雷國斌

（新疆交通科學研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

對于長期運行過程中承載力下降以及符合設計要求卻存在潛在風險的病害橋梁，加固處治是解決其承載力問題的首選。在各類橋梁加固方法及材料中，聚氨酯混凝土因黏性及韌性好，質輕，抗壓強度高，和易性及抗腐蝕性優(yōu)良，解決了傳統(tǒng)加固技術自重大、新舊混凝土黏結效果欠佳、施工周期長等問題，在橋梁加固領域逐漸得到廣泛應用?；诖吮尘?，該文研究不同凍融循環(huán)次數(shù)及不同聚氨酯混凝土加固層厚度對試驗梁開裂荷載、破壞荷載、位移、應變等的影響，為該材料在橋梁加固施工領域的推廣應用提供參考。

1 試驗設計

為展開聚氨酯混凝土抗彎加固性能及效果分析，針對未加固的對比梁和使用聚氨酯混凝土加固后的試驗梁展開四點彎試驗，并繪制荷載－撓度曲線、荷載－應變曲線、荷載－裂縫曲線，以直觀體現(xiàn)試驗梁受力及裂縫發(fā)展情況；通過荷載應變沿梁高的分布圖驗證聚氨酯混凝土加固材料和原梁體的整體性能[1-3]。

1.1 試件設計

以C30混凝土為試驗混凝土，試件長900 mm、寬120 mm、高80 mm，跨徑800 mm；下部橫向布設2根直徑8 mm的HRB400級受拉螺紋鋼筋；上部橫向布設2根直徑6 mm的HRB300級受拉螺紋鋼筋；同時以直徑6 mm的HPB300級螺紋鋼筋為箍筋，按62 mm間距設置。該次試驗共制作21片試驗梁，分成7組并依次編號為F0T0、F0T20、F0T30、F50T20、F50T30、F100T20、F100T30，每組3片。其中F表示凍融循環(huán)次數(shù)，T表示聚氨酯混凝土加固層厚。試驗分組情況見表1。

表1 聚氨酯混凝土新材料抗彎加固性能試驗分組

21片試驗梁全部在該橋梁工程工地實驗室制作，待完成鋼筋綁扎后在受拉鋼筋跨中粘貼應變片?？紤]到鋼筋混凝土梁受壓期間拉應力主要由鋼筋承擔，為保證試驗結果的準確性，必須嚴格按照試驗規(guī)程粘貼應變片。為防止混凝土澆筑及振搗施工破壞應變片，必須對其施加一定保護：①打磨受拉鋼筋跨中部位。該試驗未使用角磨機，而是采用砂輪打磨機，在受拉鋼筋跨中位置打磨出1個能粘貼應變片的平面，使用棉花蘸取75%酒精擦拭。②粘貼應變片。該試驗采用成都電測傳感科技公司提供的長55 mm、寬3 mm，設計電阻120 Ω的BMB120-3AA型應變片，通過AB膠粘貼。③使用絕熱性、耐高溫性較好的K-5905硫化硅橡膠覆蓋應變片，并在最外側綁扎絕緣膠帶，最后通過自鎖卡扣牢固固定。④澆筑混凝土梁，制備同期試件，成型后標準養(yǎng)生28 d。

選取未加固的對比梁、設置20 mm厚聚氨酯混凝土加固層的加固梁、設置30 mm厚聚氨酯混凝土加固層的加固梁等三組試件，每組3片，展開四點彎試驗，取每組試驗結果的平均值。

1.2 材料性能及加固處理

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTGE30—2005）對同期試件展開抗壓強度試驗，所測得的試驗梁混凝土強度為31.8 MPa。

該試驗梁制作使用了直徑8 mm的HRB400級受拉螺紋鋼筋、直徑6 mm的HRB300級受拉螺紋鋼筋以及直徑6 mm的HPB300級螺紋鋼筋，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1—2010）對箍筋、架立筋和受拉鋼筋展開拉伸試驗，試驗分組及試驗結果見表2。

表2 鋼筋材料試驗分組及試驗結果

以異氫酸脂、組合聚醚、水泥和分子篩等為聚氨酯混凝土加固材料，并現(xiàn)配現(xiàn)用?？紤]到聚氨酯混凝土黏結性強，僅通過砂紙將試驗梁上浮漿打磨掉后便可直接加固。此外，因增強塑料具有黏結性，為避免聚氨酯混凝土澆筑后與模板發(fā)生粘連，損害模板加固層，還必須在模板上均勻涂刷脫模劑。聚氨酯混凝土在20 ℃的試驗溫度下約1 h便可達到初凝狀態(tài)，2 h后終凝，此后繼續(xù)養(yǎng)生1 d便可脫模。

1.3 試驗加載及量測

試驗開始前按設計要求將UT7116Y型靜態(tài)應變儀與混凝土應變片、鋼筋應變片連接，以測試和記錄各級加載后的應變結果。試驗開始后通過油壓千斤頂加載，借助分配梁將加載位置設置在試驗梁三等分點處，支座設置在與梁邊緣相距50 mm處。為消除剛性加載裝置對梁體的破壞影響，還應在加載點位放置砂子。按照3.0 kN的荷載展開預加載，減少試件非彈性變形，并保證試驗裝置內(nèi)部的密實性；檢查測試儀器穩(wěn)定性，應變片是否損壞及數(shù)值變化是否正常。

試驗開始后，按照5.0 kN的荷載分級加載；每次加荷后持荷5 min，并記錄混凝土應變、主筋應變、裂縫寬度、跨中撓度等試驗結果。

撓度通過精度0.01 mm的百分比測試，同時記錄各級加載后的位移數(shù)據(jù)。裂縫發(fā)展程度則通過裂縫測寬儀測試，并采用杠桿式螺旋液壓千斤頂加載。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015），簡支橋梁最大撓度跨中截面是主要位移控制截面，故應將此次撓度測點布置在試驗梁跨中截面[4-6]。具體而言，沿梁高在跨中截面布置5個應變測點以測定試驗梁應變變化及截面豎向應力分布情況，各測點與底緣的距離依次為5 mm、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm。通過試驗梁制作時所預埋的鋼筋應變片測量鋼筋拉應變均值。借助聚氨酯加固層跨中位置側面與底面所粘貼的應變片驗證加固層與原始梁應變變化及加固梁整體性能。

2 試驗結果分析

2.1 F0T0試驗結果

按照3 kN的荷載預加載，再按5 kN荷載正式加載并持荷一段時間后傳感器讀數(shù)均正常，而當荷載達到10 kN時原梁純彎段首次出現(xiàn)2條豎向裂縫。其中，裂縫1出現(xiàn)在跨中向左5.9 cm的位置，長1.5 cm，寬0.04 mm；裂縫2出現(xiàn)在跨中向右7.8 cm處，長2.8 cm，寬0.005 mm；梁體跨中撓度0.64 mm。當荷載達到20 kN時，原梁純彎段另外出現(xiàn)3條裂縫。其中，裂縫3出現(xiàn)在跨中向右12.0 cm處，長1.4 cm，寬0.16 cm；裂縫4出現(xiàn)在跨中向左8.7 cm處，長2.2 cm，寬0.13 mm；裂縫5出現(xiàn)在跨中向左14.3 cm處，長2.3 cm，寬0.14 mm；梁體跨中撓度0.98 mm。而且，隨著荷載的持續(xù)增大，純彎段裂縫數(shù)量不斷增多。當荷載增大至25 kN時，原梁左右剪彎段出現(xiàn)2條20 mm長、0.06 mm寬的斜向裂縫。隨著荷載增大至35 kN和37.2 kN，剪彎段斜向裂縫迅速發(fā)展，支座處也先后出現(xiàn)數(shù)條斜向裂縫，并向梁頂延伸，原梁表現(xiàn)出剪切破壞，跨中撓度增大至6.82 mm。

根據(jù)F0T0梁撓度、應變、裂縫試驗結果，在原梁加載初期彈性工作階段，撓度增速緩慢；而當原梁出現(xiàn)首次裂縫，撓度增速加快，受壓區(qū)持續(xù)出現(xiàn)豎向裂縫，撓度持續(xù)發(fā)展；當原梁斜向裂縫出現(xiàn)后，跨中撓度增速加快，裂縫持續(xù)加寬，最終引發(fā)原梁結構剪切破壞。

2.2 F0T20試驗結果

按照3 kN及5 kN荷載加載并持荷一段時間后傳感器讀數(shù)均正常。當荷載達到20 kN時，原梁純彎段出現(xiàn)2條裂縫，裂縫1、2分別出現(xiàn)在跨中向左9.0 cm及跨中向右12.4 cm處，長1.1 cm和1.3 cm，寬均為0.03 mm；跨中撓度0.98 mm；跨中下緣應變及聚氨酯混凝加固層應變分別為319.5 με和332.4 με。此后，當荷載增大至25 kN時，純彎段又新增2條豎向裂縫，裂縫3、4分別出現(xiàn)在跨中向右7.0 cm和跨中向左14.3 cm處，長1.1 cm和1.3 cm，寬0.05 mm和0.04 mm；但此時裂縫1、2發(fā)展緩慢。當荷載增大至45 kN時，聚氨酯加固層一端脫離原梁，脫離處面積達到1 310 mm2；跨中撓度3.32 mm；跨中下緣應變和聚氨酯混凝土加固層應變?yōu)?94.9 με和748.1 με。當荷載增大至53.5 kN時原梁剪切破壞。

與F0T0相比，F(xiàn)0T20試驗梁梁體剛度大，應變發(fā)展滯后，裂縫出現(xiàn)規(guī)律相同，均在原梁純彎段率先出現(xiàn)0.03 mm寬的豎向裂縫，此后在剪彎段出現(xiàn)斜向裂縫。但F0T20試驗梁純彎段豎向裂縫發(fā)展滯后，在梁體發(fā)橫剪切破壞時，其豎向裂縫長度比F0T0梁小。F0T20試驗梁最大裂縫寬度比F0T0梁小62.4%，且裂縫變化速度也較低，充分說明聚氨酯混凝土加固層具備較好的抑制梁體裂縫發(fā)生及發(fā)展的效果。

2.3 F0T30試驗結果

采用與F0T0和F0T20相同的方法施加荷載展開抗彎加固性能試驗。根據(jù)試驗結果，當聚氨酯加固層厚度達到30 mm時，加固層脫空面積比20 mm層厚增大120%，梁體抗彎性能提升的同時抗剪性能提升并不大；剪彎段加固層較大的受力致使脫空面積增大。荷載值增大至62.5 kN時，原梁發(fā)生剪切破壞，此時跨中撓度4.53 mm，與梁底距離最近應變片測值及聚氨酯混凝土加固層應變分別為1 210.8 με和1 383.2 με。F0T30梁裂縫寬度最小，且裂縫發(fā)展速度也最為緩慢，表明聚氨酯混凝土加固層厚的增大對限制純彎段裂縫延伸具有較好效果。

3 模型驗證

3.1 模型構建及工況

考慮到聚氨酯材料與鋼筋混凝土梁共同工作時受力過程的復雜性，該文采用ABAQUS大型有限元通用計算軟件對聚氨酯材料受力性能展開輔助研究[7]，便于快速獲取精確的分析結果。材料參數(shù)見表3。

表3 鋼材材料參數(shù)取值

按照四點彎試驗的加載設計，以ABAQUS中Tie聯(lián)結方式將支座、加載墊塊、混凝土梁等連接在相應位置，位移加載方式下最大位移量取8 mm。采用C3D8R模擬混凝土量和墊塊實體部分，采用T3D2模擬鋼筋骨架，此后展開模型網(wǎng)格劃分，合理設置網(wǎng)格種子，對于重要部位可細化網(wǎng)格。該文將結構劃分成規(guī)整的長方形，并均勻布種，網(wǎng)格種子長20 mm。

按照以上步驟構建F0T0、F0T20、F0T30試驗梁的有限元模型，并展開計算，通過比較模擬結果和試驗結果以驗證試驗的準確性。

根據(jù)三種試驗梁鋼筋受力云圖，F(xiàn)0T0梁未經(jīng)加固，拉力主要由下緣主筋承擔，而F0T20和F0T30試驗梁模型因設置有聚氨酯混凝土加固層，故下緣主筋受力比F0T0梁小，加固效果顯著。根據(jù)三種試驗梁混凝土損傷圖，F(xiàn)0T0梁純彎段裂縫位置最高，梁體豎向及斜向裂縫發(fā)展趨勢基本一致；而F0T20和F0T30試驗梁純彎段裂縫發(fā)展位置較低，主要為斜向裂縫。裂縫發(fā)展規(guī)律及損傷延伸規(guī)律和試驗結果基本吻合，表明試驗結果基本準確[8-10]。

3.2 模擬結果

通過對F0T0、F0T20和F0T30試驗梁撓度、應變及裂縫寬度試驗值和理論值的比較看出，試驗梁抗彎加固性能參數(shù)試驗值和理論值吻合較好，表明了試驗結果的準確性；受到相同荷載作用后，理論值略小于試驗值，說明理論分析時模型混凝土處于相對理想狀態(tài)。此外，混凝土試件制備時振搗不充分、養(yǎng)生不佳、運輸損壞等原因均會引起梁體實際剛度變小。其中，F(xiàn)0T0梁有限元模擬結果與試驗結果的比較見表4。

表4 F0T0梁試驗值與理論值的比較

通過分析F0T20和F0T30梁撓度、應變、裂縫寬度試驗值和理論值看出，由于加固層性能尚未充分發(fā)揮，故在聚氨酯混凝土加固層出現(xiàn)脫空和剝離后，試驗值和理論值偏差逐漸增大。

4 結論

綜上所述，聚氨酯混凝土加固層厚度增大后，梁體抗彎性能呈提升趨勢，該試驗中設置20 mm和30 mm厚度的加固層后，試驗梁極限荷載分別提高了43.9%和67.8%，整體剛度則提高了21.4%和33.7%，并有效抑制了梁體裂縫發(fā)展。在其他條件不變的情況下，隨著聚氨酯混凝土加固層厚度的增大，限制純彎段裂縫延伸及抑制裂縫發(fā)展的效果均提升，聚氨酯混凝土加固層與試驗梁應變變化趨勢一致，加固效果良好。該技術在病害橋梁快速加固領域具有較好的應用前景。