王曉峰

(太原市市政公用工程質(zhì)量安全站(太原市軌道交通建設(shè)服務(wù)中心)，山西 太原 030021)

1 概述

無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。如果結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)，這種預(yù)應(yīng)力類型不僅適用于新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，也適用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。無黏結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是: 簡化了預(yù)應(yīng)力過程，無需對管道進(jìn)行注漿; 通過增加潤滑脂的塑料涂層來提高對腐蝕的保護(hù); 減少摩擦造成的損失。如果預(yù)應(yīng)力是通過外部鋼索實(shí)現(xiàn)的，還可以定期檢查其工作狀況，在特殊情況下(如保護(hù)層在損壞前發(fā)生腐蝕) 可以更換鋼索。無黏結(jié)的后張結(jié)構(gòu)的特征是鋼筋和混凝土在橫截面上失去應(yīng)變協(xié)調(diào)[1-3]。這意味著對于梁或殼單元，平截面假設(shè)不再有效，而鋼筋的應(yīng)變增加依賴于整體結(jié)構(gòu)變形而不是局部截面應(yīng)變截面。因此，確定加載后的鋼筋內(nèi)應(yīng)力并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)，這些試驗(yàn)為發(fā)展一種確定極限狀態(tài)下極限應(yīng)力增加的簡化分析方法奠定了基礎(chǔ)。無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的有效性可以通過應(yīng)用大偏心距的預(yù)應(yīng)力筋來提高。這種類型的預(yù)應(yīng)力可用于加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

沙麗榮等[4]對加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了抗彎力學(xué)性能的研究。然而，由于結(jié)構(gòu)的雙懸臂形式，應(yīng)用的偏心距較小，并且由于在應(yīng)用加固系統(tǒng)之前，所有試件都是卸載的，因此研究沒有討論荷載加固順序的影響。張龍等[5]研究了CFRP 加固鋼筋混凝土梁剛度與承載力退化機(jī)理。此外，張濤[6]對混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋梁和鋼筋混凝土試件進(jìn)行疲勞加載，加固過程之前受到疲勞載荷，抗彎結(jié)構(gòu)的外部加固也具有很高的有效性[7]。目前關(guān)于預(yù)壓、預(yù)裂和強(qiáng)化順序?qū)υ鰪?qiáng)鋼筋混凝土梁極限荷載和荷載-位移特性的影響研究仍然很少。因此，需要對體外無黏結(jié)鋼筋混凝土梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．1 測試試件

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了五種全尺寸鋼筋混凝土梁的抗彎強(qiáng)化性能。每根梁的跨度為l=4 500 mm，橫截面尺寸為250 mm ×400 mm 的矩形。梁的配筋由3 根直徑為16 mm 的底筋、3 根直徑為10 mm 的頂筋和直徑為8 mm的雙肢箍筋組成。箍筋間距在支撐點(diǎn)和集中力點(diǎn)之間為100 mm。在跨中(加載點(diǎn)之間) 箍筋之間的距離增加到150 mm。外載荷施加在跨度為1 500 mm 的鋼梁上來實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。混凝土覆蓋層為25 mm。實(shí)驗(yàn)試件的幾何形狀和配筋結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)試件的幾何形狀和配筋結(jié)構(gòu)

本文通過四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)來測試體外無黏結(jié)鋼筋混凝 土梁的抗彎強(qiáng)化性能進(jìn)行了研究。在加載過程中要隨時(shí)觀察并記錄裂紋的起裂位置和擴(kuò)展形貌。通過力和位移傳感器記錄梁彎曲時(shí)受到的力和位移曲線。

鋼筋混凝土梁根據(jù)國標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)等級為C35/C45的玄武巖骨料混凝土。所有鋼筋混凝土梁的澆筑都使用了相同的混凝土混合物?；炷了冶?質(zhì)量比) (W/C) 為0．45，密度為2 538 kg/m3。混凝土配合比及其成分見表1?；炷恋钠骄箟簭?qiáng)度fc和彈性模量Ec是對直徑為150 mm、高度為300 mm 的圓柱形試件分別進(jìn)行28 d 和270 d 的單軸壓縮試驗(yàn)得到的。單軸壓縮試驗(yàn)是對6 個(gè)試件進(jìn)行了28 d 的抗壓強(qiáng)度和彈性模量測試，在270 d 后測試了3 個(gè)試樣的力學(xué)性能。對圓柱形試件沿高度方向的中間開凹槽進(jìn)行斷裂性能(包括平均拉伸強(qiáng)度ft和斷裂能Gf) 的研究。試驗(yàn)過程中的恒定加載速率為4．0 ×10-5mm/s?；炷恋牟牧闲阅芙Y(jié)果如表2所示。對尺寸為100 mm ×100 mm ×500 mm 的6 個(gè)棱柱試件測量了混凝土的動(dòng)力學(xué)平均收縮應(yīng)變，如圖2所示。

表1 混凝土混合料成分

表2 混凝土的力學(xué)性能

圖2 混凝土的動(dòng)力學(xué)平均收縮應(yīng)變

鋼筋混凝土梁的加固方式采用三種類型的鋼筋:冷加工直徑為8 mm 的箍筋; 頂筋和底筋采用淬火和自回火，直徑分別為10 mm 和16 mm。鋼筋通過單軸拉伸試驗(yàn)測得其應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系，如圖3 所示。其中直徑10 mm 和直徑16 mm 鋼筋的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線存在一個(gè)典型的屈服平臺(tái)，隨后硬化直至斷裂。而冷加工直徑8 mm 鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明確的屈服極限。

圖3 單軸拉伸試驗(yàn)測得其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2．2 強(qiáng)化系統(tǒng)

鋼筋混凝土梁的強(qiáng)化系統(tǒng)可以使非加固梁的承載能力翻倍。它由位于梁兩端的兩塊鋼錨板、兩個(gè)傳力轉(zhuǎn)向鋼塊、兩根筋和四個(gè)錐形錨頭組成，如圖4 所示。錨固板和傳力轉(zhuǎn)向塊固定在鋼筋混凝土梁上。在每個(gè)梁的側(cè)面使用快速凝固的水泥基砂漿調(diào)整錨固系統(tǒng)，以準(zhǔn)確填充錨固板與梁之間的縫隙。傳力轉(zhuǎn)向塊放置在距離支撐點(diǎn)l/3(1 500 mm) 處的位置，其中l(wèi)為跨度長度。鋼筋束由7 根直徑為5 mm 的鋼絲組成，單根鋼筋的橫截面面積為Aps= 138． 93 mm2。通過將長度為10 cm 的彎曲鋼管焊接到傳力轉(zhuǎn)向塊上，防止在傳力轉(zhuǎn)向塊處的局部彎曲。所有測試梁的鋼筋束與梁底邊的距離均為90 mm。預(yù)應(yīng)力是通過兩個(gè)液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)的(如圖4(d) 所示) 。在梁的另一側(cè)，即錨固板處，安裝了兩個(gè)力傳感器，以控制預(yù)應(yīng)力階段的力，并測量各鋼筋束的力增加情況(如圖4(b) 所示) 。通過單軸拉伸試驗(yàn)可以確定鋼絞線的力學(xué)參數(shù): 平均彈性模量為Es= 192． 6 GPa，平均抗拉 強(qiáng) 度 為ft= 1 828 MPa，0． 1% 的 平 均 抗 拉 應(yīng) 力 為fp0，1k=1 373 MPa。圖3(b) 給出了鋼絞線的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖4 鋼筋混凝土梁強(qiáng)化系統(tǒng)

3 鋼筋混凝土梁的抗彎強(qiáng)化研究

3．1 載荷-位移曲線

本文選取了五種鋼筋混凝土梁試件工況進(jìn)行試驗(yàn)研究。五種試件編號如下:A1 為未強(qiáng)化的參考試件，A2 為加固參考試件(強(qiáng)化前未加載) ，A3a 和A3b 為強(qiáng)化前先加載后卸載的試件，B 為在強(qiáng)化過程中載荷保持恒定。鋼筋混凝土梁的載荷-位移曲線如圖5 所示，各力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表3 所示。由圖5 可以看出，盡管預(yù)加載歷史和強(qiáng)化順序不同，但各試件相對于未加固梁A1 的承載力增加幅度相同，極限荷載的相對增加量在130% ～150%之間。對于強(qiáng)化前未加載的鋼筋混凝土梁A2，在圖5(a) 中可以分出三個(gè)加載階段:線彈性階段(Ⅰ階段) ;裂紋形成和穩(wěn)定開裂階段(Ⅱ階段) ; 鋼筋發(fā)生屈服后剛度大幅度降低階段(Ⅲ階段) 。對于與A2 試件有相同強(qiáng)化順序但加載歷史不同(先加載后卸載) 的鋼筋混凝土梁A3a 和A3b 試件，線彈性階段(Ⅰ階段) 不存在，因?yàn)檫@些試件在強(qiáng)化前已經(jīng)嚴(yán)重開裂。第二階段的荷載-位移平行于未加固梁試件的卸載曲線。這表明無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋對鋼筋混凝土梁的剛度貢獻(xiàn)有限。對于無加載歷史的A2 試件和預(yù)加載梁的A3a 和A3b 試件的荷載-位移行為，可以發(fā)現(xiàn)試件A3a 和A3b 相對A2 試件的強(qiáng)度更高。這是由于在加載的第二階段，A2 試件的鋼筋束受力緩慢，如圖5(b) 所示。因此，底部鋼筋屈服后，鋼筋混凝土梁強(qiáng)化前的荷載歷史不會(huì)影響荷載-位移行為。值得注意的是，對比A2，A3a 和A3b 三種試件，相同的預(yù)應(yīng)力水平在施加預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生了幾乎相同的變形，即使A3a和A3b 梁在施加預(yù)應(yīng)力之前產(chǎn)生開裂。由于強(qiáng)化順序不同，B 試件的荷載-位移特征不同，這是因?yàn)锽 在強(qiáng)化過程中進(jìn)行了保載，而保載作用使鋼筋混凝土材料實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變硬化，因此其在第一階段為線彈性上升，第二階段為彈塑性階段。但是在第二階段加載時(shí)，試件B 的剛度與試件A2，A3a 和A3b 具有可比性。這表明了在穩(wěn)定開裂階段，鋼絞線在底部鋼筋屈服之前對梁的剛度沒有顯著影響。

圖5 鋼筋混凝土梁試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 五種鋼筋混凝土梁試件A1，A2，A3a，A3b 和B 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

盡管存在預(yù)加載歷史，但在相同荷載水平下，強(qiáng)化前卸載的所有試件的底部鋼筋均產(chǎn)生屈服應(yīng)力(如表3 所示) ，且在強(qiáng)化前卸載的梁A2，A3a 和A3b，其底部鋼筋開始屈服時(shí)的位移與未強(qiáng)化梁A1 的位移基本一致。這意味著使用無黏結(jié)鋼筋施加的外部預(yù)應(yīng)力可以提高導(dǎo)致鋼筋混凝土梁的屈服荷載，但不影響其相應(yīng)的位移。B試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)化順序?qū)Φ撞夸摻畎l(fā)生屈服產(chǎn)生的位移有一定的影響。B 梁主鋼筋的屈服荷載大于在機(jī)械載荷作用于鋼筋束產(chǎn)生的力。強(qiáng)化不僅對極限載荷產(chǎn)生積極的影響，而且對正常使用的極限狀態(tài)有積極的影響。

3．2 失效模式和裂紋分布

五種鋼筋混凝土梁試件A1，A2，A3a，A3b 和B 的失效模式非常相似。鋼材屈服后，受壓區(qū)出現(xiàn)平行于梁上邊緣的小裂縫，隨后混凝土被壓碎，如圖6 所示。由于梁無法承受荷載，液壓千斤頂測得的力會(huì)突然下降，且鋼索和底部鋼筋都沒有斷裂。實(shí)驗(yàn)觀測到未強(qiáng)化的參考試件A1 產(chǎn)生拉伸破壞模式，即撓度隨著液壓千斤頂力的增加發(fā)生不變的現(xiàn)象。由于液壓千斤頂頂部的位移能力有限，實(shí)驗(yàn)未達(dá)到主筋的斷裂應(yīng)變就結(jié)束了。強(qiáng)化順序和初始預(yù)應(yīng)力水平對極限荷載的影響較小。當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力增加635 MPa 時(shí)，承載力增加4% ～8%。

圖6 鋼筋混凝土梁A3a 試件的失效模式

鋼筋混凝土梁A3a 的實(shí)驗(yàn)裂紋分布圖如圖7 所示。圖7(a) 為強(qiáng)化前預(yù)加載階段的裂紋分布。在這一階段，梁上分布有穩(wěn)定的裂紋狀態(tài)(即新的裂縫不會(huì)隨著荷載的增加而產(chǎn)生) 。在箍筋附近出現(xiàn)裂縫主要是由于混凝土收縮引起的拉應(yīng)力集中而造成的。預(yù)應(yīng)力的引入會(huì)導(dǎo)致裂紋在梁底面附近發(fā)生閉合(如圖7(b) 所示) 。在外荷載強(qiáng)化的情況下，梁底部裂紋寬度減小到不超過0．08 mm。未施加預(yù)應(yīng)力的梁A2，A3a 和A3b 在頂面出現(xiàn)小裂紋。對于施加的預(yù)應(yīng)力為110 kN 的情況，這種影響也是不可避免的。在下一個(gè)階段(加載直到破壞) ，先前存在的裂紋沒有擴(kuò)展。在任何加載階段都沒有發(fā)現(xiàn)新的裂紋，如圖7(c) 所示。圖7(c) 中給出了四種不同加載水平下測量到的裂紋寬度，并給出了最終的裂紋模式。

圖7 鋼筋混凝土梁A3a 試件的裂紋分布

4 結(jié)論

鋼筋混凝土梁的強(qiáng)化是土木工程實(shí)踐中的重要問題。一種強(qiáng)化技術(shù)可以通過將無黏結(jié)鋼筋對鋼筋混凝土梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載。目前關(guān)于預(yù)壓、預(yù)裂和強(qiáng)化順序?qū)υ鰪?qiáng)鋼筋混凝土梁極限荷載和荷載位移特性的影響研究仍然很少。本文對體外無黏結(jié)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對預(yù)壓預(yù)裂加固的四點(diǎn)彎曲梁的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果作了簡要的描述和討論，得出了以下結(jié)論:

1) 體外預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化是一種非常有效的加固方法。

2) 預(yù)壓、預(yù)開裂和強(qiáng)化順序?qū)庸毯罅旱臉O限應(yīng)力增大和承載力影響較小。外加荷載下的強(qiáng)化對撓度極限狀態(tài)有積極的影響，撓度極限增加11% ～21%。初始預(yù)應(yīng)力值對加固效果影響不大。

3) 未強(qiáng)化的參考試件產(chǎn)生拉伸破壞模式。由于液壓千斤頂頂部的位移能力有限，實(shí)驗(yàn)未達(dá)到主筋的斷裂應(yīng)變就結(jié)束了。強(qiáng)化順序和初始預(yù)應(yīng)力水平對極限荷載的影響較小。當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力增加635 MPa 時(shí)，承載力增加4% ～8%。