冷玉坤， 劉均利， 余文成， 王子恒

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

隨著我國基礎設施建設日趨完善，大量在役年限較長的橋梁受自然、人為等因素影響功能退化，無法滿足使用要求[1]，亟需對其進行加固改造處理.增大截面法作為一種常用的加固方法[2-3]，具有施工簡便、適用性強且技術成熟等特點，在橋梁加固領域得到較好的應用[4-6].若采用普通混凝土進行加固，不僅易開裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性，也不利于新老混凝土之間的粘結(jié)，從而產(chǎn)生較大的相對滑移[7].高強灌漿料作為一種高強膠結(jié)材料，早期主要用于設備基礎的二次灌漿和橋梁、堤壩的搶險等工程中[8]，它不僅具有優(yōu)異的力學性能、良好的耐久性能、快硬早強、無收縮、微膨脹和自流平等特點，而且與舊混凝土粘結(jié)較強，近年來被廣泛應用于加固領域中[9]，具有較大的科研價值和廣闊的應用前景.

在加固梁抗彎性能影響因素方面，一些專家學者已經(jīng)開展了部分研究，也取得了一些初步成果.Chalioris等[10]制作20根自密實混凝土加固梁，研究在不同初始損傷下自密實混凝土的加固性能.卜良桃等[11]制作6根鋼纖維水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固梁和1根對比梁，研究加固配筋率和受力形態(tài)對加固梁受彎性能的影響，認為采用鋼纖維水泥砂漿加固鋼筋混凝土(RC)梁是一種有效的加固方法，能顯著提高混凝土梁的抗彎性能.羅素蓉等[12]針對二次受力下自密實混凝土加固RC梁的受彎性能進行試驗研究，共設計7根自密實混凝土加固梁和2根對比梁，通過改變初始受力水平、加固厚度及界面處理方式，有效提高RC梁的抗彎承載力、截面剛度等性能.然而，目前在加固厚度和植筋間距的共同影響下，尚未有采用高強灌漿料加固混凝土梁抗彎性能方面的研究.

基于此，本文在充分考慮工程實際應用的基礎上，對RC梁進行高強灌漿料增大截面加固，并針對加固梁的抗彎性能進行試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

原梁均采用商品混凝土澆筑，并采用常規(guī)振搗密實的方法.混凝土設計標號為C30，每立方米混凝土中的水泥、水、砂、石子、粉煤灰、礦粉、減水劑的質(zhì)量分別為203.00，162.00，972.00，916.00，50.00，70.00，7.11 kg，水泥為P.O 52.5級普通硅酸鹽水泥.加固用的高強灌漿料選用廣西柳州市漢西鳴建材公司生產(chǎn)的HCM-H80型高強無收縮灌漿料.

試驗梁澆筑的同時制作普通混凝土和高強灌漿料的立方體試塊，立方體試塊與試驗梁采取相同的養(yǎng)護措施，按照試驗標準程序測得的普通混凝土抗壓強度平均值為37.26 MPa，高強灌漿料抗壓強度平均值為70.15 MPa.縱向鋼筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋，鋼筋材性試驗結(jié)果，如表1所示.表1中：fy為屈服強度；fu/MPa為極限強度.

表1 鋼筋材性試驗結(jié)果Tab.1 Test results of steel reinforcement properties

1.2 試件設計與加固方法

(a) 試驗梁

(b) 對比梁A1 (c) 對比梁A2 (d) 加固梁B1～B7 (e) 植筋圖1 試驗梁基本參數(shù)及配筋(單位：mm)Fig.1 Basic parameters and reforcement of test beams (unit: mm)

另外，將高強灌漿料作為新增加固材料時應注意如下6點:

1) 灌漿前應對原梁梁底進行鑿毛處理，并清潔梁底表面；

2) 灌漿前24 h應充分潤濕梁底表面，并于灌漿前1 h清除積水；

3) 灌漿時，漿料應從一側(cè)或相鄰兩側(cè)多點灌入，直至從另一側(cè)溢出為止，以利于灌漿過程中的排氣，避免對灌漿層表面質(zhì)量造成影響；

4) 當灌漿層厚度大于100 mm時，應采取分層灌漿方法，澆筑完第一層后，在確保第一層漿料達到初凝前，進行第二次澆筑，并盡可能縮短灌漿時間；

5) 灌漿過程中嚴禁振搗，必要時可借助灌漿助推器沿灌漿層底部推動漿料，以確保灌漿層勻質(zhì)性；

6) 在灌漿層終凝后，應立即灑水保濕養(yǎng)護.

試驗考慮不同加固層厚度及植筋間距對加固構(gòu)件受彎性能的影響.試驗梁基本參數(shù)，如表2所示.表2中：s為植筋間距.

表2 試驗梁基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of test beams

1.3 加載裝置

試驗采用1 000 kN組合結(jié)構(gòu)反力架對試件進行加載，為觀測梁純彎段的彎曲性能，試驗采用三分點對稱加載方式，跨中純彎段長度為1 m.正式加載之前，預加載以檢查試驗裝置、量測儀表工作是否正常，消除接觸面間的空隙.

卸荷后，按照GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[14]，采用分級加載制，并開始正式加載.將撓度變形增長迅速，而荷載增長緩慢或不增長的狀態(tài)作為試驗梁的屈服狀態(tài)，對應的荷載即為屈服荷載[15].

1.4 測試內(nèi)容

通過千分表測量每級荷載下梁跨中、加載點及支點處的撓度變形值；通過靜態(tài)應變采集系統(tǒng)測量原梁縱筋及加固縱筋、原梁混凝土及加固混凝土表面的應變；通過力傳感器測量試驗荷載；通過裂縫綜合測試儀測定裂縫分布、發(fā)展及寬度，測量精度為0.01 mm.RC梁應變片布置圖，如圖2所示.

對于RC梁表面的應變，在試驗梁側(cè)跨中位置自上而下沿試驗梁高粘貼5個應變片，用以驗證梁在受彎過程中是否符合平截面假定；在試驗梁底純彎段沿軸線方向粘貼6個應變片，用以測定梁底部混凝土拉應變；在梁純彎段頂部粘貼2個應變片，用以測定混凝土的壓應變.

(a) 試驗梁側(cè)跨中位置

(b) 試驗梁頂面

(c) 試驗梁底純彎段

(d) 加固梁的原梁底縱筋

(e) 加固縱筋圖2 RC梁應變片布置圖Fig.2 RC beam strain gauge layout

2 主要試驗現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

試驗梁破壞形態(tài)及裂縫分布，如圖3所示.由圖3可知：對比梁的破壞形態(tài)為典型的適筋梁破壞，縱向鋼筋屈服后，跨中撓度有明顯突變，混凝土表面出現(xiàn)大量裂縫并快速向梁頂延伸，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎剝落；對比梁破壞時，跨中純彎段裂縫數(shù)目較加固梁少，裂縫寬度也明顯大于加固梁.

(a) 對比梁A1 (b) 對比梁A2 (c) 加固梁B1

(d) 加固梁B2 (e) 加固梁B3 (f) 加固梁B4 (g) 加固梁B5圖3 試驗梁破壞形態(tài)及裂縫分布Fig.3 Test beam failure modes and crack distribution

圖4 縱向應變沿加固梁高分布曲線Fig.4 Longitudinal strain distribution curves along strengthened beam height

5根加固梁在加載過程中，當試驗荷載P<0.2Pu(Pu為試驗梁極限荷載)時，受拉區(qū)混凝土尚未開裂，此時，縱筋應變遠未達到屈服應變，加固梁基本呈彈性狀態(tài).加固梁跨中截面的縱向應變沿加固梁高分布曲線，如圖4所示.圖4中：H為應變片距離加固梁的距離；ε為應變.

由圖4可知：加固梁破壞前，加固梁跨中截面縱向應變沿梁高方向近似呈直線分布，基本符合平截面假定；隨著試驗荷載的增加，加固梁首先在梁底純彎段出現(xiàn)彎曲裂縫，并緩慢向上擴展，當老混凝土梁底拉應變達到開裂應變時，裂縫延伸至老混凝土區(qū)域；混凝土開裂后，加固梁剛度有一定程度的下降，在這一階段，新混凝土區(qū)域的裂縫在達到一定寬度后就開始緩慢增長；隨著試驗荷載的繼續(xù)增加，彎剪段隨之出現(xiàn)斜向裂縫，斜向裂縫的寬度很小，寬度變化不大，對加固梁的正常使用性能并不構(gòu)成直接影響；當P>0.8Pu時，加固梁進入塑性階段，純彎段裂縫不斷向梁頂擴展，撓度急劇增長，裂縫寬度迅速發(fā)展，彎剪段斜向裂縫也不斷出現(xiàn)，跨中荷載-撓度曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，加固縱筋和原梁縱筋相繼屈服；當受壓區(qū)混凝土達到極限壓應變時，加固梁開始發(fā)生破壞.與對比梁相比，加固梁底裂縫數(shù)量明顯增多，且裂縫寬度變小.在整個加載過程中，新老混凝土間黏結(jié)界面未發(fā)生剝離破壞，也沒有發(fā)生明顯滑移，破壞狀態(tài)均呈適筋梁破壞，表現(xiàn)出較好的延性特征.

2.2 試驗結(jié)果

所有試驗梁均加載至極限破壞狀態(tài)，試驗梁的開裂荷載(Pcr)、屈服荷載(Py)和極限荷載(Pu)實測值如表3所示.表3中：R為各加固梁與對比梁A1的開裂荷載比值；ΔPy，ΔPu分別為各加固梁與對比梁A1的屈服荷載差值和極限荷載差值.

表3 試驗梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載實測值Tab.3 Measured values of cracking load， yield load and ultimate load of test beams

試驗梁的荷載-跨中撓變形度曲線及荷載-跨中試驗梁底縱筋應變曲線分別如圖5，6所示.圖5，6中：w為撓度.

圖5 荷載-跨中撓度變形曲線 圖6 荷載-跨中試驗梁底縱筋拉應變曲線Fig.5 Curves of load-midspan deflection Fig.6 Curves of load-midspan bottom reinforcement tensile

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加固梁與整澆梁的對比分析

與對比梁A1相比，各加固梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載值均有不同程度的提高，且屈服荷載的提高幅度更為明顯，約為89.8%～110.7%，表明采用高強灌漿料進行增大截面加固RC梁的加固效果較好，能有效提高梁的抗彎承載力，而且可以保證新老混凝土的整體工作性；相較于對比梁A1，加固梁的開裂荷載最大提高約2倍，最小也提高約1.5倍，說明高強灌漿料具有良好的抗裂性能，對裂縫的發(fā)展起到較好的抑制作用(表3).各加固梁在同級荷載下的縱筋拉應變均小于對比梁A1，表明加固縱筋參與了原梁的協(xié)同工作，并承擔了部分荷載(圖6).與整截面對比梁A2相比，加固梁的抗彎承載力整體均低于整澆梁，這是因為加固梁的原梁底縱筋較對比梁A2更靠近截面中和軸，受拉鋼筋應力較小，因此，對梁體承載力的貢獻較小.

3.2 加固層厚度對加固梁受彎性能的影響

對于梁底加固層厚度為80 mm的加固梁B1，其加固后的屈服荷載較加固前增大99.5%；而對于梁底加固層厚度分別為120，160 mm的加固梁B2，B3，其加固后的屈服荷載較加固前分別增大108.0%，110.7%，極限荷載也從110.4 kN增大到120.2 kN(表3)，表明隨著梁底加固層厚度的增大，加固梁的抗彎承載力僅有略微的提高.另外，加固層厚度較大的加固梁B2，B3的撓度較加固梁B1小(圖5)，表明加固層厚度越大，剛度越大，撓度越小.

由于各組試驗梁梁底保護層設置相同，梁底混凝土厚度的增加使梁截面的有效高度在一定程度上有所增大，進而提高試件的抗彎承載力.但加固層厚度較大的加固梁B2，B3的新老縱筋應變差值較加固梁B1小，但加固梁B2，B3的新老縱筋應變值相差甚微，說明加固層厚度只能在一定范圍內(nèi)改善新老縱筋的受力差異(圖6).加固梁B3的抗彎承載力也僅比加固梁B2提高了1.3%，但其加固自質(zhì)量卻增大約33.3%，所以在實際加固工程中應根據(jù)結(jié)構(gòu)自質(zhì)量和下部凈空綜合考慮.

3.3 植筋間距對加固梁受彎性能的影響

在實際工程中，常常會由于各種因素的影響，使新老混凝土間的黏結(jié)性能達不到預期效果.在保證其他條件相同的前提下，設計加固梁B1，B4及B5，分別采用不同的植筋間距，探究植筋間距對新老混凝土間黏結(jié)性能的影響，比較不同植筋間距下加固梁受彎承載力的差異.

從試驗梁的破壞形態(tài)上來看，所有加固梁均表現(xiàn)為延性破壞，幾乎不存在滑移等影響新老混凝土整體工作性的現(xiàn)象.3根不同植筋間距加固梁的抗彎承載力差異并不大，加固梁B1的極限荷載較加固梁B4僅提高約3.0%，較加固梁B5也僅提高4.6%(表3).植筋間距為100 mm的加固梁B1剛度略大于植筋間距為150 mm和200 mm的加固梁B4和B5；而加固梁B4和B5荷載-跨中撓度變形曲線則基本重合(圖5)，所以在實際加固工程中，不建議過分減小植筋間距來提高結(jié)構(gòu)的承載力.

圖7 承載力計算簡圖Fig.7 Calculation diagram of bearing capacity

4 抗彎承載力計算

基于試驗結(jié)果，5根加固梁具有典型的適筋梁受力特征，根據(jù)縱向鋼筋的實測應變，混凝土破壞時，原試件縱筋和新增鋼筋均已屈服，受壓區(qū)混凝土壓應變達到極限壓應變，其基本假定與普通RC梁正截面受彎承載力計算的基本假定相同，根據(jù)試驗結(jié)果推導的承載力計算簡圖，如圖7所示.圖7中：h0，m為加固梁的截面有效高度；h0為加固前梁的截面有效高度；xc為截面受壓區(qū)高度；εcu為混凝土的壓應變；εy，m為加固后下部縱筋整體拉應變；εy為加固前下部縱筋整體拉應變；Mu為加固梁的抗彎承載力；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；F為合壓力；T為加固前的縱筋拉應力；Tm為加固后的縱筋拉應力.

由圖7的幾何關系，可得混凝土的壓應變，即

(1)

混凝土受壓區(qū)的合壓力為

(2)

由于文中采用高強灌漿料作為新增材料加固鋼筋混凝土矩形梁，不同于一次澆筑整截面梁，混凝土壓應力由兩部分組成，故混凝土受壓區(qū)的合壓力為

(3)

式(3)中：fc，0為原梁混凝土的軸心抗壓強度；fc，m為高強灌漿料的軸心抗壓強度.

考慮試驗過程中對加固層界面的處理并非能達到理論中的理想狀態(tài)，并且受二次施工影響，新增混凝土在連接構(gòu)造和受力狀態(tài)上不可避免地要受到各種影響因素的綜合作用，從而導致其強度難以充分發(fā)揮，故應對其作出適當調(diào)整.因此，引入修正系數(shù)η，η≤1.0.根據(jù)試驗結(jié)果并參考現(xiàn)行相關規(guī)范建議，對高強灌漿料加固構(gòu)件，η=0.7.

混凝土受壓區(qū)合壓力計算公式經(jīng)修正后為

(4)

由力的平衡條件可知F=T+Tm，即

(5)

則加固梁的抗彎承載力為

(6)

式(6)中：αs為新增鋼筋強度利用系數(shù)，取αs=0.9；fy，fy，m分別為原構(gòu)件受拉縱筋及加固縱筋的抗拉強度；As，m和As分別為加固縱筋和原受拉縱筋的截面面積.

極限承載理論計算與試驗結(jié)果對比，如表4所示.表4中：Pu，0為極限荷載理論值.由表4可知：試件破壞時的極限荷載與試驗結(jié)果較為吻合.

表4 極限承載理論計算與試驗結(jié)果對比Tab.4 Comparison of ultimate bearing capacity theoretical calaulation and test results

5 結(jié)論

1) 采用高強灌漿料增大截面法對普通RC梁進行加固，新老混凝土間的黏結(jié)性能較好，可以保證新老混凝土間的整體工作，可顯著提高梁的抗彎性能，與對比梁A1比較，各加固梁極限荷載的提高幅度約為79.4%～104.4%.

2) 采用高強灌漿料對RC梁進行抗彎加固，試驗梁開裂后的抗彎剛度明顯提高，且對裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起到較好的抑制作用，具有良好的抗裂性能，能提高構(gòu)件的延性.

3) 不同的植筋間距對梁的抗彎性能影響程度不大，植筋間距為150，200 mm的加固梁B4，B5的極限承載力分別僅比植筋間距為100 mm的加固梁B1降低了3.0%和4.6%；梁底加固厚度的增加只能在有限范圍內(nèi)改善新老縱筋的受力差異，對加固梁的抗彎承載力提高并不明顯.

4) 根據(jù)試驗結(jié)果，在平截面假定的基礎上推導了高強灌漿料加固RC梁的受彎承載力計算公式，由此公式計算的極限荷載值與試驗結(jié)果較為吻合.