预应力钢带加固钢筋混凝土梁抗剪性能试验研究*

2022-06-21李权平李俊华何思聪顾炬锋

施工技术(中英文) 2022年9期

李权平，李俊华，叶超，何思聪，顾炬锋

(宁波大学土木与环境工程学院，浙江宁波 315211)

0 引言

预应力钢带加固技术借鉴了广泛应用于包装业的打包技术，通过在混凝土构件外表面等间距布置高强度钢带，并使用打包机拉伸钢带，形成具有横向约束力的环箍，实现延缓混凝土裂缝发展、提高构件抗剪强度、改善构件变形能力的目的，具有成本低、施工简单、操作方便、适应性强等特点。通常该技术更适用于钢筋混凝土柱的快速加固[1-2]，对于钢筋混凝土独立梁或楼盖梁的加固具有一定适用性。已有学者对预应力钢带加固技术进行了研究，如刘义等[3]开展一系列预应力钢带加固钢筋混凝土梁受剪性能试验，发现该加固技术可显著提高梁抗剪承载力与变形能力，钢带间距、钢带层数及构件倒角是影响抗剪加固效果的重要因素；杨勇等[4]和刘义等[5]在试验的基础上，分析了预应力钢带加固钢筋混凝土梁斜截面剪切破坏机理，建立了加固梁受剪承载力计算方法；黄梦迪等[6]通过试验研究了加固前构件持荷水平对预应力钢带加固钢筋混凝土梁抗剪性能的影响，结果表明，加固后梁抗剪承载力提高程度随着试件加固前初始持荷水平的增大而减小，加固设计时需考虑构件初始持荷水平的影响。

上述研究均建立在单一截面尺寸构件的基础上，由于混凝土为多相混合材料，其显著特点之一是内部的非均质构造存在明显的尺寸效应，随着尺寸的增大，非均质性增强，破坏的随机性增大，强度降低[7-8]。混凝土材料的尺寸效应会进一步反映到混凝土结构力学性能中[9-12]。因此，预应力钢带加固单一截面尺寸梁破坏试验结果及相应结论是否具有普遍工程意义，需进一步研究。

为此，本文考虑构件截面尺寸变化，制作截面尺寸不同的3根未加固钢筋混凝土梁和3根预应力钢带加固钢筋混凝土梁，通过试验研究加固梁抗剪性能，并分析加固效果。

1 试验方案

1.1 试件设计

设计制作了6根钢筋混凝土梁，其中3根为未加固的钢筋混凝土梁，编号为B2W，B3W，B5W；3根为预应力钢带加固钢筋混凝土梁，编号为B2G，B3G，B5G，钢带配置率为0.31%。B2W，B2G梁截面尺寸和配筋相同，B3W，B3G梁截面尺寸和配筋相同，B5W，B5G梁截面尺寸和配筋相同。

试验过程中考虑试件截面尺寸变化，B2W，B2G梁截面尺寸均为125mm×250mm，长度均为1 750mm；B3W，B3G梁截面尺寸均为175mm×350mm，长度均为2 250mm；B5W，B5G梁截面尺寸均为250mm×500mm，长度均为3 060mm。所有试件剪跨比均为1.9，为确保试件在钢带加固段发生剪切破坏，采用较大的纵筋配筋率与较小的配箍率，即纵筋配筋率为3.7%，配箍率为0.19%。试件尺寸和配筋如图1所示，参数设计如表1所示，表1中钢带配置率ρgd=nAgd/bs=2nωgdtgd/bs，其中n为钢带层数，Agd为钢带截面面积，ωgd为钢带截面宽度，tgd为钢带截面厚度，b为梁截面宽度，s为相邻两钢带中心距。

图1 试件尺寸和配筋

1.2 材料特性

试件采用商品混凝土浇筑，制作试件的同时，浇筑边长为150mm的混凝土立方体试块，与试件在同等条件下养护，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度测试，测试结果表明混凝土立方体试块抗压强度为30.2MPa。

按GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行钢筋和钢带拉伸试验，测得钢筋屈服强度、抗拉强度、弹性模量如表2所示。钢带抗拉强度fgd为608.76MPa，有效抗拉强度feu为486.18MPa，弹性模量Es为2.06×105MPa。

表2 钢材力学性能

1.3 试件加固

采用图2所示的设备对试件B2G，B3G，B5G进行加固，加固步骤如下。

图2 加固设备和加固材料

1)使用打磨机将混凝土梁四边棱角打磨成半径为5mm的倒角，擦去附着在试件表面的粉尘，保证混凝土表面平整干净。

2)使用建筑涂料将混凝土梁表面刷白，晾干后画出网格及钢带位置，其中钢带位置如图3所示。

图3 钢带位置示意

3)在钢带表面粘贴应变片，以便拉伸钢带时观测和控制预应力。

4)将钢带包住梁身，并通过钢带扣首尾相连，将钢带一端传入打包机内，以便张拉。

5)打开气泵，利用打包机持续勒紧钢带，钢带初始预应力设定为250MPa，由粘贴在钢带表面的应变片应变值控制，当应变达试验预期值时，停止张拉。

6)利用扣钳扣住钢带扣，防止钢带滑移，剪断伸出的多余钢带。

1.4 加载方案

试验采用三分点加载方式，加载装置如图4所示。根据试验设计的剪跨比确定加载点，在跨中、加载点及支座处布设电子百分表，在加载点与支座之间的钢带上布设电阻应变片，应变片粘贴于每条钢带表面中心处，其编号与钢带编号对应。

图4 试验加载装置

分级加载，正式加载前进行预加载，以确保仪器设备正常工作。加载初期，每级荷载增量为预估荷载的1/20；接近预估开裂荷载时，减小荷载增量，以便测量开裂荷载，观察裂缝开展情况。每级荷载加载完成后均保持一段稳定时间，以便观察试验过程中不同荷载作用下的试验现象。

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程与破坏特征

所有试件最终均发生剪切破坏，破坏过程可分为初裂、裂缝发展、压溃破坏阶段。

未加固的B2W，B3W，B5W梁破坏过程与破坏特征大致相同，破坏形态如图5所示。加载初期，在梁纯弯段跨中下边缘位置出现第1条弯曲裂缝；随着荷载的缓慢增大，弯曲裂缝不断增多；荷载达极限荷载的40%时，在剪弯段出现第1条斜裂缝，随后出现2～3条新的斜裂缝，并由支座至加载点逐步延伸发展；随着加载的持续，斜裂缝不断变宽，其中1条逐渐贯通形成了上细下粗的主斜裂缝；最终，支座处大量混凝土被压碎，受拉钢筋暴露，承载力瞬间下降，试件失效。

图5 未加固试件破坏形态

预应力钢带加固的B2G，B3G，B5G梁破坏形态如图6所示。首先在梁纯弯段跨中下边缘位置出现弯曲裂缝，随后弯曲裂缝斜向发展，由于钢带约束的存在，前期产生的裂缝发展缓慢；随着荷载的增加，在钢带两侧未被束缚的薄弱处形成新的裂缝，并逐渐并入已产生的裂缝中，形成三角形碎裂体；钢带由于裂缝的开展发出轻微响声，随着裂缝宽度的不断增加，声音越来越大，部分钢带发生断裂，混凝土剥离严重，导致试件最终破坏。

图6 加固试件破坏形态

2.2 荷载-跨中挠度曲线

各试件荷载-跨中挠度曲线如图7所示，B2W梁因跨中位移计出现故障，因此将有关数据剔除。由图7可知，在相同的截面尺寸下，加载前期试件荷载-跨中挠度曲线基本重合，这是因为荷载较小时，截面尚未开裂，混凝土处于弹性阶段，膨胀变形小，钢带发挥作用有限。随着荷载的增加，截面尺寸相同的试件荷载-跨中挠度曲线逐渐分开，相同荷载下，加固试件跨中挠度小于未加固试件，表明由于钢带对裂缝开展具有一定约束作用，使试件刚度得到有效提高。荷载达峰值后，截面尺寸较小的试件荷载-跨中挠度曲线下降缓慢，而截面尺寸较大的试件荷载-跨中挠度曲线下降快速，即承载力迅速降低。采用预应力钢带加固后，试件荷载-跨中挠度曲线下降段相对平缓，表明试件后期变形能力更强，延性更好。

图7 试件荷载-跨中挠度曲线

2.3 钢带应变

各试件代表性钢带荷载-应变曲线如图8所示。由图8可知，钢带应变发展大致经历以下阶段：①无应变或小应变阶段加载至斜裂缝出现前，所有钢带处于无应变状态；②应变缓慢增长阶段试件开裂后，钢带应变缓慢增加，对裂缝开展的抑制作用不断增强；③应变快速发展阶段当荷载超过80%的极限荷载后，主斜裂缝形成，与其相交的钢带应变急剧增加，钢带对试件的约束作用持续增强，直至试件发生破坏。

图8 钢带荷载-应变曲线

同一试件不同位置处钢带应变差异较大，靠近支座与加载点处钢带应变较小，支座与加载点中间钢带应变较大。试件截面尺寸越小，钢带应变发展越快，这是因为截面尺寸较小的试件在荷载作用下的剪切变形大，且根据加固设计方案，不同截面尺寸试件钢带配置率相同，即截面尺寸越大，钢带间距越小，单个钢带可发挥的作用相对降低。

2.4 开裂荷载

由试验得到的试件弯曲裂缝及斜裂缝开裂荷载如表3所示。由表3可知，相同截面尺寸加固试件和未加固试件弯曲裂缝开裂荷载大致相同，这是因为混凝土梁第1条弯曲裂缝均出现在跨中位置，主要由梁整体刚度与混凝土抗拉强度决定，钢带对弯曲裂缝开裂荷载基本无影响。经预应力钢带加固后，斜裂缝开裂荷载提高，提高幅度为8.89%～13.51%，这表明采用预应力钢带加固可推迟斜裂缝的出现，抑制斜裂缝的发展。截面尺寸最小的试件斜裂缝开裂荷载提高程度最大，钢带对斜裂缝的出现和抑制作用最明显。