劉 寧 翁維素 馬晨陽 孫瀟涵 郭洪禮 潘宏賓

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國的建筑材料中占有很大的比重.但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又存在著一些因素致使結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生破壞，因此對于混凝土結(jié)構(gòu)的加固的研究很有必要.相較于傳統(tǒng)加固方法，噴射玻璃纖維聚合物具有高強輕質(zhì)且抗疲勞等許多優(yōu)點.[1]

分析國內(nèi)外對纖維加固鋼筋混凝土梁剛度的研究，發(fā)現(xiàn)，目前對于噴射短切玻璃纖維加固技術(shù)的研究大多是雙剪實驗下的界面粘結(jié)力研究[2]、構(gòu)件節(jié)點抗震性能的研究[3]以及砌體構(gòu)件的抗震性能[4]的研究.但是對于噴射GFRP聚合物加固鋼筋混凝土梁跨中撓度的影響還沒有研究.

本文針對噴射玻璃纖維聚合物加固鋼筋混凝土適筋梁的跨中撓度進行了試驗研究和理論研究.利用4根試驗梁和9根理論梁推導出了噴射GFRP聚合物對鋼筋混凝土梁跨中撓度影響的結(jié)論.得到了開裂前、開裂后，噴射GFRP聚合物對加固梁跨中撓度影響的具體結(jié)論.

1 試驗分析

1.1 構(gòu)件設(shè)計

試驗進行了4根鋼筋混凝土梁的抗彎實驗.簡支梁的尺寸為100 mm×200 mm×2200 mm,混凝土強度等級為C30(彈性模量Ec=3×104N/mm).噴射GFRP聚合物的厚度分別為3 mm、5 mm和7 mm，極限強度為150 MPa，彈性模量[5]為10 GPa，極限應變?yōu)?%;實測混凝土強度為14.4 MPa;鋼筋的實測屈服強度分別為302 MPa.具體加固方式和加固厚度如下圖.

圖1-1 試驗梁L1-0

圖1-2 底面加固試驗梁

表格1-1 各個試驗梁加固方式和加固厚度

1.2 加載方式

試驗通過手動式液壓千斤頂為試驗梁提供集中荷載，以分配梁傳力的方式隨梁進行三分點對稱分級加載.通過分配梁的作用，在試驗梁的中部形成一個長為一米的純彎段，具體見下如圖.

圖1-3 加載簡圖

采用單調(diào)分級加載機制，每次加載的時間間隔為10分鐘.在正式加載之間，對試驗梁進行預加載，具體采用分級荷載的前兩級進行預加載.當加載到開裂荷載計算值的90%之前，每級加載不大于開裂荷載的20%.達到90%之后每級荷載不大于開裂荷載的5%.在試件開裂后，每級取荷載值為承載力試驗荷載計算值的10%.當荷載加載到受力縱筋屈服后，按照跨中位移控制加載，加載的級距為鋼筋屈服工況對應的跨中位移.在玻璃纖維即將破壞之際，將儀表拆除，最后加載到破壞.

開裂荷載的實測值通過放大鏡觀測法進行確定，采用八倍的放大鏡觀察裂縫的出現(xiàn).觀察到裂縫出現(xiàn)時，選取前一級荷載作為開裂荷載的實測值.而在相應的荷載時間內(nèi)出現(xiàn)裂縫，則取兩級荷載的平均值作為開裂荷載的實測值.

特別注意的是，在分級加載中，每次加載后一定要靜停到規(guī)定時間，使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定，試驗梁變形趨于穩(wěn)定后再開始記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[6].

1.3 試驗結(jié)果分析

通過試驗得到下面的數(shù)據(jù)并整理成相應的圖表，具體如下：

表格1-2 試驗記錄的跨中荷載和撓度

在彈性階段中，各試驗梁的開裂荷載都集中在10 KN到12 KN之間.相應的撓度差別并不大，各梁撓度差值不超過0.5 mm.因此可知加固厚度和加固方式對簡支梁的開裂荷載影響不大.

加載到25 KN時，加固厚度為7 mm的試驗梁的跨中撓度僅為無加固梁跨中撓度的一半.加載到40 KN時，為比加固厚度3 mm的試驗梁的撓度減少21%.加載到50 KN時，比加固厚度5 mm試驗梁的跨中撓度減少13%.

圖1-4 試驗梁加固厚度對比圖

綜上所述，開裂前，加固厚度對試驗梁跨中撓度的影響不大.開裂后，在同一荷載下，加固厚度越厚，試驗梁的剛度越大，跨中撓度值越小.試驗梁的承載能力隨著加固厚度的增加也越來越大.

2 玻璃纖維對簡支梁抗彎撓度影響的理論分析

為了更為深刻的說明加固厚度對加固梁撓度影響的試驗結(jié)論，這里通過理論分析，將底面加固兩端錨固這種加固方式下加固梁的跨中撓度計算出來，從而進一步加深了加固厚度對于簡支梁抗彎撓度影響的研究.

本文通過對9根簡支梁的理論分析，研究了開裂前以及裂縫工作階段玻璃纖維對加固梁抗彎撓度的影響[7].鋼筋混凝土簡支梁的加固方式、梁長、截面形式、配筋率、混凝土標號等和試驗梁一樣，下面是各個簡支梁的加固厚度:

表格2-1 加固厚度

2.1 公式推理

2.1.1 開裂前計算公式

表格2-2 各種規(guī)范經(jīng)驗公式

上表為幾種規(guī)范中的經(jīng)驗公式，這里噴射GFRP復合材料加固梁的截面抗彎剛度可以通過材料力學進行計算，但是由于混凝土事實上在受拉區(qū)內(nèi)已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性.所以在實測抗彎剛度時，加固梁的跨中抗彎剛度相對于EcI0實際上是要更低的.因此實際計算要對其抗彎剛度進行適當折減，通過文獻研究取折減系數(shù)為0.85[8].最終得到噴射玻璃纖維復合材料加固鋼筋混凝土梁在開裂前階段的短期抗彎剛度表達公式為：

B=0.85EcI0

(2-1)

其中公式里的Ec為混凝土彈性模量，I0換算截面慣性矩.

2.1.2 裂縫工作階段加固梁剛度計算

圖2-1 加固梁跨中截面受力分析圖

通過上圖，由相應的受力以及應變關(guān)系可以計算得到下面的公式:

M=EsεsAsηh0+EsfεsfAsf(ηh0+as)

(2-2)

結(jié)合上式可以得到：

整理之后可以得到：

通過計算噴射玻璃纖維復合材料的等效鋼筋面積可以更加方便的計算出加固梁的抗彎剛度.計算出公式(2-4)，使用公式(2-4)的結(jié)果導算出公式(2-5).通過公式(2-5)得到在噴射玻璃纖維復合材料的影響下鋼筋的應力.在上述工作做完之后，便可以去探索計算噴射玻璃纖維復合物加固鋼筋混凝土的梁的抗彎剛度.從而推導出加固梁跨中撓度的計算方法.

為了推導加固梁在有裂縫工作階段撓度的計算方法.使用剛度解析方法[9].通過以上的分析以及文獻的參考，可以得到加固梁的短期抗彎剛度.由于試驗中使用的是矩形截面的鋼筋混凝土梁，因此計算出矩形截面的加固梁在裂縫工作階段下抗彎剛度的計算公式(2-6)-(2-8).最終經(jīng)過整理可以得到相應的矩形截面加固梁的抗彎剛度計算公式：

通過公式(2-8)特別注意在計算ρte時要加入噴射玻璃纖維復合材料的換算面積.其中具體的參數(shù)參考文獻[10]，定義如下：

Esf、Asf——噴射纖維截面面積與彈性模量

As、Es——鋼筋面積與彈性模量

εsf、εs——噴射纖維與鋼筋的拉應變

η——截面內(nèi)力臂系數(shù)

as——縱向受拉鋼筋合力點至截面受拉邊的距離

K——截面受壓區(qū)高度與截面有效高度的比值

A——噴射纖維換算的等效鋼筋面

B——加固梁的短期抗彎剛度

φ——縱向鋼筋應變不均勻系數(shù)

ρte——等效鋼筋配筋率

2.2 數(shù)據(jù)分析

按照最小剛度原則取加固梁剛度為跨中截面剛度，由材料力學方法計算加固梁跨中撓度，公式如下：

其中公式中參數(shù)M為噴射玻璃纖維復合材料加固梁的跨中彎矩；參數(shù)βf為撓度系數(shù)，由于試驗中采用的是三分點對稱加載的簡支梁受彎構(gòu)件，因此選取βf為23/216[11]；參數(shù)l0為噴射GFRP復合材料加固梁的計算跨度.

利用上述公式得到相應簡支梁的跨中撓度，具體如下：

表格2-3 理論推導計算的跨中荷載和撓度

圖2-2 理論梁撓度荷載曲線對比

分析圖表可以發(fā)現(xiàn)：(1)鋼筋混凝土梁在開裂前階段隨加固厚度的加大，跨中撓度的變化值并不是很明顯，這一現(xiàn)象和試驗一致，印證了試驗的相應結(jié)論.(2)鋼筋混凝土梁在裂縫工作階段，噴射玻璃纖維復合材料對于加固梁撓度的加固效果十分明顯.加載到33 KN時，加固厚度7 mm僅為加固厚度1 mm簡支梁跨中撓度的64%.加載到40 KN時，跨中撓度比3 mm加固厚度的梁少了27%.相較于其他各梁，跨中撓度都有不同程度的減少.(3)不過和8 mm、9 mm加固厚度的簡支梁比較，跨中撓度值相差不大.

3 結(jié) 論

利用試驗和理論分析，得到下面的結(jié)論：

(1)噴射玻璃纖維復合材料可以有效降低鋼筋混凝土梁的跨中撓度，提高簡支梁的抗彎剛度.

(2)簡支梁開裂前，加固梁的跨中撓度幾乎不受噴射GFRP聚合物厚度的影響.

(3)加固厚度在9 mm內(nèi)，在同一荷載時，加固厚度越大，簡支梁的跨中撓度值越小，抗彎剛度越大.加載到33 KN時，加固厚度7 mm僅為加固厚度1 mm簡支梁跨中撓度的64%.加載到40 KN時，跨中撓度比3 mm加固厚度的梁少了27%.相較于其他各梁，跨中撓度都有不同程度的減少.

(4)當加固厚度達到7 mm，相對于8 mm、9 mm加固厚度的加固梁，撓度值相差不多，但是更加節(jié)省材料.