灌浆料加固钢筋混凝土偏心受压柱研究

2021-10-23余文成王子恒刘均利

洛阳理工学院学报(自然科学版) 2021年3期

余文成，王子恒，刘均利，刘浪

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004)

由于结构老化和使用环境的影响，钢筋混凝土受压构件的承载力和耐久性会逐渐降低。在近年的结构加固和改建工程中，人们对构件的使用空间和外形美观的要求越来越严格，缩短工期和提升加固效率一直是不变的追求[1-2]。

增大截面法加固方式灵活，可以与其他加固方式有效组合，以满足实际施工中的特殊要求。并且因为施工经验丰富、技术成熟、防火和耐腐蚀性能好、加固费用低等显著优势一直是实际加固工程中应用最为广泛的一种加固方法。然而由于普通混凝土强度和弹模较低，往往造成加固层截面尺寸和结构自重增加较大，并且结合面的粘结强度直接关系到加固效果，这也是增大截面法的主要技术难题之一[3-4]。因此，有必要寻求新材料或者新技术来有效提升构件加固后的承载力。

高强无收缩灌浆料在施工现场只需要按照要求添加适量的水，拌合均匀后就可以具有自流平、早强、无收缩、无污染等多种施工优点，作为一种适用性极强的加固用材料，一直以来被广泛应用于辅助各种加固形式的施工上[5-7]。

目前，对高强无收缩灌浆料在实际加固工程上的研究主要集中在轴心受压砖柱结构和钢筋混凝土梁以及梁柱节点的抗震上。乔庆浩等[8]在2020年对掺有纤维的灌浆料试块进行正交试验，分析硅灰和不同纤维掺量对叠合试块的粘结性能和抗拉性能的影响，得到了粘结强度最高时各纤维的掺量比例。廖杰洪等[9]采用灌浆料增大截面以及高性能砂浆包裹钢铰线等多种方式，对地震中受损的梁柱节点进行了加固。然而，这仅仅利用了水泥基灌浆料自流性好、无收缩和微膨胀等特点在工程施工上的优势，对灌浆料主要的抗压强度利用率有限。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验中所有原构件均采用同一批次的C30商品混凝土一次浇筑完成。加固用灌浆料采用柳州汉西鸣建材公司生产的HGM-H80型高强无收缩灌浆料。构件浇筑过程中同时制作普通混凝土和高强灌浆料试块，与构件在同条件下养护，按照标准试验程序测得普通混凝土抗压强度平均值为36.56 MPa，高强灌浆料抗压强度平均值为72.35 MPa。

1.2 试件设计

本次试验共制作10根钢筋混凝土柱，原构件高1 200 mm，截面尺寸为250 mm × 250 mm。纵筋和箍筋均采用HRB400级钢筋，C16纵筋的屈服强度、极限强度分别为439.7 MPa、598.1 MPa，C6箍筋的屈服强度和极限强度分别为456.8 MPa和588.2 MPa。构件参数如表1所示，构件配筋示意图如图1所示。

表1 构件参数

图1 原柱尺寸及配筋设置

1.3 试验加载和测量方案

试验采用500 t电液伺服压力试验机实现偏心压力的分级加载，加载过程中记录构件纵向钢筋、箍筋、原构件混凝土和加固层表面的应变，并使用裂缝综合测试仪观察裂缝展开情况，记录各级荷载下的裂缝分布、发展过程及宽度。

所有构件都采用单调加载的形式。在构件定位安装完成后，对试验构件按照预估极限荷载的10%进行预加载，待确定构件各处的应变片连接完好，千分表和试验仪器能正常使用后开始加载。正式加载采用分级加载，按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)进行,加载至构件破坏，试验机自动停止。

2 主要试验结果及分析

2.1 主要试验现象和破坏形式

2.1.1 小偏心受压柱

小偏心加固柱XPX1～XPX3加载和破坏现象相似。在加载初期，由于试验荷载较小，混凝土表面未出现裂缝，混凝土表面应变随荷载呈线性增长，表现为弹性工作状态，符合平截面假定；随着荷载的增加，构件首先在侧面出现细小裂缝，混凝土表面和内部纵筋应变增长速度加快，此时构件进入弹塑性阶段；随着荷载的继续增加，裂缝逐渐增多、延伸发展并且伴随着混凝土开裂声;当试验荷载接近其极限承载力时，构件进入塑性阶段，受压区混凝土压碎剥落;随着荷载的进一步增加，构件受压区混凝土表面应变迅速增长，并在一声巨响后宣告破坏，但纵向钢筋并未屈服，构件整体性保存较好。小偏心对比柱DBZ1破坏时，构件中部箍筋约束较薄弱的混凝土被压碎，纵向钢筋外凸屈服，构件整体性破坏严重。破坏形态如图2所示。

(a)DBZ1 (b)XPX1 (c)XPX2 (d)XPX3

2.1.2 大偏心受压柱

大偏心加固柱DPX1～DPX5与对比柱DBZ2在加载阶段现象基本相似，加载初期构件受力状态为弹性阶段，各测点的荷载-应变基本呈线性关系；随着荷载的增加，构件受压区中、上部开裂，但裂缝宽度保持在0.04～0.1 mm之间；继续加大荷载至极限荷载时，构件受压区纵向裂缝增多，靠近支座处的局部混凝土表皮开始鼓起并剥离，柱头和柱脚处的主要裂缝不断发展变宽，柱头处混凝土压碎脱落，加固层发生劈裂破坏，部分加固层退出工作，构件宣告破坏，破坏形态如图3所示。其中大偏心单侧加固构件DPX3与小偏心加固构件的加载和破坏现象相似，分析认为主要是150 mm的加固厚度使大偏心受压构件变成了小偏心受压构件，使构件受力更为合理。对于柱头的局部破坏现象，分析认为主要是柱头的变截面使得构件在受力过程中局部压应力过高，灌浆料和混凝土的强度差使得柱头处混凝土压碎。

(a)DBZ2 (b)DPX2 (c)DPX3 (d)DPX4 (e)DPX5

2.2 试验结果汇总分析

2.2.1 承载力

10根混凝土受压柱均加载至构件破坏状态，各构件的主要试验分组和结果如表2所示。

表2 试件分组及测试结果

分析组一和组二内相同偏心距构件的试验数据可知：小偏心单侧加固构件的承载力与加固层厚度关系不明显，提升幅度约为86%～102%，差距不大，原因在于单侧加固形式只提供了锚固作用，仅提高了较大竖向力作用下构件的抗剪切滑移能力，材料强度利用率不高，对加固后偏于轴压构件的承载力影响不大，构件破坏主要受支座处混凝土强度影响；大偏心单侧加固构件的承载力主要受加固厚度的影响，承载力提升幅度约为76%～283%，但整体提升效率呈先升后降的趋势，加固层直接受压并承担主要压应力，说明通过增大受压侧加固层厚度来提升大偏心受压构件承载力的效果明显，并在一定范围内，承载力随加固厚度的增加而增大。

分析组一和组二内相同加固厚度构件的试验数据对比可知：加固厚度为70 mm时，小偏心构件的加固效果略优于大偏心构件；当加固厚度为100 mm和150 mm时，大偏心构件加固后的承载力提升幅度高于小偏心加固构件，约为小偏心构件的2.7倍，但大偏心加固构件的极限承载力均低于小偏心加固构件，原因在于大偏心构件加固后，其偏心距间接减小并向小偏心受压状态转变，极限承载力也逐渐接近小偏心加固的极限承载力，但是加固层较薄时，变截面的应力集中效应对构件的影响更大，使得大偏心加固效果不如小偏心。

分析组二和组三内相同加固厚度构件的试验数据对比可知：双侧加固构件极限承载力的提升幅度约为单侧加固构件的32%～98%，跨中位置的最大挠度也比单侧加固构件的小。表明双侧加固有效减小构件轴压比，增加构件延性的同时，极限承载力也有所提升。

2.2.2 荷载-应变

构件各测点的荷载-应变曲线如图4～图13所示，图中纵坐标为竖向荷载，横坐标为各测点的应变值，钢筋测点用实心标记，混凝土和加固层用空心标记，测点均在柱高1/2处。

图4 DBZ1荷载-应变曲线图5 XPX1荷载-应变曲线

图8 DBZ2荷载--应变曲线图9 DPX1荷载-应变曲线

图10 DPX2荷载-应变曲线图11 DPX3荷载-应变曲线

图12 DPX4荷载-应变曲线图13 DPX5荷载-应变曲线

由图4～图13可知：加固后，构件由部分截面受压状态逐渐向全截面受压状态转变，承载力均有明显提高，高强灌浆料的优秀抗压性得以充分发挥，改善了因近荷侧钢筋和混凝土应力过大和应力集中而导致构件局部压溃的情况。

对于单侧加固柱：在加载初期，构件处于弹性阶段，混凝土和钢筋荷载-应变曲线大致呈线性相关；构件在加载60%Py左右时开始出现裂缝，而后构件进入带裂缝工作状态，构件钢筋和混凝土表面的应变增长速率略微提升；加载至80%～90%Py时，加固层和受压区混凝土竖向应变增长基本同步，直到接近峰值时才出现差异，说明在竖向荷载作用下，加固层灌浆料和纵筋参与了原柱的协同工作。偏心距为75 mm的组一构件在加固后，受压侧纵筋和混凝土的应变值比加固前都有了不同程度的增长，受压侧混凝土极限应变，加固层厚度70 mm的XPX1为-2 314×10-6，加固层厚度150 mm的XPX3为-941×10-6，受拉侧纵筋和混凝土应变由受拉转变为受压。偏心距为150 mm的组二构件在加固后应变变化规律也与组一构件基本相似。由此可以看出构件加固后，受压区截面面积增大，并且随着加固厚度的增加，构件受力状态更接近于轴心受压，受力性能得到了改善，构件刚度显著提升，但偏心距对构件的变形影响较小。

对于双侧加固柱：双侧加固构件的荷载-应变曲线与单侧加固构件相似，存在线性相关段和非线性相关段，双侧加固构件在40%Py左右时出现裂缝，受压侧纵筋和加固层表面的应变有一定程度的提升，说明对大偏心构件加固能显著提升构件刚度和承载能力，双侧加固对构件变形能力的提升比单侧加固更加明显，构件的延性性能也更加优秀。