加固层长度对PVA-RFCC加固梁抗弯性能影响的实验研究

杜文平 杨才千,2 王 冲 潘 勇 孟春麟

(1 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096)(2 湘潭大学土木工程与力学学院，湘潭 411100)(3 江苏东部高速公路管理有限公司，盐城 224002)

近年来，PVA-RFCC因具有良好的抗裂、延性、耗能、抗火和耐腐蚀等性能以及施工简易方便而被广泛应用于混凝土梁、柱、砖墙、楼面板以及隧道等加固维修中[1-6].PVA-RFCC是一种以聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)作为基体、间距紧密的多层钢丝网，或者以小直径钢筋作为增强材料组成的薄壁结构材料.此复合材料中纤维增强水泥基复合材料主要用于提高基体的韧性、延性和抗腐蚀性能，钢筋(丝)网用于提高极限承载力、初始刚度、耗能和抗冲击等性能.将PVA-RFCC作为加固层，采取U形加固方式，可以明显提高实验梁的抗弯承载力、抗裂性能和抗弯刚度[7-9].在此加固材料中，钢丝网的配筋率是影响加固梁力学性能的一个重要参数，通过实验研究发现，承载力提高幅度随着钢丝网的配筋率增加而增加，但砂浆强度对力学性能的影响比较小[10].虽然钢丝网可以提高结构的力学性能已经被证实，但因其对承载力提高的幅度有限，仍无法满足某些特殊工程需求.因此，将钢筋、钢丝网和砂浆混合作为加固材料对钢筋混凝土梁进行加固，发现钢筋可以大幅度提高屈服荷载和极限承载力，钢丝网可以明显改善梁的抗裂性能[11].水泥砂浆的抗拉性能和极限拉应变比较低，因此用纤维增强混凝土代替砂浆作为基体材料.与普通混凝土相比，选钢纤维增强混凝土和钢丝网加固梁时，开裂荷载提高2.7倍，抗弯承载力提高104.9%[12-13].在水泥砂浆中加入聚丙烯纤维，可以明显改善梁的延展性[14].但众多研究中，并未对不同加固层长度影响加固梁的力学性能进行探讨.

本文将PVA-RFCC作为加固材料，探讨了加固层长度对加固梁抗弯性能的影响.结合实验结果，提出了一种适用于不同加固层长度加固梁的等效计算方法，并建议加固层长度的取值范围.

1 实验

1.1 实验材料

钢筋混凝土梁的设计强度为C30，保护层厚度为30 mm.在浇筑同批次实验梁时，预留3个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的方体试块，平均抗压强度为31.2 MPa.PVA-RFCC由水泥、粉煤灰、硅灰、砂子、减水剂、纤维和钢筋(丝)网按照一定比例配制而成.PVA-ECC的水胶比为0.3，PVA纤维体积掺量为1.5%.选用材料为P.O.42.5级的普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、粒径在30 ～100目之间的细石英砂、聚羧酸类高性能减水剂、自来水和PVA纤维.PVA纤维的长度为12 mm，直径为39 μm，抗拉强度为1 620 MPa，伸长率为7%，弹性模量为42.8 GPa，密度为1.3 g/cm3.

浇筑同批次加固层试件时，预留3个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，平均抗压强度为45.2 MPa.钢丝网(SM)的直径为2 mm，网格间距为25 mm×25 mm；钢筋网(RM)的直径为8 mm，网格间距为50 mm×50 mm.

1.2 试件制备

共设计5根钢筋混凝土梁，包括1根对比梁(CB)和4根PVA-RFCC加固梁.梁截面尺寸为200 mm×300 mm，梁总长度L=2 600 mm，净跨为2 400 mm.纵向受拉钢筋采用2根直径为18 mm的HRB500螺纹钢筋，架立筋为2根直径为12 mm的HRB400螺纹钢筋，箍筋采用直径为8 mm的HPB300光圆钢筋.加固层厚度t=60 mm，实验梁的具体参数和横截面配筋如图1所示.

图1 试件参数与配筋图(单位：mm)

加固梁CRL1～CRL4的长度l分别为1 200、1 700、2 200、2 600 mm.实验梁在标准养护28 d后进行加固处理.浇筑加固层之前，对梁底面进行打磨和凿毛处理.按照L形剪力连接件的布置方式，进行钻孔、清孔、布设剪力连接件和喷射环氧型植筋胶.其中钻孔的直径为10 mm，孔深度为60 mm.剪力连接件直径为6 mm的HRB400钢筋，满足规范(CECS 242:2016)[15]中钻孔深度不小于8倍剪力连接件直径的要求.布设剪力连接件时，在加载点和支座处进行加密.

1.3 加载装置和测点布置

本实验采用如图2所示的加载装置，由反力架、支座、分配梁和油泵等组成.采取力控制加载方式，在实验梁开裂之前，加载速率为每级5 kN.实验梁从开裂到破坏，加载速率为每级10 kN.

图2 加载装置及测点布置(单位：mm)

在实验梁侧面粘贴7个应变片，观测混凝土应变随着梁高方向的变化规律.其中，前6个应变片用于测量主梁混凝土的应变，靠近梁低端的应变片用于测量PVA-RFCC的应变.在加载点和跨中共布置3个位移计，量测位移随荷载的变化规律.裂缝宽度由测宽仪测量，裂缝发展由人观测，且用蓝色马克笔进行标记.

2 实验结果与分析

2.1 破坏形式

图3给出了实验梁的破坏形式.由图可知，实验梁的破坏形式以弯曲破坏为主，裂缝发展规律基本相似.裂缝主要由纯弯段的弯曲裂缝和弯剪区的斜裂缝组成.梁CB破坏属于塑性(适筋梁)形式，受拉区钢筋屈服，受压区混凝土出现水平裂缝，最终因混凝土压碎而失效(见图3(a)).梁CRL1在加载点发生破坏，两端均发生一定长度的剥离(见图3(b)).梁CRL2和CRL3均在界面剥离处产生斜裂缝，随着荷载的增加，裂缝向加载点不断扩展，植筋发生断裂或被拔出，加固层剥离明显，导致实验梁破坏发生在弯剪区，如图3(c)和(d)所示.发生此现象是因为在外荷载和自重作用下，端部易发生剥离，在加固端部未增加额外锚固措施.在梁CRL4破坏前，受压区混凝土没有出现裂缝，加固层整体性完好.随着荷载的增加，主裂缝逐渐变宽，加固层与主梁界面之间产生小剥离，最终受压区混凝土压碎，RM和SM断裂，荷载骤降，梁发生破坏(见图3(e)).

(a) CB

(c) CRL2

(d) CRL3

(e) CRL4

图4为实验梁的开裂荷载图.图中，Pcr为梁初始开裂荷载；P0.2、P0.3分别表示最大裂缝宽度为0.2和0.3 mm时对应的荷载.由图可知，相同的裂缝宽度下，加固层长度的改变会导致梁的抗裂性能改变.与梁CB的初始开裂荷载(Pcr)相比，随着加固层长度的增加，开裂荷载整体呈现出增长趋势，最大增幅达71%，梁CRL1的增幅不显著.当最大裂缝宽度为0.2和0.3 mm时，随着加固层长度增加，荷载逐渐增大，较梁CB的最大增幅分别达123%和103%，而梁CRL1的变化幅度比较小.说明随着加固层长度的增加，抗裂性能整体呈增长趋势，但当加固层长度较小时，其改变对梁的抗裂性能影响不明显.

图4 实验梁开裂荷载图

2.2 荷载-挠度曲线

图5为实验梁的荷载-挠度曲线.由图可知，相同的挠度下，实验梁极限荷载由大到小为CRL4、CRL3、CRL2、CB、CRL1.图6给出了实验梁在弹性阶段和屈服阶段的刚度系数.刚度系数定义为加固梁刚度与对比梁刚度的比值.由图可知，随着加固层长度的增加，刚度系数整体逐渐增大.当加固层长度从1 200 mm增加到2 600 mm时，在弹性阶段，刚度系数增加41%～60%；在屈服阶段，刚度系数增加14%～49%.与弹性阶段相比，刚度系数在屈服阶段明显降低.究其原因在于，在弹性阶段，荷载比较小，受力体是由受压区混凝土和受拉区混凝土、主梁钢筋以及PVA-RFCC组成，故刚度增加较为明显；在屈服阶段，拉力主要由PVA-RFCC和主梁的受拉钢筋共同承担，钢筋全部屈服，导致刚度的增加速率逐渐降低.

图5 荷载-挠度曲线

图6 刚度系数

表1为实验梁的承载力和挠度结果.由表可知，加固层长度对梁的屈服荷载Py、极限荷载Pu和位移延性系数μ的影响不同.随着加固层长度的增加，屈服荷载和极限荷载逐渐增大，较梁CB的最大增幅达100%和89%，而梁CRL1与梁CB性能基本相当.位移延性系数定义为极限位移Δu与屈服位移Δy的比值.随着加固层长度的增加，位移延性系数逐渐下降；未进行全底面加固时，较梁CB的降低幅度约12%，进行全底面加固时，降低幅度高达52%.全底面加固导致位移延性系数大幅降低的原因在于，钢筋网和钢丝网的断裂需释放大量能量，缩短了力传递给剪力连接件和主梁钢筋的时间，加快了主梁钢筋的屈服，导致主梁在钢筋屈服后快速失效.为了保证位移延性系数不大幅降低的情况下，极限荷载得到明显改善，不建议进行全底面加固.同时，建议在进行构件加固设计时，综合考虑承载力和位移延性系数2个因素.

表1 承载力与挠度的实验结果

2.3 跨中截面应变

图7为实验梁跨中截面应变分布图.由图可知，在弹性阶段，应变沿着梁高方向呈现出线性变化，符合平截面假定.开裂之后，应变沿着梁高方向呈现Z形分布，变化规律符合拟平截面假定[16].在混凝土开裂前，应变增长速率比较小，应变随着荷载基本呈线性变化.当受拉区混凝土开裂以后，应变增长速率逐渐加快，截面不再符合拟平截面假定.PVA-RFCC应变大于混凝土应变，体现了PVA-ECC的多开裂和超高抗拉性能.当荷载为150 kN时，加固层长度为1 200 mm中的应变突然减小(见图7(b))，这是因为加固层与主梁之间发生剥离破坏.

3 极限承载力分析

极限承载力分析时，混凝土的应力-应变本构关系根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)选取，为二次抛物线和水平线组成的曲线.钢筋的应力-应变本构关系采用简化的理想弹性-全塑性曲线，在钢筋受拉屈服之前，钢筋应力和应变成正比；钢筋受拉屈服之后，钢筋应力保持不变.图8为PVA-ECC的应力-应变本构关系，是由双直线段组成.极限承载力分析计算时，忽略加固层与主梁之间的滑移，忽略剪力连接件提供的剪力.梁的最终破坏形式为受压区混凝土压碎，钢筋(丝)网屈服，PVA-RFCC达到极限拉应变.图9为实验梁横截面的应力和应变分布图.根据截面在水平方向内力之和为零的平衡条件可得

(a) CB

(b) CRL1

(c) CRL2

(d) CRL3

(e) CRL4

(1)

图8 PVA-ECC应力-应变曲线

图9 横截面应力应变分布

截面上受压区混凝土合力作用点Cc的力矩之和等于零，由此平衡条件可得

(2)

将实验梁的具体参数代入式(2)，得到极限弯矩，除以力矩(700 mm)换算成极限承载力，结果见表2.

表2 极限承载力的实验值与理论值对比

式(1)和(2)适用的对象是全底面加固的实验梁，没有考虑不同加固层长度对极限弯矩的影响.本文在进行极限承载力计算模型推导时，提出了一种等效计算方法，将l/L(00.5时，极限荷载增长速率变快.结合表2和图10可知，理论值与实验值吻合良好，说明该等效计算方法可以有效预测不同加固层长度的加固梁极限承载力.

图10 Pu-l/L曲线

图11为μ-l/L曲线.由图可知，μ与l/L成三次函数关系(R2=0.993 4).当l/L<0.7时，曲线呈现出抛物线波动；当l/L>0.7时，曲线呈现出骤降趋势.结合图10和11可知，当l/L=0.9时，2条曲线相交，说明对梁进行加固时，不能只提高极限荷载，也需考虑改善位移延性系数.综合考虑极限承载力和位移延性系数，得出当l/L为0.5～0.7时，满足位移延性系数在不大幅度降低的情况下，极限荷载能够得到最大改善的要求.因此，加固设计时，建议将l/L值控制在0.5～0.7之间.结合实验结果，得出本实验最佳加固层长度为1 700 mm.

图11 μ-l/L曲线

4 结论

1) 除了与梁CB的适筋破坏类似以外，加固梁发生以下3种破坏形式： 梁CRL1的破坏形式为加固层局部剥离；梁CRL2和CRL3的破坏形式为剪力连接件拉断或拔出；梁CRL4的破坏形式为钢筋网和钢丝网断裂.

2) 加固层长度对梁的极限荷载和位移延性系数影响不同.与未加固梁相比，当l/L<0.5时，极限荷载增长速率比较缓慢；当l/L>0.5时，极限荷载增长速率变快.当l/L<0.7时，位移延性系数呈现出抛物线波动；当l/L>0.7时，位移延性系数骤降.因此，矩形截面梁加固设计时，需要综合考虑承载能力和位移延性系数两个因素，建议l/L取值范围为0.5～0.7.结合实验结果，得出本实验梁的最佳加固层长度为1 700 mm.

3) 理论值与实验值吻合良好，验证了所提出的等效计算方法的准确性，为后期不同加固层长度加固计算提供了理论参考.