界面粗糙度及加固層長度對加固梁的力學性能影響

楊志剛，史承功，李曉霞

(1.山東理工大學 建筑工程與空間信息學院，山東 淄博 255049；2.濟南四建(集團)有限責任公司，山東 濟南 250031；3.淄博職業學院 人工智能與大數據學院，山東 淄博 255314)

目前中國房屋建筑的平均壽命約為30年左右,20世紀80年代之前建造的房屋已經接近其使用壽命,且當時在設計時未考慮抗震設防或者考慮的抗震設防烈度過低,不滿足現行的抗震規范的要求,在抗震安全方面存在隱患。另外,目前有些房屋使用維護不當,受各種偶然破壞因素的影響,使其結構存在安全隱患,近些年頻發的房屋倒塌事故也驗證了這一點。若為了保證人民生命財產的安全全部拆除此類房屋,對社會將是極大的浪費。在國家倡導建設節約型社會的大背景下,唯一經濟有效的方法是對其進行加固改造。從目前建設行業的大環境來看,中國建筑行業的發展也開始逐步由大量新建轉變為維修與加固改造為主的新態勢,所以建筑結構改造和加固技術的研究已成為工程領域的研究熱點[1]。

現階段混凝土結構的加固方法已經比較成熟,常見的有增大截面法、外包法型鋼、粘鋼法、預應力加固法、粘貼碳纖維布等,其中增大截面法是一種傳統的濕作業方法,因其經濟、高效、便于取材等優點而被廣泛使用。在現行設計規范中,為方便計算,通常把加固后的混凝土構件視為一整體,按照平面假設進行設計[2-3];但實際上,澆注加固層后的構件并非一個整體,由于新舊混凝土接觸面的黏結力難以達到整體澆筑的效果,構件在彎曲受力時存在滑移現象。

已有文獻對加大截面法進行研究,但大多集中在剛度和承載力提高方面,如李祖輝等[4]對三種不同結合面處理對加固梁的力學性能進行了研究,提出結合面粘貼鋼絲網可以改善梁的受力性能, 提高梁的承載力。馬云龍等[5]通過對疊合梁彎曲試驗,驗證了新舊混凝土界面處采用插筋方式對梁的承載力有較大提高。接觸面滑移數值的大小對加固構件的承載能力和新舊混凝土接觸面的結合能力的影響至關重要,但已有研究對新舊混凝土結合面滑移方面的研究相對較少。文獻[6]曾研究了預制梁上澆筑現澆板受力時的界面滑移現象,但結論不明確,且不屬于構件加固范疇。文獻[7]對從不同的設計角度對其接觸面的滑移值做了規定,如加固構件在正常使用極限狀態時,其滑移值不超過0.7 mm,而在極限承載能力狀態時的滑移值不超過2.0 mm。

本研究主要通過試驗研究鋼筋混凝土梁加大截面加固后的力學性能,主要研究新舊混凝土接觸面的處理情況(粗糙度)和加固層長度對其界面滑移、梁變形及承載力的影響。為充分研究接觸面的滑移狀況,試件制作中未考慮新舊混凝土界面的植筋,試驗的結果亦同整體澆筑的梁的試驗結果進行了對比分析。

1 試驗概況

本試驗共制作了7根鋼筋混凝土矩形梁,如圖1所示。原梁混凝土強度等級為C30。為方便加固層混凝土澆筑,加固層采用C35無收縮灌漿料,梁縱筋為HRB335級,箍筋為HPB300級,其中1根梁做為未加固原梁,矩形截面尺寸為200 mm×300 mm,跨度為2 000 mm, 其配筋為底部受拉區2φ14,上部受壓區為2φ10架立筋?？v筋均通常布置,端部加90度彎鉤錨固,梁保護層厚度為25 mm。為防止試驗中梁出現剪切破壞,箍筋按2φ8@100均勻布置,此梁作為控制梁記為B0。

(a)試件B0

(b) 試件B1、B2

(c)試件Bst1、Bst2、Bst4

(d)試件Bst3圖1 試件尺寸及配筋

另有4根為加固鋼筋混凝土梁,未加固之前的梁的尺寸、配筋均同B0, 加固方法為在梁底部受拉區澆筑50 mm厚混凝土層,加固層內配置2φ14縱向鋼筋,保護層20 mm,且未配置橫向箍筋和插筋,新舊混凝土接觸面內未有鋼筋通過。4根加固梁在澆筑混凝土加固層之前,梁底面均需要鑿毛處理,施工中一般采用電錘鑿毛。由于試驗梁截面較小,為避免振動引起梁內微裂縫,試驗中采用人工輕鑿對梁底進行粗糙化處理。一般將鑿毛平均深度4～7 mm視為理想糙面,平均深度1～3 mm為不理想糙面[8]。4根加固梁的區別主要在于新舊混凝土接觸面的處理不同,其中Bst1和Bst2分別為理想粗糙面和不理想粗糙面,加固層均沿原梁底通常布置,Bst3為理想粗糙面,但加固層未伸至支座,距離梁端200 mm,Bst4與Bst1基本條件相同,但梁底增加了切槽,沿梁底用切割機切出寬30 mm深20 mm長度同梁寬的槽,槽沿梁長間距為300 mm,操作時應避開箍筋位置,且避免切斷縱筋。

剩余2根梁B1、B2為長2 000 mm,截面尺寸200 mm×350 mm的一次性整澆梁,梁上部受壓區縱筋位置及數量同B0,下部鋼筋為4φ14。整體梁的詳細數據見表1,加固梁的詳細數據見表2。

表1 整體梁數據

表2 加固梁數據

2 試驗過程

6根試驗梁均采用四點彎曲梁模式在壓力試驗機上完成試驗,采用位移控制模式加載,加載速度為按0.01 mm/s,試驗中主要測量了各個試驗構件的荷載、變形及界面滑移三個參數。采用數顯百分尺測量加固層面的界面滑移量,測點的布置位置見圖2—圖4。每根加固梁安裝6個測量裝置,測量位置基本對稱,在每個測量點的加固層和原梁層對應位置分別用結構膠粘貼測鋼板,兩測試鋼板的水平間距在滿足測量條件下宜盡量接近,避免由于百分尺的扭轉而產生測量誤差,另外試驗中未考慮由于混凝土的收縮和徐變引起的滑移。

圖2 Bst1、Bst2滑移---測點布置圖

圖3 Bst3滑移測點布置圖

圖4 Bst4滑移測點布置圖

3 界面滑移測試結果

每根加固梁的荷載-滑移量關系曲線如圖5—圖7所示。

圖6 Bst2荷載-滑移量曲線

圖7 Bst3荷載-滑移量曲線

圖8 Bst4荷載-滑移量曲線

從加固梁的荷載-滑移曲線可以得到如下結論：

1)隨著荷載增加,新舊混凝土接觸面均出現滑移現象,但滑移量差別較大。沿梁底全長加固的滑移量小于非全長加固梁, 理想粗糙面的滑移量小于非理想粗糙面。理想粗糙面且經切槽處理后梁的滑移量最小,非理想粗糙面的滑移量最大。

2)非理想粗糙面梁的較大滑移量會引起界面出現明顯裂縫,顯著降低其承載力。非全長加固梁雖然也出現較大滑移量,但承載力較非理想粗糙面梁有所提高,說明粗糙面較對滑移變形和加固承載力有明顯影響,加固層長度影響次之。

3)盡管試件制作時的截面尺寸、配筋、加載方式都是左右對稱,但是測出的滑移量值卻非對稱,其中Bst2和Bst3更為明顯。究其原因應該是由于試件在制作、養護中產生的微裂縫非對稱分布引起的,而微裂縫對于測點的滑移值影響較大[9],相應地對接觸面剪應力的影響也比較大。如圖9所示,微裂縫在彎曲拉應力作用下逐漸發展,開口處出現應力集中,此處新舊混凝土結合面逐漸剝離,喪失的界面剪應力逐漸轉移到周邊區域,剪應力增大直至許用剪應力后發生更多剝離破壞,直至加固層全部失效?？刂莆⒘芽p的發展是實際工程施工中較難保證的,尤其是在受拉區增加混凝土加固層,微裂縫在拉力作用下更加敏感。

4)從圖9也可以看出,在梁底切槽后能減小界面滑移,說明切槽對微裂縫的開展有一定的抑制作用,但影響程度較小,其原因是通過切槽將界面剪應力傳遞方式轉化為槽內混凝土的局部擠壓應力,減輕了局部剝離破壞引起的加固失效。

5)按照文獻[7]的建議,加固梁的極限承載能力狀態下的截面滑移量為2 mm,而Bst2、Bst3在試驗中的滑移量均超過了2 mm,可以認為這兩根梁均超過了其承載能力的極限狀態,已經發生破壞。

6)比較四個加固構件的荷載-滑移曲線可以看出,試件Bst2、Bst3左右兩側的滑移數值明顯差別較大,試件出現的破壞主要是加固層與原結構的豎向剝離破壞,當剝離破壞出現時,在圖形上出現了明顯的突變。試驗中發現Bst3的整個加固界面發生了完全的剝離破壞,加固層剝離以后的試件承載能力與未加固梁的試驗結果幾乎一致。Bst2的加固界面剝離破壞主要集中在了右半部分,其承載力較未加固梁仍有一定程度的提高。Bst1試驗中的最大界面滑移量為1.25 mm,未出現明顯的剝離破壞,試件的整體加固效果明顯。Bst4試驗中的最大界面滑移量為0.70 mm,加固承載力較Bst1有所提高,但提高幅度不大。

關于試驗的最大荷載值與對應的滑移值,滑移值為0.7、2.0 mm時對應的荷載值詳見表3。

0.7、2.0 mm分別代表構件的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的最大滑移限值,從表3可以看到,在正常使用極限狀態下,Bst3的承載力能達到Bst2承載力的1.7倍,同樣發現在達到此種狀態時Bst1、Bst4能達到Bst3的1.9倍。在驗證承載能力極限狀態時, 只有Bst2和Bst3超過了滑移值2.0 mm,

表3 試驗荷載與滑移值

加固行為失效。如果不考慮極限狀態的分類,四根加固梁的加載趨勢基本一致,出現差別的主要原因在于其加固界面處理方式的不同,Bst1、Bst4由于界面處理良好,加載時的力學性能與相同截面的整澆梁的性能類似,Bst2由于界面處理較差,屬于非理想粗糙面,其加載時的力學性能明顯較差,有時會甚至低于Bst3的試驗結果。

4 荷載-撓度試驗結果分析

試驗中還對試件的荷載與跨中撓度關系進行了比較分析。4根加固梁與1根原梁的荷載-撓度關系曲線見圖10。圖11表示的是4根加固梁與2根整體澆筑梁的荷載-撓度關系曲線。

圖10 荷載-撓度曲線圖(加固梁與原梁)

圖11 荷載-撓度曲線圖(加固梁與整澆梁)

從圖10可以看出,加固梁的承載力較原梁均有提高,其中界面處理良好且全長加固的Bst1、Bst4承載力最高。Bst3盡管界面處理理想,但是加固層未延伸至支座,其前期變形與Bst1相似。荷載達到75 kN以后,出現兩段明顯的平臺,實驗中也發現該梁共發生了兩次明顯的剝離破壞,一方面說明加固層未全長布置降低了梁的加固承載力,另一方面也說明理想的界面處理能延緩梁的破壞進程,提高梁的延性。因此,可以得到如下結論：在受拉區進行加大截面高度改造時,應盡量沿梁全長布置,或者在加固層端部采取可靠的錨固措施。Bst1、Bst2、Bst4盡管端部沒有采取額外的錨固措施,但是加固層都延伸至了支座,支座反力加大了端部的界面摩擦力,相應的界面滑移值較小。

Bst2雖然加固層延伸至全梁長,但接觸面粗糙度處理不理想,其承載力與未加固原梁B0相同,說明基本沒有加固效果,也再次證明了加固截面法施工時,新舊混凝土接觸面粗糙度處理的重要性。另外,從圖10可以看出,加固梁Bst2、Bst3的荷載-撓度曲線均有突變的情形,表現為荷載急劇降低,主要原因是界面層的滑移超過了極限值而發生了剝離破壞,加固層突然失效而造成的。

從圖11可以看出,Bst1、Bst4由于良好的處理界面和沿全長的加固長度,其整體的強度和剛度與整體澆筑的相同截面和配筋的梁B1、B2幾乎相同,但加固梁的延性卻有一定的降低。在相同荷載作用下,Bst4的變形略小于Bst1,說明新舊混凝土界面的切槽能提高梁的剛度,減小界面滑移,但對強度影響不大。Bst2和Bst3前期的剛度與整澆梁相同,但界面發生剝離破壞后,其強度卻遠低于整澆梁。

5 結論

本論文主要對加大截面法加固混凝土梁后的新舊混凝土界面力學性能進行了試驗研究,試驗中考慮了接觸面的粗糙度、加固層的延伸長度兩方面的影響,并與原梁及整澆梁的試驗結果進行了對比,得到結論如下：

1)從試驗結果可以看出,加大截面法是一種能有效提高梁的強度和剛度的加固方法,理想的界面處理及加固層全長布置的加固效果等同于整澆梁,但梁的延性降低。

2)在梁受拉側增加截面高度時,增加新舊混凝土接觸面的粗糙度以及加固層應沿梁全長布置能明顯影響加固效果,其中接觸面的良好處理是提高梁加固承載力的最重要因素,未經處理的光滑接觸面幾乎沒有加固效果。接觸面雖經理想粗糙化處理,但加固層錨固長度不足時,承載力只能達到預計的60%左右。

3)界面滑移試驗現象證明,滑移量分別等于0.7 mm、2.0 mm時可以作為加固梁正常使用和承載力極限狀態的參考數據。

4)尤其要注意,當加固層未沿梁全長布置或端部錨固裝置設置不足時,加固層極易發生整體剝離,完全喪失加固效果。試驗中發現,支座處的滑移值基本為零,由于界面微裂縫存在的偶然性,盡管試驗條件對稱布置,但界面滑移值為非對稱分布,說明由于混凝土收縮、徐變等因素引起的微裂縫對新舊混凝土的界面力學性能有一定的影響,可以作為以后的研究方向。

5)當新舊混凝土接觸面的粗糙度處理不理想及加固層長度未延伸至梁支座時,盡管加載初期加固梁剛度與整澆梁相同,但在后期發生界面剝離破壞時,梁剛度會突然降低,撓度急劇增加,正常使用環境中容易出現安全風險。