环氧砂浆粘合剂加固混凝土梁试验研究

2018-02-13孙校伟

浙江交通职业技术学院学报 2018年4期

孙校伟

(浙江省公路管理局，杭州 310009)

0 引言

钢筋混凝土梁常因承载力不足发生破坏，常见的破坏表现是变形过大，裂缝过宽、过长，内部钢筋锈蚀或受压区混凝土被压碎等。混凝土梁的传统抗弯加固方法包括加大截面、外贴型钢、粘贴FRP、置换混凝土、外加预应力等[1]。Swamy R. N.[2]等进行了环氧砂浆粘贴钢板加固混凝土梁的试验研究，研究表明外贴钢板可以有效增大梁的刚度和提高梁的极限抗弯强度，但会因钢板厚度较薄、加固施工措施等原因容易导致钢板脱空和下挠现象。A. Li[3]等利用环氧树脂将纤维布粘贴在梁的底面及两侧面进行钢筋混凝土梁加固试验，研究表明试验梁的极限承载力可提高2倍，但却存在碳纤维参与整体受力性能差、粘结胶与原梁界面过早脱落等不足。B.Zhou[4]等利用JGN结构胶将矮工字钢粘贴在混凝土梁受拉侧下缘增大抗弯刚度，通过理论公式和FEM分析得到钢构件和混凝土梁之间的滑移可以忽略不计。Barnes R. A.[5]等研究了在混凝土梁侧面使用环氧砂浆粘贴钢板的抗剪性能，研究表明粘贴薄钢板可以提高梁的抗剪性能，粘贴厚钢板可以提高梁的抗弯性能。Lee K.S.[6]等将钢纤维(EMSF) 掺入环氧砂浆中，研究钢筋混凝土梁的抗剪性能，表明含有短纤维(35mm)的EMSF板加固混凝土梁的剪切强度最高，EMSF板可以增强梁的剪力，提高混凝土梁的变形能力。杨勇[7]等利用环氧砂浆粘贴碳纤维筋进行钢筋混凝土梁表层嵌贴加固，结果表明嵌贴碳纤维筋大大增强梁的抗弯能力。Al-Saidy A. H. 利用环氧砂浆在梁的受拉侧粘贴纺织物，试验表明砂浆粘合纺织品可以强化梁的延展性，减小变形。

以上研究中环氧砂浆多为粘结材料，利用它起主要加固作用。鉴于环氧砂浆的性能并结合前期混凝土梁的加固研究，针对钢筋混凝土梁承载力及刚度不足的问题，进行粘贴环氧砂浆层的加固试验，研究环氧砂浆层的加固效果。

1 试件规格

以实际公路梁桥中单根梁为研究对象，浇筑了三根相同的钢筋混凝土梁，尺寸为3000mm×200mm×400mm(长×宽×高)，采用C40混凝土，HRB400级钢筋，纵筋直径16mm，箍筋直径8mm。为研究环氧砂浆厚度对梁力学性能的影响规律，将梁分为DB、JG50、JG100三种试件，其中DB试件底部不涂抹环氧砂浆，JG50试件底部满布50mm厚的环氧砂浆，JG100试件底部满布100mm厚的环氧砂浆(如图1所示)，各试件所用材料如表1所示。

图1 JG100试件结构图

表1 材料参数

2 试验方案

2.1 测点布置

为观察混凝土梁的挠度变化情况，在各试件梁底跨中位置沿横向分别布置了两个位移传感器；为检测支座的沉陷情况，两支座附近分别布置一个位移传感器；为验证环氧砂浆与混凝土粘结后是否满足平截面假定，在混凝土梁、砂浆加固层及界面临近位置均布置应变测点，如图2所示。

图2 测点布置

2.2 加载机制

试验梁采用长柱压力机施加向下的集中压力，集中荷载通过分配梁实现两点加载。采用力加载模式，正式加载之前，先施加30kN的预载荷，然后缓慢卸到零，用以检查加载设备、仪器仪表和辅助装置是否正常工作。正式加载时，以20kN为一个荷载步，加载速率为5kN/min，直到接近极限承载力，试验梁出现明显变化，后减小到加载速率为2kN/min，直到试件达最大承载力。

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

DB试件：加载初期试件无明显现象；加载至50kN时，距离支座 1/3跨底部出现第一条裂纹，随后裂纹宽度及数量均随荷载增大而增多；加载至130kN时，观察到45°斜裂缝；加载到230kN时，跨中挠度迅速变大；此时，将加载速率改为2 kN/min，当跨中最大裂缝宽度超过3mm，试件发生延性破坏，此时荷载为236kN，裂缝发展如图3(a)所示。

JG50试件：原梁底部布设50mm厚的环氧砂浆，加载初期无任何明显现象；加载至50kN时，跨中混凝土底部出现小裂纹；随着荷载的增加，纯弯区出现大量的裂缝且向上延伸；加载至230kN时，试件发出微小的劈裂声；将加载速率改为2 kN/min，随着荷载增加，混凝土梁与环氧砂浆层因变形不协调出现分离现象，加载至240kN时，试验梁发出明显的断裂声，跨中位置处的砂浆层发生断裂，此时，整个试件已出现大量裂缝，判定为延性破坏，破坏现象如图3(b)所示。

JG100试件：梁底增设100mm厚的环氧砂浆，加载初期无任何明显现象；加载至110kN时，跨中混凝土底部出现微小的裂纹；荷载继续增加，纯弯区出现多条裂缝并向上延伸；加载至150kN时，距离分配梁支座100mm处出现斜裂缝；加载至250kN时，混凝土梁发出很小的劈裂声；试件随着荷载的增加发出间断的混凝土劈裂声，加载至295kN时，一声“巨响”，混凝土梁与砂浆发生脱离，界面附近发现很多横向裂缝，该破坏模式为延性破坏，如图3(c)所示。

试验梁的破坏如图3所示，裂缝发展如图4所示。

图3 试验梁的破坏形式

图4 试验梁的裂缝发展

3.2 荷载-挠度曲线

各试件的荷载-挠度关系如图5所示，根据荷载-挠度曲线，利用能量等效面积法计算各试件的名义屈服挠度Δy[8]，荷载下降至0.85Pu时所对应的极限挠度Δu，得到各试件的延性系数μv，结果见表2。

图5 荷载-挠度曲线

表2 试验结果

注：Pcr为开裂临界荷载，Pu为极限荷载，Pu提高值为试件JG50和JG100极限荷载与DB极限荷载的相对值；Δm为极限荷载所对应的位移；Δy为名义屈服位移；Δu为荷载下降至0.85Pu时的位移；μΔ=Δu/Δy为延性系数[9]。

由图5和表2可知， JG50试件的临界荷载与DB试件较为接近，而JG100试件的临界荷载提高了1.2倍；试件JG50和JG100的极限承载力分别提高了1.7%和25%，极限承载力所对应的位移分别降低了43%和55%；JG50试件的极限承载力与DB试件差异不大，故50mm厚的环氧砂浆层可以起到加固补强作用，恢复原结构的承载力；而JG100试件的极限承载力是原结构的1.25倍，考虑到加固层的高度，故100mm厚的环氧砂浆层可以起到组合梁的作用，提高结构承载力，满足特殊需求；试件JG50和JG100的前期刚度较大，达到极限荷载后，刚度迅速退化；三个试件的延性系数随砂浆加固层厚度的增加略有降低，但延性系数均大于3。

3.3 平截面假定的验证

各试件跨中截面的应变随高度的变化关系如图6所示。

图6 应变沿梁高的变化

由图6可知，DB试件在弹性阶段符合平截面假定，混凝土梁底部受拉，顶部受压，弯矩效应随荷载的增加而增大，梁底的混凝土拉应力超过其抗拉强度极限值，混凝土退出工作，拉应力全部由钢筋承担，导致中和轴上移。而加固试件的梁底是环氧砂浆加固层，故混凝土受压，砂浆加固层取代钢筋作为受拉构件；但随着荷载的增加，混凝土与砂浆变形不协调，导致受拉区的混凝土开裂，中和轴上移。加固试件的应变沿梁高的变化曲线表明，环氧砂浆与混凝土梁可以较好地协同工作；加固试验梁的拉压应变均明显小于相同荷载下的对比试件。

4 数值模拟与理论分析

4.1 有限元分析

采用ABAQUS对三个试件分别进行数值模拟分析，分别建立试件的各部件并进行组装，其中混凝土和环氧砂浆采用C3D8R单元，钢筋采用B31单元。对于材料模型，混凝土采用C40混凝土塑性损伤模型(见图7)，钢筋采用双线性等向强化模型，材料本构采用了Von Mises屈服准则，由于环氧砂浆本构模型尚不明确，将环氧砂浆定义为理想弹塑性模型(见图8)。此外，不考虑砂浆与混凝土梁之间的粘结滑移作用，采用完全固接的方法处理。

有限元采用力加载方式，跨中建立一个参考点作为加载点，并与三分点处划分的100mm×200mm矩形接触面进行耦合，如图9所示。

图7 混凝土本构关系

图8 砂浆本构关系

图9 JG试件模型

4.2 模拟结果对比

各试件荷载-位移曲线模拟值与试验值的对比如图10所示。由图10及表3可知，加固试件的前期刚度稍有差异，有限元模拟大于实际试验值，原因可能是实际试件在浇筑环氧砂浆时存在一定的缺陷，如厚度不精准、振捣不密实等，导致刚度偏小。极限承载力模拟值与试验值基本一致，极限承载力所对应的极限挠度稍有偏差，但曲线整体走势一致，最大差值1.2mm，所对应的相对误差为13.6%，原因是钢筋混凝土梁和砂浆加固层的施工工艺及粘结情况等与有限元模型存在一定偏差，但在一定许可范围之内。