外加钢筋的钢筋混凝土梁的抗弯强化研究

王晓峰

(太原市市政公用工程质量安全站(太原市轨道交通建设服务中心)，山西 太原 030021)

1 概述

无黏结预应力混凝土结构在土木工程中得到了广泛的应用。如果结构需要加强，这种预应力类型不仅适用于新设计的结构，也适用于现有结构。无黏结技术的主要优点是: 简化了预应力过程，无需对管道进行注浆; 通过增加润滑脂的塑料涂层来提高对腐蚀的保护; 减少摩擦造成的损失。如果预应力是通过外部钢索实现的，还可以定期检查其工作状况，在特殊情况下(如保护层在损坏前发生腐蚀) 可以更换钢索。无黏结的后张结构的特征是钢筋和混凝土在横截面上失去应变协调[1-3]。这意味着对于梁或壳单元，平截面假设不再有效，而钢筋的应变增加依赖于整体结构变形而不是局部截面应变截面。因此，确定加载后的钢筋内应力并不是一项简单的任务，这些试验为发展一种确定极限状态下极限应力增加的简化分析方法奠定了基础。无黏结预应力的有效性可以通过应用大偏心距的预应力筋来提高。这种类型的预应力可用于加强钢筋混凝土结构。

沙丽荣等[4]对加固钢筋混凝土梁进行了抗弯力学性能的研究。然而，由于结构的双悬臂形式，应用的偏心距较小，并且由于在应用加固系统之前，所有试件都是卸载的，因此研究没有讨论荷载加固顺序的影响。张龙等[5]研究了CFRP 加固钢筋混凝土梁刚度与承载力退化机理。此外，张涛[6]对混凝土梁弯剪试验加载装置进行了设计，对无黏结预应力钢筋梁和钢筋混凝土试件进行疲劳加载，加固过程之前受到疲劳载荷，抗弯结构的外部加固也具有很高的有效性[7]。目前关于预压、预裂和强化顺序对增强钢筋混凝土梁极限荷载和荷载-位移特性的影响研究仍然很少。因此，需要对体外无黏结钢筋混凝土梁进行实验研究。

2 实验设计

2．1 测试试件

本文通过实验研究了五种全尺寸钢筋混凝土梁的抗弯强化性能。每根梁的跨度为l=4 500 mm，横截面尺寸为250 mm ×400 mm 的矩形。梁的配筋由3 根直径为16 mm 的底筋、3 根直径为10 mm 的顶筋和直径为8 mm的双肢箍筋组成。箍筋间距在支撑点和集中力点之间为100 mm。在跨中(加载点之间) 箍筋之间的距离增加到150 mm。外载荷施加在跨度为1 500 mm 的钢梁上来实现四点弯曲实验。混凝土覆盖层为25 mm。实验试件的几何形状和配筋结构如图1 所示。

图1 实验试件的几何形状和配筋结构

本文通过四点弯曲实验来测试体外无黏结钢筋混凝 土梁的抗弯强化性能进行了研究。在加载过程中要随时观察并记录裂纹的起裂位置和扩展形貌。通过力和位移传感器记录梁弯曲时受到的力和位移曲线。

钢筋混凝土梁根据国标规范设计等级为C35/C45的玄武岩骨料混凝土。所有钢筋混凝土梁的浇筑都使用了相同的混凝土混合物。混凝土水灰比(质量比) (W/C) 为0．45，密度为2 538 kg/m3。混凝土配合比及其成分见表1。混凝土的平均抗压强度fc和弹性模量Ec是对直径为150 mm、高度为300 mm 的圆柱形试件分别进行28 d 和270 d 的单轴压缩试验得到的。单轴压缩试验是对6 个试件进行了28 d 的抗压强度和弹性模量测试，在270 d 后测试了3 个试样的力学性能。对圆柱形试件沿高度方向的中间开凹槽进行断裂性能(包括平均拉伸强度ft和断裂能Gf) 的研究。试验过程中的恒定加载速率为4．0 ×10-5mm/s。混凝土的材料性能结果如表2所示。对尺寸为100 mm ×100 mm ×500 mm 的6 个棱柱试件测量了混凝土的动力学平均收缩应变，如图2所示。

表1 混凝土混合料成分

表2 混凝土的力学性能

图2 混凝土的动力学平均收缩应变

钢筋混凝土梁的加固方式采用三种类型的钢筋:冷加工直径为8 mm 的箍筋; 顶筋和底筋采用淬火和自回火，直径分别为10 mm 和16 mm。钢筋通过单轴拉伸试验测得其应力- 应变关系，如图3 所示。其中直径10 mm 和直径16 mm 钢筋的应力- 应变曲线存在一个典型的屈服平台，随后硬化直至断裂。而冷加工直径8 mm 钢筋的应力-应变曲线没有明确的屈服极限。

图3 单轴拉伸试验测得其应力-应变关系

2．2 强化系统

钢筋混凝土梁的强化系统可以使非加固梁的承载能力翻倍。它由位于梁两端的两块钢锚板、两个传力转向钢块、两根筋和四个锥形锚头组成，如图4 所示。锚固板和传力转向块固定在钢筋混凝土梁上。在每个梁的侧面使用快速凝固的水泥基砂浆调整锚固系统，以准确填充锚固板与梁之间的缝隙。传力转向块放置在距离支撑点l/3(1 500 mm) 处的位置，其中l为跨度长度。钢筋束由7 根直径为5 mm 的钢丝组成，单根钢筋的横截面面积为Aps= 138． 93 mm2。通过将长度为10 cm 的弯曲钢管焊接到传力转向块上，防止在传力转向块处的局部弯曲。所有测试梁的钢筋束与梁底边的距离均为90 mm。预应力是通过两个液压千斤顶实现的(如图4(d) 所示) 。在梁的另一侧，即锚固板处，安装了两个力传感器，以控制预应力阶段的力，并测量各钢筋束的力增加情况(如图4(b) 所示) 。通过单轴拉伸试验可以确定钢绞线的力学参数: 平均弹性模量为Es= 192． 6 GPa，平均抗拉 强 度 为ft= 1 828 MPa，0． 1% 的 平 均 抗 拉 应 力 为fp0，1k=1 373 MPa。图3(b) 给出了钢绞线的应力-应变关系。

图4 钢筋混凝土梁强化系统

3 钢筋混凝土梁的抗弯强化研究

3．1 载荷-位移曲线

本文选取了五种钢筋混凝土梁试件工况进行试验研究。五种试件编号如下:A1 为未强化的参考试件，A2 为加固参考试件(强化前未加载) ，A3a 和A3b 为强化前先加载后卸载的试件，B 为在强化过程中载荷保持恒定。钢筋混凝土梁的载荷-位移曲线如图5 所示，各力学参数结果如表3 所示。由图5 可以看出，尽管预加载历史和强化顺序不同，但各试件相对于未加固梁A1 的承载力增加幅度相同，极限荷载的相对增加量在130% ～150%之间。对于强化前未加载的钢筋混凝土梁A2，在图5(a) 中可以分出三个加载阶段:线弹性阶段(Ⅰ阶段) ;裂纹形成和稳定开裂阶段(Ⅱ阶段) ; 钢筋发生屈服后刚度大幅度降低阶段(Ⅲ阶段) 。对于与A2 试件有相同强化顺序但加载历史不同(先加载后卸载) 的钢筋混凝土梁A3a 和A3b 试件，线弹性阶段(Ⅰ阶段) 不存在，因为这些试件在强化前已经严重开裂。第二阶段的荷载-位移平行于未加固梁试件的卸载曲线。这表明无黏结预应力钢筋对钢筋混凝土梁的刚度贡献有限。对于无加载历史的A2 试件和预加载梁的A3a 和A3b 试件的荷载-位移行为，可以发现试件A3a 和A3b 相对A2 试件的强度更高。这是由于在加载的第二阶段，A2 试件的钢筋束受力缓慢，如图5(b) 所示。因此，底部钢筋屈服后，钢筋混凝土梁强化前的荷载历史不会影响荷载-位移行为。值得注意的是，对比A2，A3a 和A3b 三种试件，相同的预应力水平在施加预应力后产生了几乎相同的变形，即使A3a和A3b 梁在施加预应力之前产生开裂。由于强化顺序不同，B 试件的荷载-位移特征不同，这是因为B 在强化过程中进行了保载，而保载作用使钢筋混凝土材料实现了应变硬化，因此其在第一阶段为线弹性上升，第二阶段为弹塑性阶段。但是在第二阶段加载时，试件B 的刚度与试件A2，A3a 和A3b 具有可比性。这表明了在稳定开裂阶段，钢绞线在底部钢筋屈服之前对梁的刚度没有显著影响。

图5 钢筋混凝土梁试件的实验结果

表3 五种钢筋混凝土梁试件A1，A2，A3a，A3b 和B 的实验结果

尽管存在预加载历史，但在相同荷载水平下，强化前卸载的所有试件的底部钢筋均产生屈服应力(如表3 所示) ，且在强化前卸载的梁A2，A3a 和A3b，其底部钢筋开始屈服时的位移与未强化梁A1 的位移基本一致。这意味着使用无黏结钢筋施加的外部预应力可以提高导致钢筋混凝土梁的屈服荷载，但不影响其相应的位移。B试件的实验结果表明，强化顺序对底部钢筋发生屈服产生的位移有一定的影响。B 梁主钢筋的屈服荷载大于在机械载荷作用于钢筋束产生的力。强化不仅对极限载荷产生积极的影响，而且对正常使用的极限状态有积极的影响。

3．2 失效模式和裂纹分布

五种钢筋混凝土梁试件A1，A2，A3a，A3b 和B 的失效模式非常相似。钢材屈服后，受压区出现平行于梁上边缘的小裂缝，随后混凝土被压碎，如图6 所示。由于梁无法承受荷载，液压千斤顶测得的力会突然下降，且钢索和底部钢筋都没有断裂。实验观测到未强化的参考试件A1 产生拉伸破坏模式，即挠度随着液压千斤顶力的增加发生不变的现象。由于液压千斤顶顶部的位移能力有限，实验未达到主筋的断裂应变就结束了。强化顺序和初始预应力水平对极限荷载的影响较小。当初始预应力增加635 MPa 时，承载力增加4% ～8%。

图6 钢筋混凝土梁A3a 试件的失效模式

钢筋混凝土梁A3a 的实验裂纹分布图如图7 所示。图7(a) 为强化前预加载阶段的裂纹分布。在这一阶段，梁上分布有稳定的裂纹状态(即新的裂缝不会随着荷载的增加而产生) 。在箍筋附近出现裂缝主要是由于混凝土收缩引起的拉应力集中而造成的。预应力的引入会导致裂纹在梁底面附近发生闭合(如图7(b) 所示) 。在外荷载强化的情况下，梁底部裂纹宽度减小到不超过0．08 mm。未施加预应力的梁A2，A3a 和A3b 在顶面出现小裂纹。对于施加的预应力为110 kN 的情况，这种影响也是不可避免的。在下一个阶段(加载直到破坏) ，先前存在的裂纹没有扩展。在任何加载阶段都没有发现新的裂纹，如图7(c) 所示。图7(c) 中给出了四种不同加载水平下测量到的裂纹宽度，并给出了最终的裂纹模式。

图7 钢筋混凝土梁A3a 试件的裂纹分布

4 结论

钢筋混凝土梁的强化是土木工程实践中的重要问题。一种强化技术可以通过将无黏结钢筋对钢筋混凝土梁进行预应力加载。目前关于预压、预裂和强化顺序对增强钢筋混凝土梁极限荷载和荷载位移特性的影响研究仍然很少。本文对体外无黏结钢筋混凝土梁进行了实验研究。对预压预裂加固的四点弯曲梁的实验研究结果作了简要的描述和讨论，得出了以下结论:

1) 体外预应力强化是一种非常有效的加固方法。

2) 预压、预开裂和强化顺序对加固后梁的极限应力增大和承载力影响较小。外加荷载下的强化对挠度极限状态有积极的影响，挠度极限增加11% ～21%。初始预应力值对加固效果影响不大。

3) 未强化的参考试件产生拉伸破坏模式。由于液压千斤顶顶部的位移能力有限，实验未达到主筋的断裂应变就结束了。强化顺序和初始预应力水平对极限荷载的影响较小。当初始预应力增加635 MPa 时，承载力增加4% ～8%。