十字交叉型体外预应力加固混凝土梁试验研究

贾卉琳 孟少平

(1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏南京 210006;2.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096)

1 概述

传统的体外预应力折线型加固法一般采用平行布筋的方式，即转向块间的预应力筋与梁侧平行，近年来，在房屋改造过程中，亦有预应力筋采用十字交叉型加固方式，即转向块间的预应力筋在梁底交叉。该方法已在南京红太阳集团大卖场加固工程实践中应用，还未有学者对此加固方法进行过相应的理论及试验研究。本文结合该工程的加固设计进行十字交叉型体外预应力加固后简支梁的试验分析研究。

图1 构件详细尺寸及配筋图

2 试验研究及试验结果分析

2.1 试验研究

本次试验共设计了6根普通钢筋混凝土简支梁，截面尺寸为200 mm×400 mm，长度为4 000 mm，计算长度为3 600 mm。混凝土强度等级为C30，纵向钢筋采用HRB335，箍筋为HPB235，钢筋保护层厚度为25 mm。所有梁均设计为强剪弱弯型，受压钢筋(架立筋)为2φ10，箍筋在纯弯区段为φ8@200，剪跨段加密区φ8@100。试件其他基本参数详见表1，详细尺寸及配筋图见图1。

表1 试件基本参数表

其中，DBL0为不加固的普通钢筋混凝土梁，其余构件均采用2根φj15.2的1860级低松弛预应力钢绞线进行加固，其中JGL2-2采用低松弛素钢绞线，其余加固构件均采用无粘结低松弛钢绞线。

试验分三种加固程序，第一种程序包括三个步骤:1)加竖向荷载P使构件产生裂缝，当最大裂缝宽度达到0.1 mm时停止加载。2)保持竖向荷载P大小不变，对梁进行体外预应力张拉，其中一根预应力筋先张拉到25%σcon预锚固，然后张拉另一根预应力筋到50%σcon预锚固，再张拉第一根到75%σcon预锚固，再张拉第二根到100%σcon锚固，这样分四级张拉到位。3)继续加竖向荷载，直至梁破坏。

第二种程序为:加竖向荷载P使构件产生裂缝，当裂缝宽度达到0.25 mm时停止加载。2)，3)步骤同程序一。

第三种程序为预先进行预应力张拉，其中加固程序与第一种程序2)相同，然后加载直至构件梁破坏。

图2 试验装置及加载示意图

图3 十字交叉型体外索布置图

试验装置及加载示意图见图2，十字交叉型体外索布置图见图3。

试验过程中需要量测以下数据:各级荷载下拉(压)钢筋的应变;跨中及加载点梁侧面混凝土的拉(压)应变;体外预应力筋的应力增量;各级荷载下裂缝的宽度及开展情况;支座、加载点及跨中的位移。同时，在试验中记录开裂荷载、主筋屈服荷载及破坏荷载等。非预应力筋及混凝土的应变采用YJ28A-P10R型静态电阻应变仪测量，预应力钢绞线应力采用ZX-308T型弦式数码压力传感器和JMZX300振弦检测仪测量。

2.2 试验结果及分析

构件DBL0:当荷载加到20 kN时，跨中附近出现细小可见裂缝。当加载到30 kN时，最大裂缝宽度为0.1 mm。约到45 kN时裂缝基本出齐。此后随着荷载的继续增加，梁的挠度变形与裂缝宽度不断增加。当加载到65 kN时，钢筋屈服。当加载到85 kN时达到极限承载力，跨中挠度不断增加，裂缝宽度增加较快，构件已破坏。最终跨中挠度为26 mm。

构件JGL1-1:第一阶段当荷载加到25 kN时，跨中附近出现可见裂缝。加载到27 kN裂缝宽度0.05 mm。荷载35 kN时新的裂缝出现，最大裂缝宽度为0.1 mm。保持此时荷载不变进行加固。加固过程中裂缝宽度和构件挠度不断减小，当两根体外钢绞线拉力均达到90 kN时裂缝完全闭合，该值与计算值非常接近。加固结束后，跨中挠度由加固前的2.8 mm变为向上反拱。第二阶段继续破坏性试验，当加载到150 kN时，加固后闭合的裂缝重新开裂，到167 kN时最大裂缝宽度达到0.1 mm。当加载到230 kN受拉钢筋屈服，此时裂缝已基本出齐，且呈弥散状。到荷载为298 kN时，千斤顶油压表读数已无法稳定，构件变形急剧增加，受压区混凝土压碎，构件宣告破坏。构件跨中挠度20 mm。但卸载后在体外预应力作用下，仍有很好的变形恢复能力。

构件JGL1-2:其受力过程同JGL1-1类似。仅加载荷载存在差异。

构件JGL2-1:第一阶段当荷载加到27 kN时，跨中附近出现可见裂缝。荷载43 kN时最大裂缝宽度为0.1 mm。当荷载达到61 kN时裂缝宽度达到0.25 mm。保持此时荷载不变进行加固。加固过程中裂缝宽度和构件挠度不断减小，当两根体外钢绞线张拉拉力均达到100 kN时裂缝完全闭合。加固结束后，跨中挠度由加固前的6 mm变为向上反拱。第二阶段继续破坏性试验，当加载到150 kN时，加固后闭合的裂缝重新开裂，到163 kN时原有裂缝的最大宽度达到0.1 mm。继续加载，不断出现新的裂缝，原有裂缝不断向上延伸，宽度不断增大，受剪区也有新的裂缝出现。当加载到275 kN受拉钢筋屈服。到荷载为337 kN时，构件变形急剧增加，受压区混凝土压碎，构件宣告破坏。构件跨中挠度25 mm。卸载后构件亦有较好的变形恢复能力。

构件JGL2-2:由于配筋率比其他构件高，其出现裂缝及其他阶段荷载也有所增加。

构件JGL3:由于在未施加荷载的情况下进行加固，当加固结束时，构件反拱达到1.9 mm，然后进行破坏性试验，当荷载达到150 kN时出现裂缝，174 kN时转向块处出现最大裂缝，宽度为0.1 mm，182 kN时跨中裂缝宽度达到0.1 mm。继续加载，裂缝不断开裂并向上延伸，宽度不断变大。当加载到244 kN受拉钢筋屈服。到荷载为290 kN时，受压区混凝土压碎，构件宣告破坏。构件跨中挠度24 mm。卸载后构件亦有较好的变形恢复能力。

各构件的破坏均始于受压区边缘混凝土压碎。

2.2.1 体外预应力筋应力

1)预应力损失。试验所测得的预应力损失值如表2所示。

表2 预应力损失试验值 N/mm2

2)体外预应力筋有效应力及极限应力。体外预应力筋有效应力σpe及极限应力σpu试验值见表3。

表3 体外预应力筋有效应力σpe及极限应力σpu试验值 N/mm2

3)体外预应力筋的荷载—应力关系。体外预应力筋的荷载—应力图见图4。

图4 体外预应力筋荷载—应力图

2.2.2 各试验梁极限荷载分析

各试验梁极限荷载试验值见表4。

表4 试验梁极限荷载试验值 kN/m

2.2.3 挠度分析

1)反拱挠度。体外预应力加固梁总反拱挠度试验值见表5。

表5 体外预应力加固梁总反拱挠度试验值 mm

2)各构件梁整体挠度分析。DBL0，JGL1-1，JGL1-2，JGL2-1，JGL2-2，JGL3的整个受力过程荷载—挠度曲线如图5所示。

图5 荷载—挠度全过程曲线

可以看出:

加固后梁在相同的荷载作用下，其挠度明显小于未加固构件，可见，体外预应力加固技术可有效减小梁在正常使用荷载下的变形，并且由试验结果来看，对于减小构件挠度，十字型加固效果略好于传统的平行加固方式。

2.2.4 应变分析

1)混凝土应变。从图6可以看出，采用体外预应力加固过程中混凝土应变有一个突变，梁顶混凝土由受压转为受拉，下部由受拉变为受压。继续加载，下部混凝土又逐步由受压变为受拉。

图6 侧面梁顶混凝土荷载—应变曲线

2)受拉钢筋应变。该曲线形状与对应的荷载—挠度曲线相似(见图7)。

图7 受拉钢筋荷载—应变图

2.2.5 裂缝分析

试验所测得的各构件的开裂荷载、最大裂缝宽度为0.1 mm时荷载以及平均裂缝间距值见表6。

表6 构件梁裂缝数据试验值

3 结语

本文简要介绍了试验构件的制作、试验装置以及材料性能试验，对试验结果进行了比较分析，得出结论:1)与传统的平行加固方式相比，十字交叉型体外预应力加固对于减小梁的跨中挠度、提高梁的刚度等效果要略优于传统的平行加固方式，这是因为其二次效应较小。2)配筋率对十字交叉型体外预应力加固效果有一定的影响。3)钢绞线类型对加固效果影响很大。

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