CTRC板加固鋼筋混凝土梁受剪性能研究

雷晉東，杜運興，周芬

CTRC板加固鋼筋混凝土梁受剪性能研究

雷晉東，杜運興，周芬

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

采用三點彎曲試驗研究用碳纖維織物增強混凝土板(CTRC板)加固鋼筋混凝土梁的受剪性能。將CTRC板中纖維織物層數(shù)及附加錨固措施作為 研究因素建立5個試驗工況，包括1個對比試驗工況和4個加固試驗工況。試驗過程中同步記錄荷載、撓度、鋼筋應變、纖維應變及裂縫的開展。研究結果表明：CTRC板能有效地增強鋼筋混凝土梁的受剪承載力，加固工況的受剪承載力提升范圍為55.8%～83.4%；對比工況的破壞模式為斜拉破壞，加固工況除斜拉破壞外還出現(xiàn)了CTRC板與混凝土梁的剝離破壞；附加錨固措施能提升加固工況的初期剛度，并減輕CTRC板與混凝土梁剝離現(xiàn)象發(fā)生的程度，提高纖維織物的強度利用率。

CTRC板；受剪性能；鋼筋混凝土梁；斜拉破壞

鋼筋混凝土受彎構件的斜截面破壞是一種脆性破壞，當鋼筋混凝土受彎構件的受剪承載力不能滿足荷載要求時需要進行抗剪加固[1?3]。常用的抗剪加固方式主要包括增大截面法、外貼鋼板法、fiber reinforced polymer(FRP)加固法和textile reinforced concrete(TRC)加固法等。在這些加固方法中FRP加固混凝土構件有其獨特的優(yōu)勢。與鋼材相比，F(xiàn)RP具有強度高、抗腐蝕性能卓越及施工簡便等優(yōu)點[4]。因此，許多學者對FRP加固鋼筋混凝土梁的受剪性能進行研究，并在這一領域取得了一些研究成果[5?8]。然而，由于FRP加固中采用的黏結劑為環(huán)氧樹脂，該材料的耐火、耐高溫性能差，且該材料與混凝土在界面位置的相容性及相互滲透性較差，這些問題制約了FRP加固技術的進一步發(fā)展[9]。如果將FRP加固中的黏結材料替換為水泥基材料則可有效解決以上問題，但是需要保證FRP與水泥基材料之間有可靠的黏結性能，纖維網(wǎng)格布是一種合理的選擇。將纖維網(wǎng)格布與水泥基材料結合便形成了復合材料，這種復合材料被稱為textile reinforced concrete(TRC)。目前TRC已經(jīng)被應用于了混凝土的抗剪加固[9?13]。研究表明，隨著TRC中纖維織物層數(shù)增加，加固構件的承載力也隨之增加，并且構件的失效模式也從脆性的受剪破壞轉(zhuǎn)化為延性的受彎破壞；當纖維織物層數(shù)較低時，TRC因纖維斷裂破壞；當纖維織物層數(shù)較高時，TRC發(fā)生纖維織物層間剝離破壞或TRC與混凝土梁表面剝離破壞。目前這種加固方法采用濕作業(yè)的方法，即現(xiàn)場在混凝土梁加固區(qū)涂抹水泥基質(zhì)，并黏貼纖維織物。施工方法雖然簡單、方便，但纖維織物的平直度不能得到保證，并且現(xiàn)場的溫、濕度會影響TRC的性能。預制TRC板材無疑是解決以上問題的有效途徑。杜運興等[14]通過特定的裝置對纖維織物進行固定和張拉，并澆筑水泥基質(zhì)預制成TRC板材，并研究了這種板材的力學性能。周芬等[15]采用四點彎曲試驗研究了TRC板加固混凝土梁的受彎性能，結果顯示TRC板能有效提升梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載。目前尚未有采用TRC板加固混凝土梁受剪性能的研究。因此，對這一方法的研究具有重要的工程意義。本文采用三點彎曲試驗研究了CTRC板加固混凝土梁的受剪性能，并采用螺栓錨固作為附加錨固措施，研究附加錨固措施和纖維織物層數(shù)對混凝土梁受剪性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設計與制作

本試驗共澆筑并測試了5根鋼筋混凝土梁。梁試件截面尺寸為150 mm×270 mm，長度為1 400 mm。梁試件全部采用三點彎曲試驗，梁的凈跨為1 000 mm，剪跨跨長為500 mm，如圖1所示。梁的剪跨比為2.13。

圖1 試驗梁配筋

本試驗將纖維織物層數(shù)和附加錨固措施作為研究因素，根據(jù)纖維織物層數(shù)和附加錨固措施建立了4個加固工況。另外，將1個未加固梁作為對比工況，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

1.2 材料性質(zhì)

試驗梁采用同批混凝土澆筑，立方體標準試塊28 d抗壓強度為39 MPa。梁試件底部配置3根直徑為18 mm的縱筋，頂部配置2根直徑為10 mm的縱筋，箍筋選用直徑為6 mm的雙肢箍，剪跨區(qū)箍筋間距為150 mm，如圖1所示。所用混凝土和鋼筋的力學性能如表2所示。

表2 混凝土及鋼筋力學性能

CTRC板中的雙向纖維織物的物理及力學性能如表3所示，并用環(huán)氧樹脂膠對纖維織物進行刷膠處理，以保證其幾何完整性使纖維束受力均勻。CTRC板中的聚合物改性水泥基質(zhì)其28 d抗壓強度為76.7 MPa，28 d抗折強度為52.6 MPa，彈性模量為30.75 GPa。纖維織物和水泥基質(zhì)的力學性能如表3所示。CRTC板中摻入的抗剪短切鋼纖維長度為14~16 mm，直徑為0.2 mm，密度為7.85 g/cm3。

表3 纖維織物與水泥基質(zhì)力學性能

1.3 加固流程

在鋼模具中制作CTRC板，如圖2所示。通過鋼模具兩側的滾軸將纖維織物錨固在模具上，并通過鋼條來控制各層水泥基質(zhì)的厚度，將添加鋼纖維的水泥基質(zhì)倒入鋼模具內(nèi)。在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

圖2 鋼模具示意圖

CTRC板黏貼在梁側面的剪跨區(qū)內(nèi)。預先去除梁側表面浮漿，并對梁側與CTRC板的黏結面進行鑿糙處理。然后，潤濕梁側和CTRC板的黏結面，并均勻涂抹界面劑，增強混凝土梁與CTRC板的黏結性能。在梁側黏結面上均勻涂抹5 mm厚黏結基質(zhì)，然后再將CTRC板黏結在梁的側面。對于工況C1A和C2A的試件，需在預定位置植入直徑為12 mm螺桿。待植筋膠硬化后，黏結CTRC板至梁側。并對黏結的試件養(yǎng)護28 d。

1.4 加載方案及測點布置

采用三點彎曲試驗測試梁的受剪性能，測試元件布置如圖3所示。采用量程50 t的機械式千斤頂加載，每級荷載20 kN。試驗過程中同步繪制每級荷載下梁試件裂縫的發(fā)展走勢。

試驗梁跨中底面和支座處頂面分別布置了位移計，用來測量梁的撓度變化。具體布置如圖3 所示。

圖3 測試元件布置圖

試驗梁跨中位置的縱筋均布置鋼筋應變片，梁頂面的加載點附近布置混凝土應變片。與加載點、支座連線相交的箍筋在交點位置布置鋼筋應變片。半跨布置圖如圖3所示。

對于用CTRC板進行加固的加固工況，在CTRC板澆筑前，在纖維織物的橫向纖維束和縱向纖維束上分別布置應變片。其中，在與箍筋對應處的橫向纖維束中部黏貼應變片，在與該橫向纖維束相鄰的縱向纖維束上黏貼應變片。半跨布置圖如圖3所示。

2 結果與討論

2.1 承載力

由表4可知，所有工況的梁最終破壞均表現(xiàn)為斜拉破壞，對于加固工況除斜拉破壞外還出現(xiàn)了CTRC板與混凝土梁的剝離破壞。加固工況的極限承載力相較于對比工況的極限承載力均有提升。纖維織物層數(shù)為一層的加固工況其平均受剪承載力提升了61.3%，而兩層加固工況的受剪承載力平均提升了78.3%。受剪承載力提升最大的工況為工況C2A，提升了為83.4%。受剪承載力提升最小的工況為工況C1，提升了為55.8%。試驗表明CTRC板能有效提升混凝土梁受剪承載力。

表4 試驗結果

2.2 變形能力

將混凝土梁斜裂縫出現(xiàn)前的剛度定義為初期剛度，由圖4可知，對比工況和工況C1和C2的初期剛度分別為1.75×108，1.72×108和1.8×108N/m，即加固工況C1和C2的初期剛度與對比工況的初期剛度十分接近，這是由于在出現(xiàn)裂縫前CTRC板纖維的應變很低，僅為纖維極限拉應變的2%，CTRC板所起作用可以忽略。而工況C1A和C2A的初期剛度分別為2.24×108N/m和2.32×108N/m，明顯大于未采取附加錨固措施的工況C1和C2，這是由于附加錨固措施能在受荷初期提高CTRC板限制梁變形的能力，即附加錨固措施能提升加固工況梁的初期剛度。

隨著試驗力增加，混凝土梁產(chǎn)生裂縫，并且CTRC板與混凝土梁發(fā)生剝離，導致試件整體剛度的降低，并在試驗力?撓度曲線上表現(xiàn)出相應的鋸齒狀特征。

由表4可知，加固工況的極限撓度均大于對比工況的極限撓度，這表明CTRC板能有效提升加固構件的剛度。

2.3 破壞模式

各工況的破壞模式和裂縫特征都在圖5中 給出。

圖4 試驗力-撓度曲線

圖5 各工況破壞模式及裂縫特征

對于對比工況，隨著試驗力增加，梁側面出現(xiàn)主斜裂縫，并且該裂縫會迅速向兩端發(fā)展，裂縫寬度相應增加，最后主斜裂縫把混凝土梁斜劈成兩半且破裂面整齊無壓碎痕跡。由表4可知，梁頂混凝土并未被壓碎，并且圖8中縱筋的試驗力應變曲線為線性，這種破壞模式符合斜拉破壞的模式。

對于加固工況，剪力剛開始由箍筋和CTRC板共同承擔。隨著斜裂縫寬度增加，CTRC板與混凝土界面應力增大，CTRC板與混凝土梁表面開始發(fā)生剝離現(xiàn)象。待箍筋屈服后由CTRC板繼續(xù)承擔剪力，隨著CTRC板與混凝土梁剝離面積越來越大，加固工況受剪能力降低進而發(fā)生破壞，此時CTRC板中的纖維并未達到抗拉強度。在試驗結束后，將CTRC板從加固工況表面移去，可以觀察到加固工況的混凝土表面出現(xiàn)了典型的主斜裂縫，如圖6 所示。

圖6 移除CTRC板后的裂縫圖及裂縫局部放大圖

未包含附加錨固措施的加固工況，例如工況C1，在其頂部、底部及兩側端部均發(fā)生了顯著的剝離現(xiàn)象，試件破壞時端部剝離的寬度達到了0.7 mm，如圖7(a)所示。對于工況C2，在加載到354 kN即達到梁的極限承載力時，兩側的CTRC板均從混凝土梁表面脫離，造成構件承載力的急劇降低。而對于包含附加錨固措施的兩組工況C1A和C2A，由于附加錨固措施能抑制CTRC板的早期剝離，改善了CTRC板與混凝土梁的黏結性能，僅在CTRC板與混凝土梁的頂部和底部發(fā)生剝離現(xiàn)象，端部黏結良好，如圖7(b)所示。

圖7 CTRC板與混凝土梁端部黏結情況

綜上所述，對比工況的破壞模式為斜拉破壞，加固工況除斜拉破壞外還出現(xiàn)了CTRC板與混凝土梁的剝離破壞。附加錨固措施能提升CTRC板與混凝土梁的黏結性能，減輕剝離現(xiàn)象發(fā)生的程度。由于剝離現(xiàn)象的發(fā)生，纖維織物并不能完全發(fā)揮其受力性能，因此纖維織物層數(shù)對破壞模式的影響并不顯著。

2.4 箍筋應變

由圖9可知，在斜裂縫出現(xiàn)之前箍筋應變幾乎可以忽略，隨著斜裂縫的產(chǎn)生，剪切力傳導至箍筋導致箍筋應變的急劇增大。通過圖9并結合試驗觀察可知，主斜裂縫首先出現(xiàn)在混凝土梁剪跨段的中部，即應變片S2所處的位置，導致此處的箍筋應變急劇增大。隨后斜裂縫逐漸朝著支座處和加載點處發(fā)展，并導致這兩處的箍筋應變S1和S3急劇增大。

圖8 縱筋試驗力-應變圖

圖9 對比工況箍筋試驗力-應變圖

由圖10可知，在梁破壞時各工況箍筋應變均超過了箍筋的屈服應變，故所有工況的箍筋均 屈服。

圖10 各工況箍筋試驗力-應變圖

2.5 纖維應變

由圖11可知，在加載初期，加固工況箍筋的應變與對比工況箍筋的應變走勢基本一致，但在120 kN后加固工況的箍筋應變發(fā)展較對比工況的箍筋應變發(fā)展滯后，并且此時加固工況中CTRC板的橫向纖維應變和縱向纖維應變均開始急劇增大。這是因為梁內(nèi)出現(xiàn)斜裂縫出現(xiàn)后，梁內(nèi)的箍筋、CTRC板能夠共同抑制斜裂縫的發(fā)展，隨著纖維所承擔的應變增大，纖維的應力也隨之增大，此時加固工況箍筋的應變開始明顯小于對比工況的箍筋應變。

圖11 橫向纖維、縱向纖維和箍筋試驗力-應變圖

由圖11可知，在加載后期纖維試驗力-纖維應變曲線有明顯的斜率增大趨勢，即纖維的應變增長幅度明顯減小，這與黏結層水泥基質(zhì)應力應變關系有關，如圖12所示。混凝土剪切應力應變關系是一種非線性的關系。隨著剪應力的增加，切線剪切模量逐漸降低，當剪切應力接近剪切強度時，隨著剪切應變的增加，剪切應力增長幅度降低，故黏結層傳遞到CTRC板上的應力增長幅度減小，導致纖維應變增長幅度減小。

圖12 混凝土剪切應力-應變曲線

當黏結層剪切應力達到剪切強度時，黏結層發(fā)生剝離破壞。由圖11可知，工況C1的試驗力?纖維應變曲線在試驗力為195 kN時斜率突然增加；而工況C1A的試驗力?纖維應變曲線在試驗力為258 kN時斜率突然增加。這一現(xiàn)象表明附加錨固措施能有效抑制黏結層的變形，提升了黏結層傳遞界面剪應力的能力，進而提升了CTRC板中纖維織物的強度利用率。

3 結論

1) CTRC板能有效地增強混凝土梁的受剪承載力。加固工況的平均受剪承載力提升值為70.3%，提升最大的為纖維織物層數(shù)為二層且包含附加錨固措施的工況C2A，提升值為83.4%。

2) CTRC板中纖維織物層數(shù)的增加能有效地增強混凝土梁的受剪承載力。其中纖維織物層數(shù)為一層的加固工況其平均受剪承載力提升值為61.3%，而二層的加固工況的提升值為78.3%。

3) 對比工況的破壞模式為斜拉破壞，加固工況除斜拉破壞外還出現(xiàn)了CTRC板與混凝土梁的剝離破壞。

4) 附加錨固措施對混凝土梁極限承載力的提升并不顯著，但是附加錨固措施能提升加固工況的初期剛度。

5) 附加錨固措施推遲剝離現(xiàn)象的發(fā)生，提高CTRC板中纖維織物的強度利用率。

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Shear behavior of RC beams strengthened with carbon textile reinforced concrete plates

LEI Jindong, DU Yunxing, ZHOU Fen

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The shear behavior of reinforced concrete beams strengthened with Carbon Textile Reinforced Concrete (CTRC) plates was investigated through the three-point bending tests. Considering the factors of the number of fiber fabric layers in CTRC plates and additional anchorage systems, five cases were established which included a control case and four strengthening cases. Load, deflection, steel strain, fiber strain and crack development were simultaneously recorded during the tests. The results show that the CTRC plates can effectively enhance the shear capacity of the reinforced concrete beams. An enhancement of the shear capacity ranging from 55.8% to 83.4% is reached. The failure mode of the control case is diagonal tension failure, while the failure modes of the strengthening cases are diagonal tension failure accompanied with debonding failure between the CTRC plates and concrete beams. The additional anchorage systems can enhance the initial stiffness of strengthening cases, reduce the extent of debonding between the CTRC plates and concrete beams, and improve the strength utilization of the fiber fabrics.

carbon textile reinforced concrete plates; shear behavior; RC beams; diagonal tension failure

TU312

A

1672 ? 7029(2019)11? 2815 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.022

2019?01?30

國家自然科學基金資助項目(51378199)；長沙市科技計劃重大專項資助項目(kq1703002，kq1804002)；湖南省自然科學基金資助項目(2018JJ2043)

杜運興(1971?)，男，河南平頂山人，教授，博士，從事結構加固研究；E?mail：duyunxing@hnu.edu.cn

(編輯 蔣學東)