HTRCS加固RC偏壓柱承載力計(jì)算方法研究*

王文東， 楊永清， 趙剛云， 李曉斌， 嚴(yán) 猛

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

0 概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于充分發(fā)揮了鋼筋和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，且造價經(jīng)濟(jì)，被廣泛運(yùn)用于土木工程領(lǐng)域[1-2]。然而，隨著結(jié)構(gòu)的使用，材料會不斷老化，加之原設(shè)計(jì)荷載等級低、使用功能改變、結(jié)構(gòu)疲勞等原因，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降難以滿足要求[3-5]。因此，對性能下降的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造已成為亟需解決的問題[6]。

鋼筋混凝土(RC)偏壓柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛[7]。目前，RC柱加固方法采用較多的主要有增大截面加固法、粘貼纖維加固法、外包鋼加固法以及復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固法等[8-10]。其中，復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固法由于加固效果好、施工便利等優(yōu)點(diǎn)而具有較大優(yōu)勢。尚守平等[11]、熊光晶等[12]、卜良桃等[13]分別對復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該加固方法可以有效地提高構(gòu)件承載力。但由于復(fù)合砂漿是一種脆性材料，抗開裂能力和耐久性較差[14]且凝固速度緩慢，導(dǎo)致該加固方法存在一定的局限性。為了克服這些缺陷，一些學(xué)者嘗試采用樹脂混凝土代替復(fù)合砂漿。樹脂混凝土具有抗拉壓強(qiáng)度高、韌性好、粘結(jié)性能強(qiáng)、流動性強(qiáng)以及硬化速度快等優(yōu)良性能[15]，以高性能樹脂混凝土為基材，內(nèi)嵌增強(qiáng)材料鋼絲網(wǎng)，形成一種新型加固方法——超強(qiáng)高韌性樹脂鋼絲網(wǎng)混凝土(HTRCS)加固法。該加固方法利用HTRCS優(yōu)良的物理力學(xué)性能，使構(gòu)件與加固層協(xié)同工作、整體受力，以此提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作性能。由于該加固方法相比傳統(tǒng)加固方法，具有加固快速、加固層薄以及性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢[16]，因而具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

已有的研究成果[15-17]表明，HTRCS加固鋼筋混凝土梁柱具有良好的加固效果，可以有效地提高其承載力，增強(qiáng)抗彎剛度，延緩裂縫的開展。但目前HTRCS加固研究主要集中在試驗(yàn)研究，對加固構(gòu)件承載力等理論研究較少。為了進(jìn)一步研究HTRCS加固RC偏壓柱承載力的計(jì)算式，本文通過材料性能試驗(yàn)得出了加固材料的本構(gòu)關(guān)系，并結(jié)合筆者已完成的HTRCS側(cè)面加固RC偏壓柱試驗(yàn)研究[16]，提出了HTRCS加固RC偏壓柱的兩種承載力的計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料試驗(yàn)

為了對偏壓柱所采用材料、加固材料有準(zhǔn)確的認(rèn)識，進(jìn)行了材料力學(xué)性能試驗(yàn)。分別測試了試件所采用主筋與混凝土的力學(xué)性能，以及加固材料HTRCS基材樹脂混凝土與內(nèi)嵌增強(qiáng)材料鋼絲網(wǎng)的力學(xué)性能。

1.1.1 鋼筋與混凝土

偏壓柱試件所采用主筋為HRB335，混凝土為C50。材料試驗(yàn)結(jié)果顯示，HRB335鋼筋的屈服強(qiáng)度為319MPa； 根據(jù)偏壓柱所用混凝土預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)試塊(150mm×150mm×150mm)，進(jìn)行28d齡期和試驗(yàn)齡期的立方體抗壓強(qiáng)度測試，測得立方體抗壓強(qiáng)度分別為54.6，62.8MPa。

1.1.2 加固材料

加固材料為HTRCS，其中HTRCS基材為樹脂混凝土，由樹脂膠體、固化劑和連續(xù)級配骨料組成。HTRCS加固柱的加固試驗(yàn)齡期為5d，因此根據(jù)預(yù)留的樹脂混凝土試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度測試，如圖1所示，測得自然條件下(溫度(6±2)℃，相對濕度≥40%)養(yǎng)護(hù)5d的立方體(150mm×150mm×150mm)試塊抗壓強(qiáng)度是79.7MPa、棱柱體(150mm×150mm×300mm)試塊抗壓強(qiáng)度是73.3MPa。5d齡期的樹脂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。

圖1 樹脂混凝土試塊破壞形態(tài)

圖2 5d齡期樹脂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

此外，內(nèi)嵌于加固層的鋼絲網(wǎng)作為樹脂混凝土的增強(qiáng)材料，選用網(wǎng)格為20mm×20mm的編織鋼絲網(wǎng)，單絲直徑為2mm。根據(jù)鋼絲網(wǎng)單絲的拉伸試驗(yàn)，選取3根具有代表性的鋼絲網(wǎng)單絲拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，測得鋼絲的抗拉屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度分別為748，1 114MPa。

圖3 鋼絲網(wǎng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.2 偏壓柱試驗(yàn)

同文獻(xiàn)[16]，試件截面尺寸設(shè)計(jì)為250mm×180mm，柱高為1 500mm。共計(jì)6個試件，包含2個未加固對比試件和4個HTRCS側(cè)面薄層加固試件，加固方式分為近軸側(cè)加固與遠(yuǎn)軸側(cè)加固兩種形式，如圖4所示。HTRCS加固為薄層加固，加固層厚度只有20mm，內(nèi)嵌于加固層基體中的增強(qiáng)材料為鋼絲網(wǎng)，設(shè)計(jì)層數(shù)為1層，試件編號及具體參數(shù)見表1。

表1

圖4 試件加固圖試件編號及主要參數(shù)

試驗(yàn)過程按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—2012)[18]的規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果 表2

2 承載力計(jì)算公式

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮鋼絲網(wǎng)和HTRCS基材的作用，提出HTRCS加固鋼筋混凝土偏壓柱的正截面承載力計(jì)算公式。

2.1 基本假定

(1)截面應(yīng)變符合平截面假定。

(2)不考慮混凝土和HTRCS基材的抗拉強(qiáng)度、鋼絲網(wǎng)的抗壓強(qiáng)度。

(3)HTRCS加固層與原結(jié)構(gòu)之間無相對滑移。

(4)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用二次拋物線加水平線形式，本構(gòu)關(guān)系如下：

(1)

式中：ε0為混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fc時的混凝土壓應(yīng)變；εcu為正截面的混凝土極限壓應(yīng)變，計(jì)算的值大于0.003 3時取為0.003 3，當(dāng)處于軸心受壓時取為ε0。

(5)鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想的彈塑性模型，本構(gòu)關(guān)系如下：

(2)

2.2 鋼絲網(wǎng)及樹脂混凝土本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)試件破壞特征，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，不考慮鋼絲網(wǎng)的抗壓作用及樹脂混凝土的抗拉作用，提出鋼絲網(wǎng)的受拉本構(gòu)關(guān)系及樹脂混凝土的受壓本構(gòu)關(guān)系。

2.2.1 鋼絲網(wǎng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖3的鋼絲網(wǎng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，鋼絲在拉伸過程中無明顯的屈服平臺，故采用強(qiáng)化彈塑性模型。計(jì)算模型如圖5所示，鋼絲網(wǎng)本構(gòu)關(guān)系如下：

圖5 鋼絲網(wǎng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型

(3)

式中：σw，εw分別為鋼絲網(wǎng)的應(yīng)力及應(yīng)變；σwy，εwy分別為鋼絲網(wǎng)的屈服應(yīng)力及屈服應(yīng)變；σwu，εwu分別為鋼絲網(wǎng)的極限應(yīng)力及極限應(yīng)變。

2.2.2 樹脂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)5d齡期的樹脂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，為簡化計(jì)算，提出三折線本構(gòu)模型。計(jì)算模型如圖6所示，樹脂混凝土本構(gòu)關(guān)系如下：

(4)

式中：k=(fju-σc)/(εju-0.7εju)；σj，εj分別為樹脂混凝土的應(yīng)力及應(yīng)變；εju為樹脂混凝土極限應(yīng)變；σc為0.7εju時對應(yīng)的樹脂混凝土應(yīng)力；fju為樹脂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.3 受壓區(qū)混凝土及加固層等效應(yīng)力圖

根據(jù)上述假設(shè)，構(gòu)件正截面的應(yīng)變圖形、理論應(yīng)力圖形及等效圖形如圖7所示。為方便計(jì)算，根據(jù)壓應(yīng)力合力大小不變與合力作用點(diǎn)位置不變原則，受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力圖形用一個等效的矩形應(yīng)力圖形代替[19]； 加固層的應(yīng)力圖形簡化成梯形應(yīng)力圖形。由于加固層為薄層加固，因此直接等效為梯形應(yīng)力圖形誤差較小，計(jì)算時直接取加固層中點(diǎn)應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力作為等效應(yīng)力。

圖7 受壓區(qū)等效應(yīng)力圖形

2.4 承載力公式

結(jié)合上述假設(shè)，根據(jù)力與彎矩平衡條件，提出承載力計(jì)算公式如下：

遠(yuǎn)軸側(cè)加固：

(5)

(6)

近軸側(cè)加固：

(7)

(8)

式中：es為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋合力作用點(diǎn)的距離；fcd為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsd′為縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsd為縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為原構(gòu)件截面寬度；x為原結(jié)構(gòu)受壓區(qū)高度；t為加固層厚度；σw為鋼絲網(wǎng)單絲抗拉應(yīng)力值；σj為加固層中點(diǎn)處樹脂混凝土應(yīng)力值；σsd為縱向鋼筋應(yīng)力值；as為受拉鋼筋合力點(diǎn)至受拉邊緣的距離；as′為受壓鋼筋合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離；aw為鋼絲網(wǎng)合力作用點(diǎn)至原構(gòu)件表面距離；t為加固層厚度；h0為截面有效高度；β為等效受壓區(qū)高度系數(shù)；As為受拉鋼筋總面積；As′為受壓鋼筋總面積。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

將根據(jù)上述公式計(jì)算得到的承載力值與試驗(yàn)實(shí)測極限荷載值進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。由表3可知，計(jì)算值和試驗(yàn)值基本吻合，特別是對于小偏心柱，誤差均控制在3%以內(nèi)，精度較高。

公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較 表3

3 結(jié)論

本文通過對HTRCS加固RC偏壓柱承載力計(jì)算方法的研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過材料試驗(yàn)，研究了HTRCS基材樹脂混凝土和內(nèi)嵌增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)的材料力學(xué)特性，提出了樹脂混凝土的受壓本構(gòu)關(guān)系和鋼絲網(wǎng)的受拉本構(gòu)關(guān)系。

(2)根據(jù)加固層受力特征并結(jié)合加固方式，HTRCS加固偏壓柱承載力計(jì)算公式分為近軸側(cè)加固和遠(yuǎn)軸側(cè)加固兩種計(jì)算模式。

(3)本文提出的HTRCS加固偏壓柱承載力計(jì)算公式，計(jì)算值與實(shí)測值基本能夠吻合，特別對于小偏心柱，吻合精度較高，可為后續(xù)研究及工程應(yīng)用提供依據(jù)。