李佳航 姜海波 李軍生 陳振侃 葉嘉政

（1廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院；2廣州廣明高速公路有限公司)(3廣州交通投資集團(tuán)有限公司營(yíng)運(yùn)分公司)

0 引言

上世紀(jì)末建成的鋼筋混凝土（RC）墩柱，部分因腐蝕[1]及碰撞[2]等災(zāi)害而出現(xiàn)功能退化及損傷。當(dāng)下，鋼套管法[3]是加固損傷RC墩柱的常用方法之一。Sezen等人[4]的研究表明：相比傳統(tǒng)的增大截面法[5]和包裹FRP法[6]，鋼套管法對(duì)RC柱極限荷載、延性和剛度的提升最為顯著。因此，鋼套管法具有深入研究的價(jià)值。

鋼套管可以直接通過(guò)環(huán)氧膠緊密粘貼在RC柱上，也可在鋼套管和RC柱之間預(yù)留間隙填充混凝土。自密實(shí)微膨脹混凝土[7]同時(shí)具備了高流動(dòng)性、免振搗、自密實(shí)和微膨脹的優(yōu)異工作性能，可充當(dāng)優(yōu)異的填充材料，可以提高鋼套管與RC柱間的粘結(jié)能力，減少脫空[8]的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)在兩者間的間隙澆筑自密實(shí)微膨脹混凝土，由里到外形成了“RC柱-自密實(shí)微膨脹混凝土-鋼套管”的橫截面形式。損傷RC柱有一定的初始應(yīng)力，本試驗(yàn)參考胡瀟等人[9]的做法，采用無(wú)粘結(jié)后張法，賦予了RC柱初始軸壓力。為減少加固后加固結(jié)構(gòu)相鄰連接構(gòu)件應(yīng)力發(fā)生變化[10]，本試驗(yàn)RC柱加固后端部連接截面仍維持原RC柱橫截面。

本試驗(yàn)共制作了4根試驗(yàn)柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。探究了自密實(shí)微膨脹混凝土填充鋼套管加固RC柱的軸壓性能，為后續(xù)對(duì)該類加固柱極限承載力計(jì)算研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了1根未加固普通鋼筋混凝土柱（未加固RC柱S0）和3根自密實(shí)微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固RC柱（后文簡(jiǎn)稱為加固柱S1～S3）。其中，加固柱的鋼管厚度分別為2.50mm、3.75mm和5.75mm。試驗(yàn)柱參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 試驗(yàn)柱參數(shù)

試驗(yàn)柱高度均為600mm，RC柱直徑為200mm，自密實(shí)微膨脹混凝土夾層（后文簡(jiǎn)稱為填充層）的厚度為75mm，鋼管外徑為325mm。RC柱內(nèi)布置了6根直徑為8mm的HRB400縱筋，并按每隔120mm等間距布置了直徑為6mm的HRB400箍筋。另外，RC柱混凝土保護(hù)層厚度取30mm。試驗(yàn)柱尺寸及構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)柱尺寸及構(gòu)造

1.2 試驗(yàn)柱制作

RC柱的制作：①綁扎鋼筋，構(gòu)成RC柱內(nèi)部鋼筋籠；②將鋼筋籠放置于混凝土澆筑模板中，澆筑C40商品普通混凝土，養(yǎng)護(hù)成型。

加固柱的制作：①待RC柱成型后，在RC柱軸線預(yù)留孔道中穿入一根直徑為15.24mm的高強(qiáng)鋼絞線，通過(guò)后張法，賦予RC柱80 kN的初始軸壓力；②采用Q235圓鋼管外套R(shí)C柱，在新增鋼管與RC柱間填充層澆筑自密實(shí)微膨脹混凝土，并養(yǎng)護(hù)成型。試驗(yàn)柱的制作流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)柱的制作流程

1.3 材料性能

采用商品C40混凝土澆筑RC柱，并制作150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，測(cè)試得到標(biāo)準(zhǔn)立方體28天抗壓強(qiáng)度為48MPa。同時(shí)，澆筑過(guò)程中測(cè)試得到其坍落擴(kuò)展度為160mm。

填充層采用C60自密實(shí)微膨脹混凝土。經(jīng)過(guò)反復(fù)試配，最終AUA膨脹劑以8%的替代率等量替代水泥，同時(shí)加入適量的粉煤灰、硅灰和Sika高效減水劑，配制得到強(qiáng)度達(dá)60MPa、工作性能滿足要求的高性能混凝土，其配合比如表2所示。同樣地，制備150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。另外，制備100mm×100mm×300mm限制膨脹率試塊，以測(cè)量混凝土變形情況。該混凝土材料性能如表3所示。

表2 自密實(shí)微膨脹混凝土配合比 （㎏/m3）

表3 自密實(shí)微膨脹混凝土材料性能

制備加固柱的過(guò)程中采用了Q235鋼管、1860級(jí)鋼絞線和HRB400鋼筋三類鋼材。所有鋼材的材料性能如表4所示。

表4 鋼材材料性能

1.4 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)采用10000kN液壓伺服壓力機(jī)進(jìn)行加載。試驗(yàn)柱的加載方案均采用0.05mm/s等速率位移加載，直至試驗(yàn)柱破壞。利用鋼墊板，選擇RC柱兩端截面作為直接受壓區(qū)域。加載過(guò)程中，采用LVDT位移計(jì)測(cè)試試驗(yàn)柱的整體豎向變形情況，同時(shí)，在加固柱的鋼管表面中部粘貼應(yīng)變片，用以監(jiān)測(cè)鋼管的變形情況。試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

未加固RC柱：當(dāng)荷載靠近極限荷載時(shí)，混凝土表面出現(xiàn)豎向裂縫且快速發(fā)展；達(dá)到極限荷載后，荷載迅速下降，混凝土被剝落，鋼筋彎曲，無(wú)法承載。

加固柱：3根加固柱試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同，故以加固柱S2為例。當(dāng)荷載靠近極限荷載時(shí)，填充層頂面出現(xiàn)徑向裂縫；達(dá)到極限荷載后，荷載緩慢下降，鋼管外鼓。試驗(yàn)柱的破壞現(xiàn)象如圖4所示。

2.2 極限荷載

將試驗(yàn)柱S0～S3的極限荷載Pu進(jìn)行匯總，如表5所示。相比未加固RC柱S0，加固柱S1～S3的極限荷載分別提高了1.20倍、1.45倍和2.51倍，這說(shuō)明了自密實(shí)微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固可顯著提高RC柱的極限荷載。相比加固柱S1，加固柱S2～S3的極限荷載分別提高了11.2%和59.5%，即鋼管厚度的增大可顯著提高加固柱的極限荷載，這意味著加固效果的增強(qiáng)。

表5 試驗(yàn)柱參數(shù)

2.3 荷載-位移曲線分析

試驗(yàn)柱的荷載-位移曲線如圖5所示。由圖可知，未加固RC柱S0的極限荷載、延性和剛度明顯低于加固柱S1～S3。達(dá)到極限荷載后，未加固RC柱S0的荷載迅速下降，表現(xiàn)出較大的脆性；而加固柱S1～S3達(dá)到極限荷載后，荷載下降緩慢。另外，隨著鋼管厚度的提高，加固柱的極限荷載及延性可進(jìn)一步提高，表明厚鋼管可發(fā)揮更強(qiáng)的約束效果。

圖5 驗(yàn)柱荷載-位移曲線

2.4 荷載-應(yīng)變曲線

由前文可知，鋼管的約束作用是提高RC柱軸壓性能的關(guān)鍵。為探清加載過(guò)程中鋼管的變形情況，繪制加固柱的荷載—應(yīng)變曲線如圖6所示。鋼管的環(huán)向應(yīng)變均為拉應(yīng)變，而軸向應(yīng)變均為壓應(yīng)變。加載初期，鋼管的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變均較小，當(dāng)荷載靠近極限荷載時(shí)，鋼管的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，鋼管達(dá)到屈服，這體現(xiàn)了鋼管優(yōu)異的約束作用。

圖6 加固柱荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了自密實(shí)微膨脹混凝土填充鋼套管加固RC柱的軸壓性能。結(jié)果表明：自密實(shí)微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固可顯著提高RC柱的極限荷載、延性和剛度。加固柱加載過(guò)程中，當(dāng)荷載靠近極限荷載時(shí)，填充混凝土出現(xiàn)徑向裂縫，鋼管外鼓。對(duì)于鋼管厚度分別為2.50mm、3.75mm和5.75mm的加固柱，極限荷載的提高倍數(shù)分別可達(dá)到1.20倍、1.45倍和2.51倍。另外，相比鋼管厚度為2.50mm的加固柱，鋼管厚度分別為3.75mm和5.75mm的加固柱的極限荷載提高了11.2%和59.5%，即隨著鋼管厚度的提高，加固柱的極限荷載和延性可進(jìn)一步提高，這表明了厚鋼管的約束作用更強(qiáng)。加固柱軸壓過(guò)程中，鋼管的環(huán)向應(yīng)變均為拉應(yīng)變，而軸向應(yīng)變均為壓應(yīng)變；當(dāng)荷載靠近極限荷載時(shí)，鋼管約束作用明顯，隨之鋼管屈服。