组合加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究 [PDF全文]
(1南京林业大学土木工程学院, 南京 210037)

基于内+外(嵌入式加固+体外加固)与表+外(外贴加固+体外加固)组合加固思路,提出了嵌入式CFRP筋+体外预应力钢丝绳、外贴CFRP布+体外预应力钢丝绳组合加固混凝土梁新方法.介绍了组合加固工艺,并对组合加固混凝土梁的抗弯性能进行了试验研究. 结果表明:内+外、表+外组合加固可实现对混凝土梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、抗弯刚度的有效提升,同时不降低用其他方式加固梁的延性; 传统纤维增强复合材料加固混凝土结构时出现的剥离破坏模式在一定程度上被抑制和改善,加固材料强度利用率有效提升. 进一步对组合加固梁受弯最大承载力进行理论分析可知,组合加固梁破坏模式、最大承载力等试验结果与理论分析结果基本吻合,推导的理论计算方法可实现对组合加固梁最大承载力的准确评估.

Experimental study on the flexural performance of reinforced concrete beams strengthened by composite method
Tang Yu1,Lu Hongyu2,Zou Youquan3,Zeng Yihua2,Wu Gang2
(1College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)(2Key Laboratory for Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 211189, China)(3Jiangxi Ganyue Expressway Co., Ltd., Nanchang 330025, China)

Two combined strengthening methods were proposed based on the concept of inner + outer(refers to the near surface mounted(NSM)fiber reinforced polymer(FRP)bar+externally prestressed high strength steel wire rope)and surface + outer(refers to bonded FRP sheet + externally prestressed high strength steel wire rope). The procedures of the combined strengthening methods were introduced, and the flexural performance of the combined strengthened concrete beams was experimentally studied. Test results show that the inner + outer and surface+outer combined strengthening methods can significantly improve the crack load, yield load, maximum flexural capacity, and flexural stiffness of the RC beam, while not reducing the ductility of the beam. The deboning failure mode of the FRP reinforcements is suppressed, hence the utilization rate of the strength of the reinforcement is improved. Further theoretical analyses show that the theoretical failure mode and the ultimate bearing capacity of the reinforced beam agree well with the test results. The calculation theory can provide a relatively accurate evaluation for the strengthened beam in regards to the limit state of its bearing capacity.

引言

我国工程结构设计主要以钢筋混凝土结构为主.随着结构服役年限的增加,钢筋混凝土结构常由于使用要求提高、设计变更以及材料性能退化等原因,需要进行超强(或超设计)加固,以获得更高的受力性能.据建设部统计资料显示,随着使用要求的提高,很多城镇建筑物需要进行设计变更以大幅提高其性能,对结构新型加固方法的需求也在日益提升[1]. 纤维增强复合材料(FRP)由于具有较高强重比,被广泛地应用于土木工程领域.魏洋等[2]通过有限元软件ABAQUS对纤维增强聚合物基复合材料增强重组竹梁受弯性能进行了研究,并进一步参数化分析了截面宽高比、FRP层数、FRP种类对FRP增强重组竹梁受弯性能的影响.魏洋等[3]还对15个矩形开槽钢管混凝土柱进行轴压试验,研究倒角半径和钢管厚度对其受压性能的影响,提出了矩形开槽钢管混凝土柱极限应力计算模型.

对钢筋混凝土梁而言,新型加固方法主要集中在外贴纤维增强复合材料(FRP)加固、嵌入式FRP筋加固以及体外预应力加固等. Wu等[4]对双向黏结纤维增强复合材料片材的剥离行为和耐剥落性能进行了研究,并提出膜剥离法来计算界面的断裂能. Ha 等[5]研究了界面裂缝对外贴FRP板加固梁剥离行为的影响,并采用4种不同的IC剥离模型进行了理论分析. Schmidt等[6]提出了一种新型的加固系统,该系统为嵌入式CFRP筋加固梁提供了一种活化锚固方式,该锚固方式可确保CFRP筋不过早地发生滑移破坏.吴刚等[7]进行了体外预应力钢丝绳加固法与外贴碳纤维加固法的对比试验,指出体外预应力钢丝绳可显著提升加固梁性能.这些新型加固方法对混凝土梁均具有一定的性能提升作用,但同时缺点也很突出,如:外贴FRP板加固由于端部应力集中等问题容易引发端部剥离现象,材料力学性能无法有效发挥; 嵌入式FRP筋加固受加固平面尺寸限制,嵌入筋材数量有限,对混凝土梁性能提升作用较小; 体外预应力钢丝绳加固同样受加固平面可放置锚具数量影响,限制了其性能提升效果.

在组合加固研究方面,Li等[8]对嵌入CFRP筋、外贴CFRP布和体外预应力钢丝绳组合加固钢筋混凝土梁进行了试验研究,指出体外预应力钢丝绳可以改善CFRP材料加固梁的开裂行为和延性.康俊涛等[9]提出了一种将钢板锚固于钢筋混凝土梁底部,CFRP布施加预应力后粘贴于钢板上,实现对梁进行组合加固的新方法. Darain 等[10]对外贴CFRP布和嵌入式CFRP筋组合加固方法进行了试验研究,并提出了一种基于力矩旋转法的仿真方法来预测组合加固梁性能.张依睿等[11]提出了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的完整计算模型,并给出了应力-应变关系全曲线预测模型.

综上所述,单一加固方法受加固空间、不利破坏模式等因素限制,无法大幅提升混凝土梁性能,当需要对结构进行超强加固而不仅仅是恢复承载力时,采用组合加固方法是必然途径.然而目前组合加固研究思路相对局限,主要采用内+表(嵌入式加固+外贴加固)的组合思路,其效果受混凝土受压区控制,一定程度上无法突破结构本身设计局限,提升效果不大.

针对因使用要求提高、设计变更等导致需要进行超强(或超设计)加固的混凝土梁,本文基于内+外(嵌入式加固+体外加固)与表+外(外贴加固+体外加固)组合加固思路,提出了嵌入式CFRP筋+体外预应力钢丝绳与外贴CFRP布+体外预应力钢丝绳组合加固混凝土梁新方法.详细介绍了组合加固工艺,并对组合加固混凝土梁的抗弯性能进行了试验研究; 讨论了不同加固方式(单一加固与组合加固)对钢筋混凝土梁破坏模式、裂缝发展以及抗弯承载力、延性、刚度等力学性能指标的影响; 最后通过与理论分析结果的对比,验证了试验结果的合理性以及理论计算方法的有效性.

1 组合加固工艺

本试验采用内+外、表+外组合加固混凝土梁方案.由于涉及纤维筋材嵌入式加固、纤维板材粘贴加固、预应力高强钢丝绳体外加固等多种加固工艺的组合,材料种类较多、工法相对复杂,因此首先对组合加固工艺进行了室内模拟,验证了内+表+外组合加固工艺的可行性.其具体工艺流程如下:

① 表面处理平整,用混凝土锯切割凹槽,用锤子去除混凝土凸起,同时使下表面粗糙,然后用钢丝刷和高压喷嘴清洁凹槽,如图1(a)所示.

② 用环氧树脂填充凹槽的一半,植入CFRP筋并轻轻按压,然后用环氧树脂填平凹槽,如图1(b)所示.

③ 表面清洗并喷底漆,然后涂一层环氧树脂并用油漆辊滚压,粘贴CFRP布,再涂一层环氧树脂并固化7 d,如图1(c)、(d)所示.

④ 在梁两端钻孔并安装钢锚,然后将钢丝绳放入铝套中,用液压千斤顶将铝套锁紧,再用螺纹杆将铝套固定到钢锚上,最后拧紧控制螺栓使钢丝绳产生预应力,直到传感器读数为设计预张力时拧紧锁紧螺母,如图1(e)所示.

⑤ 采用水泥砂浆抹面,覆盖钢锚和钢丝绳,如图1(f)所示.

内+外组合加固和表+外组合加固采用的工艺分别为①、②、④、⑤和③、④、⑤.

图1 组合加固法步骤

图1 组合加固法步骤

2 试验方案2.1 材料性能

试件采用的混凝土实测立方体抗压强度为43.5 MPa,钢筋实测屈服强度为382.4 MPa,理论计算中钢筋应力应变关系按理想弹塑性材料考虑.采用CFRP筋材、CFRP布材以及预应力钢丝绳进行加固.其中,CFRP筋的直径为6 mm,单层CFRP布的厚度为0.167 mm.为方便预应力张拉与锚固,特选用高强度、低松弛、高延性的预应力钢丝绳,其公称直径5 mm.采用的环氧树脂胶抗拉强度为35.6 MPa,拉伸模量为3.7 GPa,断裂伸长率为1.3%.采用的高性能锚固和防护砂浆抗压强度为63 MPa.主要加固材料的力学性能如表1所示,其中t为CFRP布厚度,d为钢丝绳或CFRP筋直径,b为CFRP布宽度,A为加固材料横截面面积,Es为弹性模量,εcu为极限拉应变,fu为极限抗拉强度.

表1 主要加固材料的力学性能

表1 主要加固材料的力学性能

2.2 试件设计

试验首先制作了6根矩形截面梁,截面尺寸为150 mm×300 mm,长度2 m; 试验梁底部配有3根直径14 mm的钢筋,顶部配有2根直径6 mm的钢筋,梁跨度内箍筋为Ф8 mm@80 mm; 混凝土保护层厚度为20 mm.其中,1根为未经加固的对比试件; 3根梁分别采用单一加固方法加固,即外贴CFRP布(2片)加固、嵌入式CFRP筋(2根)加固、体外预应力钢丝绳(6根)加固; 另外2根梁分别采用外贴CFRP布+体外预应力高强钢丝绳组合加固、嵌入式CFRP筋+体外预应力钢丝绳组合加固的方式.不同加固工艺按照等强原则进行配筋设计.但是由于材料本身的限制,最终CFRP筋强度略大,其次为钢丝绳强度,CFRP布强度最小,但相差不大,可近似看作等强.加固梁构造如图2所示,图中P为施加载荷.各试件编号及加固方法等见表2.

图2 加固梁截面尺寸、构造方式、试验加载与测点布置图(单位:mm)

图2 加固梁截面尺寸、构造方式、试验加载与测点布置图(单位:mm)

2.3 加载方案和量测内容

试验梁采用四点加载法,通过分配梁将荷载传给试件,跨度为1 800 mm,加载方案如图2所示,试验中所有加固梁均为一次受荷.利用传感器和数显静态应变仪控制荷载大小及加载进程.钢筋屈服前,使用力控制加载,开裂前加载速率为5 kN/min,开裂后加载速率为10 kN/min; 钢筋屈服后,

表2 各梁加固方式及试验结果

表2 各梁加固方式及试验结果

使用位移控制加载,加载速率为2 mm/min,直到试件破坏.

试验过程中测量各级荷载下混凝土关键区域应变、加固材料的应变、跨中截面的挠度、裂缝发展等.应变片的布置如图2所示,梁跨中截面挠度由线性速度位移传感器(LVDT)测得,裂缝宽度由数字裂缝宽度测量仪测得.

3 试验结果

各试验梁的试验结果及破坏模式如表2所示.其中,Pcr为混凝土梁开裂荷载,Py为混凝土梁纵筋开始屈服时荷载, Pmax表示最大承载力; αcr、αy 和 αmax 分别表示各加固梁L2~L6的开裂荷载、屈服荷载、最大承载力相对于未加固梁L1的提高比例; Δy、Δu分别为钢筋屈服和极限荷载对应的跨中挠度.

3.1 荷载-挠度关系和破坏模式

各试验梁的荷载-挠度关系曲线如图3所示,组合加固梁破坏模式如图4所示.

未加固梁L1加载到36 kN时,跨中出现第1条弯曲裂缝.加载到135 kN时,纵筋开始屈服.加载到140 kN左右时,荷载-挠度曲线出现明显转折(本文定义为梁屈服),变形急剧增加.荷载达到166 kN时受压区混凝土压坏,属于典型的适筋梁受弯破坏.

外贴CFRP布加固梁L2加载初期刚度与梁L1梁相近.加载到49 kN时跨中出现第1条裂缝,之后由于CFRP布应力迅速提升,梁刚度较L1梁有明显提升.加载到170 kN左右时,梁屈服,但由于外贴CFRP布继续发挥作用,梁承载力进一步提高.当加载到223 kN时,CFRP布端部出现局部剥离,荷载小幅下降后继续增加,这是因为未剥离的

图3 各梁的荷载-挠度曲线

图3 各梁的荷载-挠度曲线

CFRP布进一步发挥了更大作用.当加载到237 kN时,由于CFRP布应力过大带动了试验梁保护层混凝土的突然剥离,进而导致试验梁破坏,破坏时CFRP布未断裂,反映CFRP布强度未充分发挥.

嵌入式CFRP筋加固梁L3初期刚度与L1梁相比略微提高,加载到44 kN时跨中出现第1条弯曲裂缝.开裂后,CFRP筋发挥作用.当加载到170 kN左右时,梁屈服,CFRP筋开始发挥较大的作用,刚度与梁L1相比提高,梁承载力也进一步增加.当加载到241 kN时,其中一根CFRP筋发生整

图4 组合加固梁破坏特征

图4 组合加固梁破坏特征

体剥离,梁破坏.破坏时CFRP筋未断裂,反映CFRP筋强度未充分发挥.继续加载,荷载-挠度曲线有一个缓慢上升段,这是由于此时另一根CFRP筋强度没有得到充分发挥,可以进一步承受荷载,当这根CFRP筋剥离后,梁承载能力不再提高.

体外预应力钢丝绳加固梁L4初期刚度与L1梁相比显著提高.加载到96 kN时,跨中出现第1条弯曲裂缝.加载到230 kN左右时,梁屈服,荷载增加缓慢,但位移急剧增加.继续加载,荷载达到292 kN时,受压区混凝土破坏、钢丝绳在跨中断裂,荷载快速下降后稳定在150 kN左右,梁破坏.

外贴CFRP布+体外预应力钢丝绳组合加固梁L5、嵌入式CFRP筋+体外预应力钢丝绳组合加固梁L6的初期刚度与单一加固梁L2、单一加固梁L3相比有显著提高.分别加载到93、84 kN时梁L5、L6跨中出现第1条弯曲裂缝.开裂后,CFRP材料和钢丝绳发挥作用.当分别加载到216、200 kN时,梁L5、L6屈服,由于加固材料继续发挥作用,梁承载力进一步提高.梁L5加载到248 kN时,CFRP布发生局部剥离扰动,随之预应力钢丝绳依次断裂,并伴随受压区混凝土破坏,如图4(a)所示,梁破坏; 梁L6加载到263 kN时,听到砰的一声(推测为CFRP筋滑移),随后预应力钢丝绳快速断裂,受压区混凝土被压坏,如图4(b)所示,梁破坏.

3.2 裂缝发展模式

各试验梁破坏时裂缝分布如图5所示.裂缝发展与分布主要有以下特点:

1)所有加固梁的裂缝发展速度(较未加固梁)相对缓慢.相同荷载下,裂缝宽度明显减小; 极限状态时,裂缝终端离梁顶的距离更大.这反映各加固措施对混凝土梁裂缝发展均存在一定限制作用.

2)采用嵌入式CFRP筋加固梁L2与外贴CFRP布加固梁L3由于在接近极限阶段时CFRP材料的黏结滑移作用,导致裂缝分布细密间呈树根状,且剪区斜裂缝数量相对较多.这主要是由于采用CFRP材料加固梁端部易存在应力集中现象,导致加固梁底产生了剪应力和拉应力,其对受剪区混凝土抗剪不利.

3)采用了体外预应力钢丝绳加固措施的试验梁L4、L5、L6较其他加固梁L2、L3裂缝分布较稀疏,裂缝发展速度更为缓慢,剪区裂缝数量也更少.

图5 各试验梁裂缝分布示意图

图5 各试验梁裂缝分布示意图

其主要原因是钢丝绳加固时外立面采用的水泥砂浆封装层限制了内部CFRP材料的黏结滑移,使得梁体裂缝相对集中,且钢丝绳加固时在端部采取了可靠的锚固措施,钢丝绳中的拉应力对梁受剪区混凝土影响较小.

由此可见,采用体外预应力钢丝绳加固措施对混凝土梁裂缝发展的限制作用最大,采用该措施进行组合加固时,有利于改善因内部加固材料黏结滑移、应力集中等对裂缝发展带来的不利影响,体现出优越的组合加固效应.

4 试验结果讨论4.1 开裂荷载与屈服荷载4.1.1 开裂荷载

未加固梁L1的开裂荷载为36 kN,外贴CFRP布加固梁L2与嵌入式CFRP筋加固梁L3开裂荷载分别为49、44 kN,较梁L1分别提高了36%与23%.这是由于当混凝土达到极限拉应变开裂时,按照平截面假定,CFRP材料也承受了一定荷载,提升作用有限.采用体外预应力钢丝绳加固措施的试验梁L4、L5、L6开裂荷载分别为96、91、85 kN,较梁L1分别提高了167%、153%、136%,提升效果显著.与单一CFRP材料加固梁L2、L3相比,组合加固梁L5、L6(将一半CFRP材料用近似等强的钢丝绳替代)的开裂荷载分别提升了85.7%、93.2%,表明CFRP材料和钢丝绳组合后可显著提高梁的开裂荷载. 这主要得益于预应力结构的先天优势,即钢丝绳在施加预应力后,梁底部受拉区混凝土受到预压应力作用,梁受弯开裂前须首先抵消这部分压应力的作用,使得开裂荷载较无预应力结构明显提高.与单一钢丝绳加固梁L4相比,组合加固梁L5、L6的开裂荷载下降不显著,同时可大幅减少体外钢丝绳的数量,方便其布置.

4.1.2 屈服荷载

由于本文采用的CFRP布与CFRP筋均为线弹性材料,钢丝绳在拉伸应力较小时也可当作线弹性材料处理,因此未加固和加固梁的屈服均由受拉钢筋屈服控制.未加固梁L1的屈服荷载为135 kN,外贴CFRP布加固梁L2和嵌入式CFRP筋加固梁L3的屈服荷载均为170 kN,较梁L1提高了26%.这是由于当受拉钢筋屈服时,按照平截面假定,CFRP材料承受了部分荷载,而体外预应力钢丝绳加固梁L4的屈服荷载为234 kN,比梁L1提高了73%.组合加固梁L5、L6屈服荷载比梁L1分别提高了60%、48%,与单一CFRP材料加固梁L2、L3相比分别提高了27%、12%.其主要原因是采用体外预应力加固时,体外布置的钢丝绳较外贴与内嵌CFRP材料的受力力臂更长,使得受弯初期钢丝绳应力提升更快,分担的受拉承载力相对较大,延缓了内部受拉钢筋的屈服.单独采用CFRP布加固梁L2的屈服荷载和单独采用CFRP筋加固梁L3的屈服荷载相当,但当以上2种措施分别与钢丝绳组合后(分别得到加固梁L5与L6),加固梁L5的屈服荷载略高于加固梁L6. 这表明钢丝绳与CFRP布组合后,对CFRP布的限制约束作用更大,体现出更好的组合加固效应.

4.2 最大荷载

未加固梁L1最大承载力为166 kN,外贴CFRP布加固梁L2、嵌入式CFRP筋加固梁L3的最大承载力分别为237、241 kN,分别较梁L1提高了43%和46%.而组合加固梁L5、L6的破坏模式虽然仍由CFRP布与CFRP筋的剥离破坏控制(与相应单一CFRP材料加固梁L2、L3相同),但最大承载力与梁L1相比分别提高了49%、58%,与对应单一CFRP材料加固梁相比分别提高了4.6%、9.1%. 其主要原因是单一CFRP材料加固梁过早地发生了纤维材料剥离或滑移破坏,纤维材料受力性能未能充分发挥; 而采用组合加固后,体外钢丝绳加固层对纤维材料起到了保护和约束作用,一定程度上限制或延缓了纤维材料剥离、滑移等不利破坏模式. 比如组合加固梁L6,在发生CFRP筋滑移时,其对应挠度值明显大于单一加固梁L3发生CFRP筋剥离时的挠度值(见图3); 同时在预应力钢丝绳的共同作用下,促使了组合加固梁承载力的进一步提升.

4.3 刚度和延性4.3.1 刚度

通过观察所有梁的荷载-挠度曲线(见图3)可知,在混凝土开裂前,荷载-挠度曲线表现为线性增长,直至试验梁初始开裂后,荷载-挠度曲线增长趋势放缓,反映梁刚度降低.当钢筋屈服后,所有试验梁荷载-挠度曲线均表现出明显拐点,梁刚度进一步减小,试验梁进入塑性阶段.

梁屈服前,外贴CFRP布加固梁L2与嵌入式CFRP筋加固梁L3的初始刚度与未加固梁L1相差较小,反映CFRP材料加固对混凝土梁初始刚度影响较小,以往研究[12]也已证实.体外预应力钢丝绳加固梁L4由于体外预应力的作用导致试验梁截面混凝土受压区高度增加,截面抗弯刚度变大[13].与未加固梁L1、单一CFRP材料加固梁L2、L3相比,组合加固梁L5、L6初期刚度有一定幅度提高.这是因为施加预应力后,在梁受拉区建立了较大的预压应力,延缓了混凝土的开裂,对梁刚度的提高效果显著.梁屈服后,由于弹性加固筋材的作用,加固梁均表现出稳定的屈服后刚度特性[14],加固梁L2~L6的屈服后刚度均远大于未加固梁L1,而组合加固梁L5、L6的屈服后刚度大于单一CFRP材料加固梁L2、L3,表现出更好的屈服后刚度特性.

4.3.2 延性

本文定义钢筋开始屈服时对应的位移为屈服位移Δy,定义荷载下降至85%最大荷载时对应的位移值为极限位移Δu,延性系数定义为Δuy,结果见表2.可见,采用体外预应力加固梁L4~L6的屈服位移较未加固梁或单一CFRP材料加固梁L1、L3明显提高(梁L2除外,原因可能为梁L2在加载初期加载端存在空隙或产生了少许滑移),其主要是由于预应力作用使加固梁产生了略微反拱,推迟了受拉钢筋的屈服.与未加固梁L1相比,组合加固梁L5、L6的极限位移明显更小.这是因为未加固梁的破坏以混凝土压溃控制,而组合加固梁的破坏以CFRP材料达到极限拉应变控制,实际试验过程中还存在CFRP材料提前剥离、滑移等因素,因此组合加固梁的延性比未加固梁差.与对应的单一CFRP材料加固梁L2、L3相比,由于组合加固梁纤维材料破坏被延缓(原因见4.2节),其极限位移更大,而由于预应力作用,组合加固梁产生了反拱,其屈服位移也更大,最终其延性与单一CFRP材料加固梁相当; 与钢丝绳加固梁L4相比,屈服位移相差不大,破坏都是以加固材料达到极限拉应变控制,极限位移也相差不大,最终组合加固梁延性和钢丝绳加固梁延性相当.可见,组合加固梁和单一CFRP材料加固梁、单一钢丝绳加固梁相比,其延性相当,和未加固梁相比其延性更差.

5 组合加固梁受弯最大承载力理论分析

当混凝土梁采用内+表+外,即嵌入式CFRP筋(MB)+外贴CFRP布(BP)+体外预应力钢丝绳(PS)进行组合加固时,截面配筋如图6(a)所示.可能出现4种破坏模式:① 受压区混凝土达到极限压应变压碎; ② 体外预应力钢丝绳达到极限拉应变断裂(为了方便计算,将钢丝绳应力应变关系按能量等效原理简化为理想弹塑性材料考虑); ③ CFRP布达到极限拉应变断裂; ④ CFRP筋达到极限拉应变断裂.不考虑CFRP布与CFRP筋的滑移,根据平截面假定,可推导出4种破坏特征对应的各种材料的应变,如图6(b)所示.

图6 截面配筋及受力图

图6 截面配筋及受力图

1)受压区混凝土达到极限压应变压碎

εs=(εcu)/x(hs-x)(1)

εBP=(εcu)/x(hBP-x)(2)

εMB=(εcu)/x(hMB-x)(3)

εPS=(εcu)/x(hPS-x)(4)

式中,εs、εBP、εMB、εPS分别为受拉区钢筋、CFRP布、CFRP筋、预应力钢丝绳的应变; εcu为混凝土的极限压应变; hs、hBP、hMB、hPS分别为受拉区钢筋、CFRP布、CFRP筋、预应力钢丝绳中心至受压区混凝土表面的高度; x为截面的受压区高度.

2)体外预应力钢丝绳达到极限拉应变断裂

εs=(εPSu)/(hPS-x)(hs-x)(5)

εBP=(εPSu)/(hPS-x)(hBP-x)(6)

εMB=(εPSu)/(hPS-x)(hMB-x)(7)

εc=(εPSu)/(hPS-x)x(8)

式中,εc为受压区混凝土的应变; εPSu为体外预应力钢丝绳的极限拉应变.

根据材料的本构关系,可得到各种材料的应力.对矩形截面,正截面承载力应按下列公式确定:

α1fc0bx+f'sA's=fsAs+fBPABP+fMBAMB+fPSAPS(9)

M=α1fc0bx(h0-x/2)+f'sA's(h0-a's)(10)

h0=h-a(11)

a=(fsAsas+fBPABPaBP+fMBAMBaMB+fPSAPSaPS)/(fsAs+fBPABP+fMBAMB+fPSAPS)(12)

式中,M为加固后弯矩组合设计值; α1为系数,按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2019)的规定计算; fc0为混凝土轴心抗压强度设计值; fs、f's分别为普通钢筋抗拉强度与抗压强度设计值; fBP、fMB、fPS分别为CFRP布、CFRP筋、预应力钢丝绳抗拉强度设计值; As、A's分别为普通钢筋受拉区、受压区截面面积; ABP、AMB、APS分别为CFRP布、CFRP筋、预应力钢丝绳截面面积; b为矩形截面宽度; h0为截面有效高度; h为未加固梁截面高度; aBP、aMB、aPS分别为CFRP布、CFRP筋、预应力高强钢丝绳合力点至截面受拉边缘的距离; as、a's分别为受拉区、受压区普通钢筋的合力作用点至受拉区、受压区边缘的距离; a为受拉区普通钢筋、CFRP布、CFRP筋及预应力高强钢丝绳合力作用点至受拉区边缘的距离.

各试验梁破坏模式、最大荷载等理论计算值如表3所示.其中,xth为理论受压区高度; Pmax_th为理论最大荷载; Err=(Pmax- Pmax_th)/Pmax_th为最大荷载试验值与理论值的误差.

表3 各试验梁理论破坏模式与最大荷载理论值

表3 各试验梁理论破坏模式与最大荷载理论值

表3可知,各加固梁截面受弯理论破坏模式与试验结果基本吻合,采用纤维材料加固的试件由于试验中存在剥离、滑移等不可控因素,导致试验破坏模式与理论有些许不同.如L5梁理论破坏控制因素为CFRP布断裂,而试验中破坏模式为CFRP布剥离,但总体上破坏控制因素吻合,反映了理论计算方法在加固梁最大荷载极限状态判别上的准确性.

对于未加固梁L1按照典型受弯梁计算,梁发生适筋破坏,最大荷载理论值为150 kN,比试验值低10.7%.这是由于理论计算中未考虑受力钢筋强化效应,因此理论计算值偏小.对于外贴CFRP布加固梁L2和嵌入式CFRP筋加固梁L3,最大荷载试验值较理论值分别降低7.8%与9.4%.这是由于试验时CFRP材料发生剥离、滑移导致加固材料强度未充分发挥.对于体外预应力钢丝绳加固梁L4,假设梁发生钢丝绳断裂破坏时,极限荷载理论值为276 kN,约比试验值降低5.8%.这说明单独采用钢丝绳加固时,材料强度可得到充分发挥,典型受弯梁计算理论偏于安全.

对于组合加固梁L5、L6,假设梁发生体外预应力钢丝绳断裂破坏,此时CFRP布与CFRP筋的应变分别为1.75%与1.69%(均超过了材料的极限拉应变),说明组合加固梁破坏模式由纤维材料断裂控制.在此情况下,L5、L6梁最大荷载理论值分别为266与271 kN,试验值相比理论值分别降低6.8%与3.0%,其原因同样是由于纤维材料剥离、滑移等不可控因素导致.但组合加固梁最大荷载试验值与理论值的误差更小(与单一CFRP材料加固梁相比).这充分证明采用组合加固时,外层钢丝绳加固层对内部CFRP布与CFRP筋起到了保护和约束作用,一定程度上限制或延缓了纤维材料剥离、滑移等不利破坏模式,显示出优越的组合加固效应.

6 结论

1)外贴CFRP布+体外预应力钢丝绳组合加固与嵌入式CFRP筋+体外预应力钢丝绳组合加固均可有效提高混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和抗弯刚度,同时可以不降低用其他方式加固梁的延性.

2)与采用CFRP布或CFRP筋单一加固梁相比,组合加固梁由于体外钢丝绳加固层对内部纤维材料的约束和保护作用,有效限制了纤维材料剥离、滑移等不利破坏模式,可实现对加固筋材强度利用率的有效提升,体现出优越的组合效应.

3)通过理论分析可知,组合加固梁破坏模式、最大承载力等理论分析结果与试验结果基本吻合,推导的理论计算方法可实现对组合加固梁最大承载力的准确评估.

参考文献