从试件的挠度-循环加载次数曲线中加以分析, 图4为PB1~PB3梁的挠度-循环加载次数曲线。荷载为疲劳加载上、下限时PB1~PB3梁的挠度-循环加载次数曲线如图5所示。

　　 从图4可看出前10万次循环加载的挠度随循环加载次数增长较快, 经50万次循环加载后曲线斜率逐渐减小, 趋于平缓。植筋深度最短的PB1梁挠度最大, 且50万次循环加载以后曲线斜率仍大于PB2, PB3梁, 说明植筋深度为15d时植筋、粘结剂和混凝土混合界面粘结性能不足, 易受疲劳荷载影响, 裂缝开展较快。疲劳加载会使试件挠度较静载作用下略有增长。随循环加载次数增加植筋深度为15d的试件挠度增长最快, 植筋深度为20d的次之, 植筋深度为25d的最慢。疲劳加载下试件挠度的变化速率与幅度能够反映疲劳损伤演化规律^[3,4], 由图5可知循环加载次数相同时, 植筋深度越大, 疲劳损伤影响越小。PB2, PB3梁在50~200万次循环加载中挠度增长占整个加载过程的18.5%和21.8%, 即疲劳加载对试件刚度降低的影响主要集中在前50万次, 与试验观测裂缝在前50万次循环加载过程中基本出齐, 之后裂缝发展不明显的现象相符。

　　 对于经预定次数循环加载未破坏的试件, 挠度与循环加载次数可近似为对数关系, 通过分析图4试验数据, 推定疲劳应力比为0.56, 加载频率为6Hz下植筋受弯试件的疲劳变形计算式为:

　　 式中:f_n为循环加载次数为N时的挠度, mm;N为疲劳循环加载次数, 万次;a, b, c为待定参数, 对3种植筋深度的植筋梁试验结果进行拟合, 得出待定参数, 具体值如表5所示。

　　 通过对比试验数据, PB1, PB2与PB3梁挠度之间的关系可用f_{1, 2}=A+Bf₃近似表示, 引入植筋深度相关系数α:α=L/d, 其中L为植筋锚固深度, 则

　　 代入式 (1) 可得不同锚固深度下植筋试件疲劳变形计算式:

　　 式中:α为植筋深度相关系数。

　　 通过式 (2) 计算结果与实测结果对比得出拟合优度, 证明式 (2) 拟合结果与试验数据较为符合, 但受试件数量限制, 仅给出一种试验条件下的变形计算式, 描述更多工况的植筋构件变形计算公式仍需进行大量试验及数值模拟加以验证。

　　 PB1~PB3梁经200万次疲劳循环加载后植筋应力如表6所示, 按照受弯构件中受拉钢筋应力计算公式σ=M/ (0.87h₀A_s) 得到应力的理论值。

　　 3根疲劳试件的植筋应力之所以出现一定幅度的下降, 是因为按照整浇梁计算理论值时受拉区钢筋按2根计算, 而实际植筋梁在搭接段共有4根受力钢筋, 见图1 (d) , 下降幅度不足50%的原因有胶筋界面滑移、植筋胶受力变形和疲劳累积损伤等, 各因素的具体影响范围和大小还需进一步研究判定。

　　 荷载为疲劳加载上、下限时PB1~PB3梁的应力-循环加载次数曲线如图6所示。

　　 根据应力-循环加载次数曲线, 采用对数函数进行拟合, 仿照前述方法可得不同锚固深度下植筋试件疲劳应力计算式:

　　 式中:σ_n为循环加载次数为N时的钢筋最大应力, N/mm²。

　　 通过比较拟合优度, 试验数据与计算结果较符合, 可初步得出疲劳应力与循环加载次数的关系。疲劳加载的应力比、加载位置等对植筋梁应力的影响还需进行大量试验进行总结。

　　 本文对3组不同植筋深度的植筋试件的疲劳试验结果进行分析, 得出以下结论:

　　 (1) 不同植筋深度的试件在疲劳加载中损伤过程相似, 植筋深度越小, 疲劳加载对试件变形、应力的不利影响越大。挠度和钢筋疲劳受拉应力结果均表明疲劳加载对植筋试件造成的损伤集中在前50万次循环加载。

　　 (2) 通过静载、疲劳破坏形态对比, 发现疲劳加载会使试件破坏形态发生改变, 疲劳加载使得植筋端头处成为新的薄弱位置。

　　 (3) 疲劳试验得出植筋深度达到25d时, 钢筋才会屈服, 试件发生塑性破坏, 大于根据静载试验得出的植筋深度需在15d这一建议值^[5]。