高强灌浆料加固既有RC梁抗弯性能分析

冷玉坤， 刘均利， 余文成， 王子恒

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

随着我国基础设施建设日趋完善，大量在役年限较长的桥梁受自然、人为等因素影响功能退化，无法满足使用要求[1]，亟需对其进行加固改造处理.增大截面法作为一种常用的加固方法[2-3]，具有施工简便、适用性强且技术成熟等特点，在桥梁加固领域得到较好的应用[4-6].若采用普通混凝土进行加固，不仅易开裂，影响结构耐久性，也不利于新老混凝土之间的粘结，从而产生较大的相对滑移[7].高强灌浆料作为一种高强胶结材料，早期主要用于设备基础的二次灌浆和桥梁、堤坝的抢险等工程中[8]，它不仅具有优异的力学性能、良好的耐久性能、快硬早强、无收缩、微膨胀和自流平等特点，而且与旧混凝土粘结较强，近年来被广泛应用于加固领域中[9]，具有较大的科研价值和广阔的应用前景.

在加固梁抗弯性能影响因素方面，一些专家学者已经开展了部分研究，也取得了一些初步成果.Chalioris等[10]制作20根自密实混凝土加固梁，研究在不同初始损伤下自密实混凝土的加固性能.卜良桃等[11]制作6根钢纤维水泥砂浆钢筋网加固梁和1根对比梁，研究加固配筋率和受力形态对加固梁受弯性能的影响，认为采用钢纤维水泥砂浆加固钢筋混凝土(RC)梁是一种有效的加固方法，能显著提高混凝土梁的抗弯性能.罗素蓉等[12]针对二次受力下自密实混凝土加固RC梁的受弯性能进行试验研究，共设计7根自密实混凝土加固梁和2根对比梁，通过改变初始受力水平、加固厚度及界面处理方式，有效提高RC梁的抗弯承载力、截面刚度等性能.然而，目前在加固厚度和植筋间距的共同影响下，尚未有采用高强灌浆料加固混凝土梁抗弯性能方面的研究.

基于此，本文在充分考虑工程实际应用的基础上，对RC梁进行高强灌浆料增大截面加固，并针对加固梁的抗弯性能进行试验研究.

1 试验概况

1.1 试验材料

原梁均采用商品混凝土浇筑，并采用常规振捣密实的方法.混凝土设计标号为C30，每立方米混凝土中的水泥、水、砂、石子、粉煤灰、矿粉、减水剂的质量分别为203.00，162.00，972.00，916.00，50.00，70.00，7.11 kg，水泥为P.O 52.5级普通硅酸盐水泥.加固用的高强灌浆料选用广西柳州市汉西鸣建材公司生产的HCM-H80型高强无收缩灌浆料.

试验梁浇筑的同时制作普通混凝土和高强灌浆料的立方体试块，立方体试块与试验梁采取相同的养护措施，按照试验标准程序测得的普通混凝土抗压强度平均值为37.26 MPa，高强灌浆料抗压强度平均值为70.15 MPa.纵向钢筋和箍筋均采用HRB400级钢筋，钢筋材性试验结果，如表1所示.表1中：fy为屈服强度；fu/MPa为极限强度.

表1 钢筋材性试验结果Tab.1 Test results of steel reinforcement properties

1.2 试件设计与加固方法

(a) 试验梁

(b) 对比梁A1 (c) 对比梁A2 (d) 加固梁B1～B7 (e) 植筋图1 试验梁基本参数及配筋(单位：mm)Fig.1 Basic parameters and reforcement of test beams (unit: mm)

另外，将高强灌浆料作为新增加固材料时应注意如下6点:

1) 灌浆前应对原梁梁底进行凿毛处理，并清洁梁底表面；

2) 灌浆前24 h应充分润湿梁底表面，并于灌浆前1 h清除积水；

3) 灌浆时，浆料应从一侧或相邻两侧多点灌入，直至从另一侧溢出为止，以利于灌浆过程中的排气，避免对灌浆层表面质量造成影响；

4) 当灌浆层厚度大于100 mm时，应采取分层灌浆方法，浇筑完第一层后，在确保第一层浆料达到初凝前，进行第二次浇筑，并尽可能缩短灌浆时间；

5) 灌浆过程中严禁振捣，必要时可借助灌浆助推器沿灌浆层底部推动浆料，以确保灌浆层匀质性；

6) 在灌浆层终凝后，应立即洒水保湿养护.

试验考虑不同加固层厚度及植筋间距对加固构件受弯性能的影响.试验梁基本参数，如表2所示.表2中：s为植筋间距.

表2 试验梁基本参数Tab.2 Basic parameters of test beams

1.3 加载装置

试验采用1 000 kN组合结构反力架对试件进行加载，为观测梁纯弯段的弯曲性能，试验采用三分点对称加载方式，跨中纯弯段长度为1 m.正式加载之前，预加载以检查试验装置、量测仪表工作是否正常，消除接触面间的空隙.

卸荷后，按照GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[14]，采用分级加载制，并开始正式加载.将挠度变形增长迅速，而荷载增长缓慢或不增长的状态作为试验梁的屈服状态，对应的荷载即为屈服荷载[15].

1.4 测试内容

通过千分表测量每级荷载下梁跨中、加载点及支点处的挠度变形值；通过静态应变采集系统测量原梁纵筋及加固纵筋、原梁混凝土及加固混凝土表面的应变；通过力传感器测量试验荷载；通过裂缝综合测试仪测定裂缝分布、发展及宽度，测量精度为0.01 mm.RC梁应变片布置图，如图2所示.

对于RC梁表面的应变，在试验梁侧跨中位置自上而下沿试验梁高粘贴5个应变片，用以验证梁在受弯过程中是否符合平截面假定；在试验梁底纯弯段沿轴线方向粘贴6个应变片，用以测定梁底部混凝土拉应变；在梁纯弯段顶部粘贴2个应变片，用以测定混凝土的压应变.

(a) 试验梁侧跨中位置

(b) 试验梁顶面

(c) 试验梁底纯弯段

(d) 加固梁的原梁底纵筋

(e) 加固纵筋图2 RC梁应变片布置图Fig.2 RC beam strain gauge layout

2 主要试验现象及结果

2.1 破坏形态

试验梁破坏形态及裂缝分布，如图3所示.由图3可知：对比梁的破坏形态为典型的适筋梁破坏，纵向钢筋屈服后，跨中挠度有明显突变，混凝土表面出现大量裂缝并快速向梁顶延伸，直至受压区混凝土被压碎剥落；对比梁破坏时，跨中纯弯段裂缝数目较加固梁少，裂缝宽度也明显大于加固梁.

(a) 对比梁A1 (b) 对比梁A2 (c) 加固梁B1

(d) 加固梁B2 (e) 加固梁B3 (f) 加固梁B4 (g) 加固梁B5图3 试验梁破坏形态及裂缝分布Fig.3 Test beam failure modes and crack distribution

图4 纵向应变沿加固梁高分布曲线Fig.4 Longitudinal strain distribution curves along strengthened beam height

5根加固梁在加载过程中，当试验荷载P<0.2Pu(Pu为试验梁极限荷载)时，受拉区混凝土尚未开裂，此时，纵筋应变远未达到屈服应变，加固梁基本呈弹性状态.加固梁跨中截面的纵向应变沿加固梁高分布曲线，如图4所示.图4中：H为应变片距离加固梁的距离；ε为应变.

由图4可知：加固梁破坏前，加固梁跨中截面纵向应变沿梁高方向近似呈直线分布，基本符合平截面假定；随着试验荷载的增加，加固梁首先在梁底纯弯段出现弯曲裂缝，并缓慢向上扩展，当老混凝土梁底拉应变达到开裂应变时，裂缝延伸至老混凝土区域；混凝土开裂后，加固梁刚度有一定程度的下降，在这一阶段，新混凝土区域的裂缝在达到一定宽度后就开始缓慢增长；随着试验荷载的继续增加，弯剪段随之出现斜向裂缝，斜向裂缝的宽度很小，宽度变化不大，对加固梁的正常使用性能并不构成直接影响；当P>0.8Pu时，加固梁进入塑性阶段，纯弯段裂缝不断向梁顶扩展，挠度急剧增长，裂缝宽度迅速发展，弯剪段斜向裂缝也不断出现，跨中荷载-挠度曲线发生明显转折，加固纵筋和原梁纵筋相继屈服；当受压区混凝土达到极限压应变时，加固梁开始发生破坏.与对比梁相比，加固梁底裂缝数量明显增多，且裂缝宽度变小.在整个加载过程中，新老混凝土间黏结界面未发生剥离破坏，也没有发生明显滑移，破坏状态均呈适筋梁破坏，表现出较好的延性特征.

2.2 试验结果

所有试验梁均加载至极限破坏状态，试验梁的开裂荷载(Pcr)、屈服荷载(Py)和极限荷载(Pu)实测值如表3所示.表3中：R为各加固梁与对比梁A1的开裂荷载比值；ΔPy，ΔPu分别为各加固梁与对比梁A1的屈服荷载差值和极限荷载差值.

表3 试验梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载实测值Tab.3 Measured values of cracking load， yield load and ultimate load of test beams

试验梁的荷载-跨中挠变形度曲线及荷载-跨中试验梁底纵筋应变曲线分别如图5，6所示.图5，6中：w为挠度.

图5 荷载-跨中挠度变形曲线 图6 荷载-跨中试验梁底纵筋拉应变曲线Fig.5 Curves of load-midspan deflection Fig.6 Curves of load-midspan bottom reinforcement tensile

3 试验结果分析

3.1 加固梁与整浇梁的对比分析

与对比梁A1相比，各加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载值均有不同程度的提高，且屈服荷载的提高幅度更为明显，约为89.8%～110.7%，表明采用高强灌浆料进行增大截面加固RC梁的加固效果较好，能有效提高梁的抗弯承载力，而且可以保证新老混凝土的整体工作性；相较于对比梁A1，加固梁的开裂荷载最大提高约2倍，最小也提高约1.5倍，说明高强灌浆料具有良好的抗裂性能，对裂缝的发展起到较好的抑制作用(表3).各加固梁在同级荷载下的纵筋拉应变均小于对比梁A1，表明加固纵筋参与了原梁的协同工作，并承担了部分荷载(图6).与整截面对比梁A2相比，加固梁的抗弯承载力整体均低于整浇梁，这是因为加固梁的原梁底纵筋较对比梁A2更靠近截面中和轴，受拉钢筋应力较小，因此，对梁体承载力的贡献较小.

3.2 加固层厚度对加固梁受弯性能的影响

对于梁底加固层厚度为80 mm的加固梁B1，其加固后的屈服荷载较加固前增大99.5%；而对于梁底加固层厚度分别为120，160 mm的加固梁B2，B3，其加固后的屈服荷载较加固前分别增大108.0%，110.7%，极限荷载也从110.4 kN增大到120.2 kN(表3)，表明随着梁底加固层厚度的增大，加固梁的抗弯承载力仅有略微的提高.另外，加固层厚度较大的加固梁B2，B3的挠度较加固梁B1小(图5)，表明加固层厚度越大，刚度越大，挠度越小.

由于各组试验梁梁底保护层设置相同，梁底混凝土厚度的增加使梁截面的有效高度在一定程度上有所增大，进而提高试件的抗弯承载力.但加固层厚度较大的加固梁B2，B3的新老纵筋应变差值较加固梁B1小，但加固梁B2，B3的新老纵筋应变值相差甚微，说明加固层厚度只能在一定范围内改善新老纵筋的受力差异(图6).加固梁B3的抗弯承载力也仅比加固梁B2提高了1.3%，但其加固自质量却增大约33.3%，所以在实际加固工程中应根据结构自质量和下部净空综合考虑.

3.3 植筋间距对加固梁受弯性能的影响

在实际工程中，常常会由于各种因素的影响，使新老混凝土间的黏结性能达不到预期效果.在保证其他条件相同的前提下，设计加固梁B1，B4及B5，分别采用不同的植筋间距，探究植筋间距对新老混凝土间黏结性能的影响，比较不同植筋间距下加固梁受弯承载力的差异.

从试验梁的破坏形态上来看，所有加固梁均表现为延性破坏，几乎不存在滑移等影响新老混凝土整体工作性的现象.3根不同植筋间距加固梁的抗弯承载力差异并不大，加固梁B1的极限荷载较加固梁B4仅提高约3.0%，较加固梁B5也仅提高4.6%(表3).植筋间距为100 mm的加固梁B1刚度略大于植筋间距为150 mm和200 mm的加固梁B4和B5；而加固梁B4和B5荷载-跨中挠度变形曲线则基本重合(图5)，所以在实际加固工程中，不建议过分减小植筋间距来提高结构的承载力.

图7 承载力计算简图Fig.7 Calculation diagram of bearing capacity

4 抗弯承载力计算

基于试验结果，5根加固梁具有典型的适筋梁受力特征，根据纵向钢筋的实测应变，混凝土破坏时，原试件纵筋和新增钢筋均已屈服，受压区混凝土压应变达到极限压应变，其基本假定与普通RC梁正截面受弯承载力计算的基本假定相同，根据试验结果推导的承载力计算简图，如图7所示.图7中：h0，m为加固梁的截面有效高度；h0为加固前梁的截面有效高度；xc为截面受压区高度；εcu为混凝土的压应变；εy，m为加固后下部纵筋整体拉应变；εy为加固前下部纵筋整体拉应变；Mu为加固梁的抗弯承载力；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；F为合压力；T为加固前的纵筋拉应力；Tm为加固后的纵筋拉应力.

由图7的几何关系，可得混凝土的压应变，即

(1)

混凝土受压区的合压力为

(2)

由于文中采用高强灌浆料作为新增材料加固钢筋混凝土矩形梁，不同于一次浇筑整截面梁，混凝土压应力由两部分组成，故混凝土受压区的合压力为

(3)

式(3)中：fc，0为原梁混凝土的轴心抗压强度；fc，m为高强灌浆料的轴心抗压强度.

考虑试验过程中对加固层界面的处理并非能达到理论中的理想状态，并且受二次施工影响，新增混凝土在连接构造和受力状态上不可避免地要受到各种影响因素的综合作用，从而导致其强度难以充分发挥，故应对其作出适当调整.因此，引入修正系数η，η≤1.0.根据试验结果并参考现行相关规范建议，对高强灌浆料加固构件，η=0.7.

混凝土受压区合压力计算公式经修正后为

(4)

由力的平衡条件可知F=T+Tm，即

(5)

则加固梁的抗弯承载力为

(6)

式(6)中：αs为新增钢筋强度利用系数，取αs=0.9；fy，fy，m分别为原构件受拉纵筋及加固纵筋的抗拉强度；As，m和As分别为加固纵筋和原受拉纵筋的截面面积.

极限承载理论计算与试验结果对比，如表4所示.表4中：Pu，0为极限荷载理论值.由表4可知：试件破坏时的极限荷载与试验结果较为吻合.

表4 极限承载理论计算与试验结果对比Tab.4 Comparison of ultimate bearing capacity theoretical calaulation and test results

5 结论

1) 采用高强灌浆料增大截面法对普通RC梁进行加固，新老混凝土间的黏结性能较好，可以保证新老混凝土间的整体工作，可显著提高梁的抗弯性能，与对比梁A1比较，各加固梁极限荷载的提高幅度约为79.4%～104.4%.

2) 采用高强灌浆料对RC梁进行抗弯加固，试验梁开裂后的抗弯刚度明显提高，且对裂缝的产生和发展起到较好的抑制作用，具有良好的抗裂性能，能提高构件的延性.

3) 不同的植筋间距对梁的抗弯性能影响程度不大，植筋间距为150，200 mm的加固梁B4，B5的极限承载力分别仅比植筋间距为100 mm的加固梁B1降低了3.0%和4.6%；梁底加固厚度的增加只能在有限范围内改善新老纵筋的受力差异，对加固梁的抗弯承载力提高并不明显.

4) 根据试验结果，在平截面假定的基础上推导了高强灌浆料加固RC梁的受弯承载力计算公式，由此公式计算的极限荷载值与试验结果较为吻合.