杜運(yùn)興,邵喜誠(chéng),周芬
(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙,410082;2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙,410082)
織物增強(qiáng)混凝土(textile reinforced concrete,TRC)是由高性能纖維編織物與細(xì)骨料混凝土結(jié)合而成的一種新型復(fù)合材料。TRC具有許多優(yōu)良的性能,如強(qiáng)度高、質(zhì)量小、耐腐蝕等[1-4];另外,TRC材料用于結(jié)構(gòu)加固時(shí),可以很好地克服FRP材料在低溫、潮濕條件下難以施工的問(wèn)題。這些優(yōu)良性能使其可以用來(lái)加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)[5-9]。目前,TRC材料加固混凝土構(gòu)件多為層鋪法施工。所謂層鋪法施工,即首先在處理好的黏貼表面平鋪一層砂漿,然后,在砂漿上平鋪一層纖維織物并輕輕按壓(若有多層纖維織物,則重復(fù)這2步即可),最后再平鋪一層砂漿覆蓋。這種施工方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需模板且易操作。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)這種方法加固混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,如:荀勇等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了TRC薄板加固RC梁的受彎性能,發(fā)現(xiàn)TRC薄板加固可以有效地提高梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載,但當(dāng)配網(wǎng)率較高時(shí),加固梁承載力由薄板和老混凝土之間的脫黏情況決定。OMBRES[11-12]通過(guò)試驗(yàn)分析了FRCM加固混凝土梁的剝離情況,發(fā)現(xiàn)加固后的混凝土梁在端部和跨中裂縫處發(fā)生剝離破壞。剝離破壞發(fā)生時(shí),織物較完整,表明織物的強(qiáng)度沒(méi)有得到充分利用。為了充分利用織物的強(qiáng)度,先將TRC材料預(yù)制成板材,再將TRC板材應(yīng)用于加固構(gòu)件。在預(yù)制過(guò)程中,對(duì)織物施加預(yù)拉力使織物在TRC板中處于平直狀態(tài),這樣既能解決層鋪法施工中織物不平直的問(wèn)題,又能使織物的一部分強(qiáng)度在放張后儲(chǔ)備于混凝土基材中。DU等[13-14]發(fā)現(xiàn),在TRC板制作時(shí)摻入一定體積分?jǐn)?shù)的短切鋼纖維可以改善織物與基體混凝土之間的界面黏結(jié)性能,使TRC薄板的破壞形式由剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭椢锢瓟唷A硗?,?duì)織物施加預(yù)拉力可以明顯提高TRC板件的開(kāi)裂荷載。雖然預(yù)應(yīng)力TRC板材可以較好地增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能[15-17],但大多為1次加固。而在實(shí)際工程中,混凝土構(gòu)件多為帶裂縫工作,加固后其2次受力,因此,研究預(yù)應(yīng)力TRC板加固受損混凝土構(gòu)件具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究持載作用下用預(yù)應(yīng)力碳纖維織物增強(qiáng)混凝土(carbon-textile reinforced concrete,簡(jiǎn)稱CTRC)板加固RC梁的抗彎性能。根據(jù)RC梁的持載水平建立研究工況。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)梁的撓度、應(yīng)變及外部荷載,并記錄試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展,分析試驗(yàn)梁的延性、開(kāi)裂模式及破壞模式。
本試驗(yàn)分成3個(gè)工況,所有工況RC梁的尺寸與配筋的一致,見(jiàn)圖1。3個(gè)工況包括1個(gè)參考工況和2個(gè)對(duì)比工況,參考工況測(cè)試對(duì)象是未加固的鋼筋混凝土梁,對(duì)比工況的測(cè)試對(duì)象為不同持載水平下加固的梁。對(duì)于不同持載水平的加固梁,通過(guò)對(duì)比工況的鋼筋混凝土梁達(dá)到預(yù)定的持載水平進(jìn)行加固。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1,其中,編號(hào)中字母和數(shù)字的含義如下:S表示持載加固,R表示參考,B表示鋼筋混凝土梁,數(shù)字表示對(duì)比工況編號(hào)。
圖1 試件尺寸及配筋圖Fig.1 Design details of RC beams
混凝土試塊采用的是圓柱體試件,其高度為300 mm,底面直徑為150 mm。將試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d,測(cè)得混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為30.6 MPa??v筋選用直徑為10 mm等級(jí)為HRB400的熱軋帶肋鋼筋,平均屈服強(qiáng)度為488 MPa,平均抗拉強(qiáng)度為651 MPa。采用環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)碳纖維織物進(jìn)行浸膠處理。使用游標(biāo)卡尺對(duì)刷膠后的碳纖維織物厚度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得平均厚度為2.0 mm。碳纖維織物涂刷膠后的對(duì)照見(jiàn)圖2。碳纖維織物經(jīng)向纖維束涂刷膠后的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。加固持載梁使用的黏接劑與制作預(yù)應(yīng)力CTRC板的高性能水泥基相同。高性能水泥基的28 d抗折強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別為12.3 MPa和76.7 MPa。在預(yù)應(yīng)力CTRC板中摻入一定的鋼纖維,鋼纖維的長(zhǎng)度為14~ 16 mm,直徑為0.2 mm,密度為7.85 g/cm3,其力學(xué)性能見(jiàn)表2。
圖2 浸膠后的碳纖維織物Fig.2 Impregnated carbon fiber textile
預(yù)應(yīng)力CTRC板的制作通過(guò)1個(gè)預(yù)應(yīng)力張拉裝置完成,該裝置內(nèi)有澆筑板材的模具。首先裁剪寬度約為140 mm浸膠處理后的碳纖維織物,然后在碳纖維束指定位置上黏貼應(yīng)變片,并對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行防水保護(hù)。將碳纖維織物固定于張拉裝置中,并對(duì)其進(jìn)行預(yù)張拉,經(jīng)過(guò)多次補(bǔ)張拉后,使碳纖維織物的預(yù)拉力水平維持在5.6 kN左右。然后,分2層澆筑高性能水泥基。澆筑完第1層后,在織物網(wǎng)格中插入體積分?jǐn)?shù)為1%的短切鋼纖維,繼續(xù)澆筑第2層,最后進(jìn)行振搗。初步硬化后,覆蓋濕毛巾,灑水養(yǎng)護(hù),7 d后將預(yù)應(yīng)力CTRC板從張拉裝置上取出,并移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi),養(yǎng)護(hù)28 d。經(jīng)測(cè)量,預(yù)應(yīng)力CTRC板的平均厚度約為16 mm。
表2 纖維織物與鋼纖維的性能參數(shù)Table 2 Properties of carbon fibre textile and steel fibre
預(yù)應(yīng)力CTRC板加固鋼筋混凝土梁包含3步:1)對(duì)黏貼面進(jìn)行處理,磨去鋼筋混凝土梁黏貼面的浮漿層,鑿糙混凝土黏貼面,并在預(yù)應(yīng)力CTRC板的黏帖表面刻出斜痕,最后用清水沖洗干凈;2)按工況要求將鋼筋混凝土梁加載到預(yù)定的持載水平,然后采用高性能水泥基將預(yù)應(yīng)力CTRC板黏帖在混凝土梁的受拉面,黏結(jié)層厚度為4~5 mm;3)為了防止預(yù)應(yīng)力CTRC板端部發(fā)生剝離破壞,在CTRC板的端部對(duì)其進(jìn)行錨固。在黏結(jié)層的水泥基材料養(yǎng)護(hù)3 d后,將錨固區(qū)的直角打磨成圓弧角,采用寬為50 mm、長(zhǎng)為900 mm的單向碳纖維布,用環(huán)氧樹(shù)脂膠在混凝土梁的剪彎段形成環(huán)形箍,如圖3所示。
試驗(yàn)采用機(jī)械式千斤頂加載,力傳感器布置在千斤頂與反力架之間。在支座處梁頂、跨中梁底及加載點(diǎn)梁底位置布置5個(gè)位移計(jì),另外在跨中梁頂位置布置1個(gè)位移計(jì)備用,以測(cè)量跨中位移。在跨中梁底2根縱筋的跨中位置各布置1個(gè)應(yīng)變片,以監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中縱筋跨中位置的應(yīng)變變化。1個(gè)混凝土應(yīng)變片布置在跨中梁頂面。在預(yù)應(yīng)力CTRC最外層碳纖維織物的同一根纖維束上均勻布置5個(gè)應(yīng)變片,且均位于梁的純彎段,跨中位置平行纖維束上增加布置1個(gè)應(yīng)變片。具體位置分布見(jiàn)圖3。
荷載-跨中撓度曲線反映了各工況試驗(yàn)梁的變形與荷載的關(guān)系,反映了持載梁的加載歷程。以S-B-1工況加固梁為例,試驗(yàn)梁加載歷程見(jiàn)圖4,其中,圖4(a)所示為試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線。圖4(a)中,OA段表示加固梁的預(yù)加載過(guò)程,A點(diǎn)對(duì)應(yīng)持載水平;AB段由示持載過(guò)程,同時(shí)加固也在這一過(guò)程完成;BE段為持載梁加固后的加載過(guò)程。BE段可以近似視3段折線組成,折線的端點(diǎn)分別為C,D和E點(diǎn),各轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載分別用FC,F(xiàn)D和FE表示。與S-B-1工況加固梁略不同的是,S-B-2工況加固梁的BE段近似視為2段折線,折線端點(diǎn)分別為C點(diǎn)和E點(diǎn)。R-B工況參考梁沒(méi)有預(yù)加載過(guò)程,它的荷載-跨中撓度曲線也近似地分成3段,折線的端點(diǎn)分別為C,D和E點(diǎn),如圖4(b)所示。所有工況試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線如圖5所示,這些荷載及其對(duì)應(yīng)的撓度見(jiàn)表3。
圖3 端部錨固示意圖及測(cè)試元件布置圖Fig.3 Layout of end anchor and test component
圖4 試驗(yàn)梁加載歷程Fig.4 Loading procedure diagrams of test beam
圖5 荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-middle span deflection curves
對(duì)于R-B工況參考梁,當(dāng)荷載達(dá)到FC時(shí),梁上出現(xiàn)第1條豎向裂縫,荷載-跨中撓度曲線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。裂縫位置如圖6(a)所示。由于該條裂縫處的鋼筋上并未布置應(yīng)變片,故并未監(jiān)測(cè)到鋼筋的應(yīng)變變化情況。圖6中圓圈標(biāo)注了應(yīng)變片所在位置,方框標(biāo)注了突然出現(xiàn)的混凝土裂縫。
對(duì)于S-B-1工況加固梁,當(dāng)荷載達(dá)到FC時(shí),梁內(nèi)混凝土突然出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致荷載-跨中撓度曲線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),此時(shí),S-B-1工況加固梁的梁內(nèi)混凝土裂縫并未出現(xiàn)在跨中位置,故并未記錄到對(duì)應(yīng)位置鋼筋應(yīng)變的變化,該梁內(nèi)混凝土裂縫位置見(jiàn)圖6(b)。當(dāng)荷載達(dá)到FC的下一級(jí)荷載時(shí),荷載-鋼筋應(yīng)變曲線出現(xiàn)突變的直線段,見(jiàn)圖7(a)。這是由于加固梁的跨中位置突然出現(xiàn)了1條梁內(nèi)混凝土裂縫,見(jiàn)圖6(c)。該工況加固梁的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線突變段末端對(duì)應(yīng)的鋼筋應(yīng)變?yōu)?84με。由于梁內(nèi)縱筋的應(yīng)變遠(yuǎn)未達(dá)到鋼筋的屈服應(yīng)變2 440με,表明試驗(yàn)梁未達(dá)到屈服。與鋼筋應(yīng)變發(fā)展類似,S-B-1工況加固梁的荷載-纖維應(yīng)變曲線也相應(yīng)出現(xiàn)了一水平段,見(jiàn)圖7(b)。這是由于試驗(yàn)梁受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫后,原來(lái)由受拉區(qū)混凝土承擔(dān)的正應(yīng)力分別被鋼筋和纖維承擔(dān),使得鋼筋、纖維織物在外荷載基本不變的情況下拉應(yīng)力突然增加,因而,這2種材料的應(yīng)變也相應(yīng)增大。
對(duì)于S-B-2工況加固梁,當(dāng)荷載達(dá)到FC時(shí),在加固前已存在的裂縫位置對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力CTRC板上產(chǎn)生裂縫,荷載-跨中撓度曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn),這是由于預(yù)應(yīng)力CTRC板上出現(xiàn)裂縫后降低了加固梁的剛度。
對(duì)于R-B工況參考梁及S-B-1工況加固梁,荷載-跨中撓度曲線在D點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是受拉鋼筋達(dá)到了屈服。當(dāng)荷載達(dá)到FD時(shí),受拉鋼筋應(yīng)變分別為2 616με和2 753με。這些應(yīng)變均超過(guò)鋼筋的屈服應(yīng)變,表明鋼筋已經(jīng)進(jìn)入屈服階段。S-B-2工況加固梁的荷載-跨中撓度曲線不存在D點(diǎn),將CE段視為一直線段,這是由于這2種工況加固梁在加固前鋼筋已經(jīng)進(jìn)入屈服階段,加固后影響荷載跨中-撓度曲線走勢(shì)的為預(yù)應(yīng)力CTRC復(fù)合板。
表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results
圖6 裂縫與應(yīng)變片相對(duì)位置Fig.6 Relative locations of crack and strain gauge
圖7 跨中位置荷載-應(yīng)變曲線Fig.7 Load-strain curves in mid-span
荷載-跨中撓度曲線圖中E點(diǎn)對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)梁發(fā)生破壞。E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載表示試驗(yàn)梁的極限荷載。與參考梁R-B相比,加固梁的極限荷載均大幅度提高且比較接近,S-B-1與S-B-2工況加固梁的極限荷載分別提高69.9%和75.4%。
正常使用極限狀態(tài)荷載是指對(duì)應(yīng)于混凝土梁撓度限值的荷載。依據(jù)“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”[18],試驗(yàn)梁的撓度限值為跨度的1/200。本文試驗(yàn)梁的跨度均為2 200 mm,即正常使用極限狀態(tài)荷載對(duì)應(yīng)的撓度為11 mm。根據(jù)這一撓度確定試驗(yàn)梁的正常使用極限狀態(tài)荷載,見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn):與R-B工況參考梁相比,各對(duì)比工況加固梁的正常使用極限狀態(tài)荷載均有較大提高,提高比例分別為57.1%和46.7%;加固梁的正常使用極限狀態(tài)荷載隨著持載水平提高略降低。這是因?yàn)楫?dāng)持載水平較高時(shí),持載時(shí)的撓度較大,加固后預(yù)應(yīng)力CTRC板尚未發(fā)揮較大的作用,加固梁的撓度便達(dá)到限值。從圖5可以看出:預(yù)應(yīng)力CTRC板加固后的持載梁其荷載-撓度曲線均趨近于線性段,曲線斜率增加,但依然低于試驗(yàn)梁開(kāi)裂前的斜率;加固后梁的剛度提高,使得加固梁的正常使用極限狀態(tài)荷載提高。
構(gòu)件的延性是指構(gòu)件進(jìn)入非線性狀態(tài)后,在承載能力沒(méi)有顯著降低情況下承受變形的能力[19]。延性系數(shù)為極限荷載對(duì)應(yīng)的撓度與開(kāi)裂荷載對(duì)應(yīng)的撓度的比值。對(duì)于加固工況,相應(yīng)撓度均應(yīng)該減去持載時(shí)梁的撓度。試驗(yàn)梁的撓度及延性系數(shù)見(jiàn)表4。由表4可知:加固梁的延性隨持載水平增大而下降,且加固梁的延性均低于參考梁的延性。
表4 撓度及延性系數(shù)Table 4 Deflections and ductility coefficients
在各對(duì)比工況下,加固梁的跨中鋼筋應(yīng)變和跨中纖維應(yīng)變的對(duì)比見(jiàn)圖8。從圖8可見(jiàn):
1)S-B-1工況加固梁的應(yīng)變曲線在出現(xiàn)水平段之前,鋼筋應(yīng)變和纖維應(yīng)變較接近,在鋼筋進(jìn)入屈服階段后,纖維應(yīng)變隨荷載增加而增大得更快,梁截面增加的正應(yīng)力主要由纖維承擔(dān)。這說(shuō)明當(dāng)持載水平低時(shí),纖維在加固梁受荷后期發(fā)揮承擔(dān)正應(yīng)力的作用更大。
2)S-B-2工況加固梁與鋼筋搭配相比,其纖維應(yīng)變存在較大的滯后。由于用預(yù)應(yīng)力CTRC板加固前梁內(nèi)受力縱筋已進(jìn)入屈服狀態(tài),加固后梁截面增加的正應(yīng)力主要由纖維承擔(dān),這說(shuō)明持載梁在加固后的受荷初期纖維即發(fā)揮著較大承擔(dān)正應(yīng)力的作用。
試驗(yàn)梁的裂縫形態(tài)圖見(jiàn)圖9。圖9中,初次加載時(shí)的裂縫用黑色線條標(biāo)記,再次加載時(shí)的裂縫改用紅色線條標(biāo)記。
圖9 裂縫形態(tài)Fig.9 Cracks patterns
R-B工況參考梁在荷載達(dá)到FC時(shí),出現(xiàn)第1條裂縫;隨著荷載增大,裂縫不斷增多,之后鋼筋屈服,最后,梁因受壓區(qū)混凝土壓碎而破壞。因此,參考梁的破壞為典型的適筋梁破壞。
對(duì)于S-B-1工況加固梁,預(yù)應(yīng)力CTRC板內(nèi)的首條裂縫出現(xiàn)在加固前混凝土梁的開(kāi)裂位置。隨后,在加固梁的純彎段內(nèi)預(yù)應(yīng)力CTRC板內(nèi)出現(xiàn)第2條豎向裂縫。當(dāng)荷載增加到FC時(shí),這條板內(nèi)裂縫向鋼筋混凝土梁內(nèi)發(fā)展。S-B-1工況加固梁的FC比參考梁的開(kāi)裂荷載提高80.2%。這說(shuō)明預(yù)應(yīng)力CTRC板的存在可以有效地延緩加固梁內(nèi)第1條混凝土裂縫出現(xiàn)。隨著荷載不斷增大,貫穿板的梁內(nèi)裂縫和板內(nèi)裂縫不斷增加。在板內(nèi)形成細(xì)而密的豎向裂縫,預(yù)應(yīng)力CTRC板本身表現(xiàn)出多縫開(kāi)裂的特性[13],且裂縫出現(xiàn)的位置在純彎段。最終預(yù)應(yīng)力CTRC板在純彎段發(fā)生斷裂且斷裂位置與加固前梁內(nèi)存在的裂縫位置無(wú)關(guān)。
S-B-2工況加固梁在加固前純彎段混凝土主裂縫已經(jīng)形成。預(yù)應(yīng)力CTRC板內(nèi)裂縫先出現(xiàn)在加固前梁的主裂縫位置,隨著荷載不斷增大,板內(nèi)裂縫與梁內(nèi)主裂縫貫通,該主裂縫高度進(jìn)一步發(fā)展,同時(shí),在板內(nèi)形成細(xì)而密的豎向裂縫。最終預(yù)應(yīng)力CTRC板在加固前梁內(nèi)存在的主受彎裂縫位置發(fā)生斷裂。
所有加固梁均因預(yù)應(yīng)力CTRC板斷裂而發(fā)生破壞,這表明預(yù)應(yīng)力CTRC板內(nèi)纖維強(qiáng)度得到了充分利用。當(dāng)預(yù)應(yīng)力CTRC板斷裂時(shí),板材的黏貼面黏連了大量原混凝土梁上的混凝土,這說(shuō)明本研究中預(yù)應(yīng)力CTRC板與混凝土梁之間的黏結(jié)是可靠的。預(yù)應(yīng)力CTRC板斷裂后,繼續(xù)對(duì)加固梁加載,最后梁頂混凝土都被壓碎。
鋼筋混凝土梁開(kāi)裂后,裂縫處的鋼筋拉應(yīng)變不斷增加,裂縫寬度也隨之增加。各工況梁的裂縫寬度隨荷載的變化曲線見(jiàn)圖10。由圖10可知:所有試驗(yàn)梁的裂縫寬度隨荷載的增大而增大,且加固梁對(duì)應(yīng)的曲線均比參考梁對(duì)應(yīng)的曲線平緩;在相同荷載下,加固梁的裂縫寬度明顯小于參考梁的裂縫寬度,這說(shuō)明不同持載水平的RC梁在預(yù)應(yīng)力CTRC板加固后均可提高對(duì)裂縫寬度發(fā)展的抑制能力。但對(duì)于不同持載水平的加固梁,預(yù)應(yīng)力CTRC板對(duì)裂縫寬度的抑制能力基本相同。
圖10 裂縫寬度-荷載曲線Fig.10 Crack width-load curves
1)在持載作用下,用預(yù)應(yīng)力CTRC板加固鋼筋混凝土梁可以明顯提高正常使用極限狀態(tài)荷載和極限承載力,且正常使用極限狀態(tài)荷載與極限承載力隨著持載水平的提高而變化不大。與參考梁相比,加固梁的正常使用極限狀態(tài)荷載與極限承載力提高幅度分別為46.7%~57.1%和69.9%~75.4%。所有加固梁均因預(yù)應(yīng)力CTRC板斷裂而破壞。加固梁的延性隨持載水平的增加而下降,但均比參考梁的延性低。
2)加固梁的開(kāi)裂模式有一個(gè)共同點(diǎn),即預(yù)應(yīng)力CTRC板上的首條裂縫均出現(xiàn)在加固前梁的裂縫位置;當(dāng)持載水平較高時(shí),最終預(yù)應(yīng)力CTRC板斷裂的位置在加固前梁內(nèi)存在的主受彎裂縫位置;而當(dāng)持載水平較低時(shí),最終預(yù)應(yīng)力CTRC板的斷裂位置隨機(jī)出現(xiàn)在純彎段。
3)加固梁中的碳纖維織物在受荷初期發(fā)揮的作用隨著持載水平提高而逐漸增加,在梁內(nèi)受拉縱筋屈服后梁截面增加的拉應(yīng)力由纖維承擔(dān)。
4)采用預(yù)應(yīng)力CTRC板加固后,不同持載水平鋼的筋混凝土梁裂縫寬度均得到有效抑制,但持載水平不同的加固梁的預(yù)應(yīng)力CTRC板對(duì)裂縫寬度的抑制能力基本相同。