預(yù)應(yīng)力梁外外包后的預(yù)應(yīng)力加固體系試驗(yàn)研究

1預(yù)應(yīng)力筋體系目前，應(yīng)用于橋梁施工的額外預(yù)制加固系統(tǒng)主要有兩種。一種是外部預(yù)制加固系統(tǒng)，另一種是粘合預(yù)制加固系統(tǒng)。兩種體系的相同點(diǎn)是都在梁體的外部布置預(yù)應(yīng)力筋或鋼絞線,之后進(jìn)行張拉與錨固。不同點(diǎn)是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系在張拉、錨固結(jié)束后依靠噴注的高性能抗拉復(fù)合砂漿將預(yù)應(yīng)力筋與被加固梁體連接為一體。外加無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力是加固混凝土結(jié)構(gòu)最為有效的方法之一,近年來(lái),這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到了一定的應(yīng)用,并取得了良好的效果。但僅就這項(xiàng)技術(shù)本身而言,其工程實(shí)踐已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于理論發(fā)展,理論研究尚有較大的發(fā)展空間。目前,國(guó)內(nèi)部分高校及研究部門(mén)針對(duì)外加無(wú)粘結(jié)進(jìn)行了較為深入的研究,取得了一定的成果。本文制作了3片大比例尺簡(jiǎn)支T梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究了試驗(yàn)梁在不同裂縫寬度、不同縱筋應(yīng)變、不同跨中撓度情況下外加無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的加固效應(yīng),探討了了外加無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對(duì)橋梁裂縫開(kāi)展、剛度、正截面承載能力的影響,并依據(jù)加固效應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力的取值提出了新的建議。2試驗(yàn)內(nèi)容和方法2.1預(yù)應(yīng)力鋼筋性能本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了3片試件(圖1),主要用于對(duì)比試驗(yàn)分析。T梁縱向主筋配置為2?20,型號(hào)為HRB335,實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為336.3～338.4MPa,縱向鋼筋配筋率ρs=0.61%,C40混凝土。其中:試件1#為對(duì)比梁,2#和3#為加固梁,加固采用外加無(wú)粘結(jié)中的二折點(diǎn)形式。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛鋼絞線(1×3標(biāo)準(zhǔn)型),抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1570MPa,公稱(chēng)直徑為8.6mm,公稱(chēng)面積為37.4mm2。試驗(yàn)采用正位試驗(yàn)裝置,以2臺(tái)500kN手動(dòng)螺旋千斤頂為加載設(shè)備,分別位于試驗(yàn)梁計(jì)算跨徑的1/4處和3/4處,以2個(gè)1000kN應(yīng)力環(huán)來(lái)精確讀值。2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載原則測(cè)試內(nèi)容包括:撓度測(cè)量、主筋應(yīng)變測(cè)量、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量測(cè)量和全梁的裂縫測(cè)量。其中,撓度測(cè)量沿著梁的縱向共設(shè)了5個(gè)測(cè)點(diǎn),分別布設(shè)在計(jì)算跨徑內(nèi)的5個(gè)4分點(diǎn)處;主筋應(yīng)變測(cè)量通過(guò)預(yù)先粘貼在主筋上的應(yīng)變片在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行全過(guò)程跟蹤測(cè)量采值,每片試驗(yàn)梁分別在跨中處、1/4處和3/4處的主筋上粘貼了應(yīng)變片,共計(jì)9個(gè)主筋應(yīng)變;預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力測(cè)量采用特制應(yīng)力環(huán),放置在體外筋兩端的錨墊板下(見(jiàn)圖2、圖3)。試驗(yàn)采用靜態(tài)分級(jí)的方式施加荷載。加載總體原則為:加載初期,每10kN作為一個(gè)梯度,隨時(shí)觀察各參數(shù)的變化,如果在試驗(yàn)中出現(xiàn)特征值時(shí)(如梁體開(kāi)始出現(xiàn)裂縫、最大裂縫寬度達(dá)到了0.2mm),立即停止加載,并讀取數(shù)據(jù)。在臨近屈服、破壞階段時(shí)適當(dāng)減小加載梯度,以便于觀察梁體各參數(shù)值的變化。3試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果3.11試驗(yàn)梁的撓度1#梁為對(duì)比試驗(yàn)梁。外力P由0開(kāi)始逐級(jí)施加,當(dāng)荷載增加到P=25.70kN時(shí),1#試驗(yàn)梁跨中區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)裂縫;在外力增加到P=71.0kN時(shí),試驗(yàn)梁最大裂縫寬度達(dá)到了0.2mm。此后,隨著外力的增加,試驗(yàn)梁的撓度、主筋應(yīng)變、裂縫寬度等也隨之增加,總體變化趨勢(shì)較為平緩。當(dāng)外力由98.90kN增加至104.80kN時(shí),上述觀測(cè)數(shù)值發(fā)生了急劇變化,試驗(yàn)梁的縱向主筋應(yīng)變數(shù)值由3795με增加到15321με;跨中撓度由15.98mm增加到27.01mm;最大裂縫寬度實(shí)測(cè)值為1.53mm。由于此時(shí)縱向鋼筋應(yīng)變已超過(guò)10000με的極限值,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,可作為承載能力極限狀態(tài)的標(biāo)志之一,認(rèn)為試驗(yàn)梁達(dá)到承載能力極限狀態(tài)而發(fā)生失效破壞。3.22試驗(yàn)梁破壞程度的確定外力P由0開(kāi)始逐級(jí)施加,在P=25.80kN時(shí),2#試驗(yàn)梁跨中區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。當(dāng)2#試驗(yàn)梁在對(duì)應(yīng)外力P=39.25kN時(shí),開(kāi)始對(duì)外加無(wú)粘結(jié)筋施加預(yù)應(yīng)力,進(jìn)行對(duì)稱(chēng)分級(jí)張拉。在施加外加無(wú)粘結(jié)荷載后,試驗(yàn)梁各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)值均發(fā)生不同程度的變化:試件各個(gè)測(cè)點(diǎn)的撓度值有一定的減小,即產(chǎn)生了反拱,其中跨中撓度反拱值最大,達(dá)到了1.92mm;試驗(yàn)梁主筋應(yīng)變由1475με減小到702με;裂縫發(fā)生了不同程度的閉合,最大閉合值達(dá)到了0.1mm。在隨后的二次加載中,隨著外力的增加,試驗(yàn)梁的撓度、主筋應(yīng)變、裂縫寬度等也隨之增加,總體變化趨勢(shì)較為平緩。當(dāng)外力由149.60kN增加至152.90kN時(shí),試驗(yàn)梁的縱向主筋應(yīng)變數(shù)值分別由3042με增加到13261με,同時(shí)跨中撓度迅速增加,裂縫寬度和長(zhǎng)度明顯加大,并在主縫附近出現(xiàn)若干細(xì)小的樹(shù)狀裂縫。由于此時(shí)縱向鋼筋應(yīng)變已超過(guò)10000με的極限值,可認(rèn)定試驗(yàn)梁此時(shí)已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)發(fā)生破壞。破壞時(shí)的最大撓度16.23mm,最大裂縫寬0.89mm。試驗(yàn)情況見(jiàn)圖4、圖5。3.33試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果外力P由0開(kāi)始逐級(jí)施加,當(dāng)荷載增加到P=25.60kN時(shí),3#試驗(yàn)梁跨中區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。當(dāng)3#試驗(yàn)梁在對(duì)應(yīng)外力P=49.20kN時(shí),開(kāi)始對(duì)外加無(wú)粘結(jié)筋施加預(yù)應(yīng)力,進(jìn)行對(duì)稱(chēng)分級(jí)張拉。在施加外加無(wú)粘結(jié)荷載后,試驗(yàn)梁各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)值均發(fā)生不同程度的變化:試驗(yàn)梁產(chǎn)生了反拱,跨中撓度反拱值最大,達(dá)到了2.68mm;試驗(yàn)梁主筋應(yīng)變由1566με減小到835με;裂縫發(fā)生了不同程度的閉合,最大閉合值超過(guò)了0.12mm。在隨后的二次加載中,3#梁各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律及表現(xiàn)出的特點(diǎn)與2#梁基本相同。隨著外力的增加,試驗(yàn)梁的撓度、主筋應(yīng)變、裂縫寬度等參數(shù)在原有基礎(chǔ)上隨之增大。當(dāng)外力由140.60kN增加至147.05kN時(shí),試驗(yàn)梁的縱向主筋應(yīng)變數(shù)值分別由5537με增加到13427με,達(dá)到了承載能力極限狀態(tài)。此時(shí)試驗(yàn)梁的最大撓度20.28mm,最大裂縫寬1.01mm。上述3片試驗(yàn)梁的主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)變化規(guī)律參見(jiàn)圖6、圖7及表1。3.4不同加固時(shí)機(jī)張拉本次試驗(yàn)對(duì)2#、3#試驗(yàn)梁施加了外加無(wú)粘結(jié)。分別選取了不同的加固時(shí)機(jī)進(jìn)行張拉,即不同的外載及不同的張拉控制應(yīng)力。鑒于篇幅所限,本文只給出試驗(yàn)梁外加無(wú)粘結(jié)索應(yīng)力變化規(guī)律曲線,見(jiàn)圖8。4試驗(yàn)梁參數(shù)變化與試驗(yàn)結(jié)果為了比較不同加載時(shí)機(jī)對(duì)試件抗彎性能的影響,現(xiàn)將試驗(yàn)梁的參數(shù)變化與試驗(yàn)結(jié)果匯總于表1。以下僅就本次試驗(yàn)的結(jié)果,針對(duì)外加無(wú)粘結(jié)加固簡(jiǎn)支T梁的各性能的影響進(jìn)行討論分析。4.1附加無(wú)粘結(jié)后梁體力學(xué)性能從圖2可以看出,對(duì)于1#試件,隨著荷載的增加,測(cè)試點(diǎn)的撓度隨之增加。在加載的初期,由于梁體未發(fā)生開(kāi)裂,全截面參與受力,荷載-撓度曲線基本呈直線變化;在加載的后期,梁體出現(xiàn)裂縫,撓度增加的速度明顯增快,撓度曲線的斜率急劇減小,說(shuō)明梁在開(kāi)裂后剛度開(kāi)始下降。由于施加了外加無(wú)粘結(jié),使得梁體的內(nèi)力重新得到了分布,原梁的部分內(nèi)力轉(zhuǎn)移到了鋼絞線上,相當(dāng)于對(duì)原梁實(shí)行了部分卸載,從而產(chǎn)生了反拱效應(yīng),裂縫減小甚至部分閉合;同時(shí)在施加外加無(wú)粘結(jié)過(guò)程中,在水平方向產(chǎn)生了水平壓力,中性軸下移,抗彎剛度EI有所增大,提高了抗彎能力。結(jié)合圖2和表1可以看出,以2#梁和3#梁達(dá)到1#梁的屈服荷載(P=70.60kN)時(shí),2#梁的撓度對(duì)比值的降低幅度為51%;3#梁撓度對(duì)比值的降低幅度為35%;2#梁和3#梁破壞時(shí)的最大撓度也大大的降低,比值分別為0.60和0.75。由此可見(jiàn),施加外加無(wú)粘結(jié)加固對(duì)剛度有大幅度的提高。4.2無(wú)粘結(jié)試驗(yàn)梁從圖3可以看出,隨著外荷載的增加,各試驗(yàn)梁相應(yīng)主筋應(yīng)變隨之增加。對(duì)于1#試驗(yàn)梁,由于該對(duì)比梁為普通鋼筋混凝土構(gòu)件,主筋應(yīng)變隨著荷載的增加而平緩連續(xù)上升,在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形,出現(xiàn)了明顯的塑性鉸,從而進(jìn)入塑性屈服發(fā)生失效破壞。而對(duì)應(yīng)于施加外加無(wú)粘結(jié)的2#、3#試驗(yàn)梁,試件各測(cè)點(diǎn)的主筋應(yīng)變變化較1#試驗(yàn)梁而言則產(chǎn)生明顯的不同。2#、3#試驗(yàn)梁在外加荷載達(dá)到屈服荷載Py的0.56Py和0.7Py時(shí),開(kāi)始進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。實(shí)施張拉后,原梁主筋應(yīng)變值有一定的減小,2#、3#試驗(yàn)梁主筋荷載-應(yīng)變曲線有一個(gè)明顯的回縮臺(tái)階,對(duì)原梁起到了卸載作用;在隨后進(jìn)行的二次加載的中,主筋應(yīng)變值的增加就以此滯后點(diǎn)作為新的起點(diǎn),并隨荷載繼續(xù)增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。在二次加載的過(guò)程中,加固梁與對(duì)比梁在同級(jí)別荷載作用下,加固梁應(yīng)變普遍小于對(duì)比梁的應(yīng)變,減小的幅度為35.0%～65.9%。在加載的后期,應(yīng)變?cè)黾拥乃俣容^快,應(yīng)變曲線的斜率急劇減小,承載能力極限破壞點(diǎn)荷載比前一級(jí)荷載產(chǎn)生較大應(yīng)變。采取外加無(wú)粘結(jié)的加固梁其極限荷載較未加固的對(duì)比梁可提高40%～46%,提高了試驗(yàn)梁的極限承載力。4.3加壓無(wú)粘結(jié),總裂縫在一定的時(shí)間下都會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂后的梁體在施加預(yù)應(yīng)力后,原梁裂縫出現(xiàn)不同程度的減小,部分較小的裂縫可以完全封閉。但隨著外加荷載的增大,裂縫又重新出現(xiàn)或在原有的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大。因此,可以說(shuō),外加無(wú)粘結(jié)可以對(duì)原梁的裂縫起到一定的封閉作用,但不能認(rèn)為所有裂縫都閉合。曾有觀點(diǎn)認(rèn)為:外加無(wú)粘結(jié)可以封閉原梁的裂縫實(shí)現(xiàn)全截面工作,這是不客觀的,也是不科學(xué)的。4.4加固時(shí)機(jī)對(duì)抗彎極限承載力的影響從表1可以看出,2#試驗(yàn)梁在對(duì)應(yīng)荷載P=39.25kN時(shí)施加預(yù)應(yīng)力,抗彎極限承載力提高了46%;3#試驗(yàn)梁在對(duì)應(yīng)荷載P=49.20kN時(shí)施加預(yù)應(yīng)力,抗彎極限承載力提高了40%。由此可見(jiàn),不同加固時(shí)機(jī)的選取對(duì)于抗彎極限承載力有一定的影響。在構(gòu)件配筋相同的條件下,加固時(shí)機(jī)越早,試驗(yàn)梁抗彎承載力提高的幅度越大。同時(shí),外加無(wú)粘結(jié)鋼絞線的應(yīng)力也隨著荷載的增加而增加,增加的幅度逐漸變大。在二次加載過(guò)程中,2#試驗(yàn)梁外加無(wú)粘結(jié)鋼絞線的應(yīng)力值由1203.82MPa增加到1529.19MPa;3#試驗(yàn)梁外加無(wú)粘結(jié)鋼絞線的應(yīng)力值由1246.06MPa增加到1542.30MPa,預(yù)應(yīng)力增量值分別為310.86MPa和273Mpa,分別達(dá)到預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度極限fpk(1570MPa)的97.40%和98.23%,加固梁呈現(xiàn)出了適筋梁破壞特性。4.5張拉力控制值的選取在實(shí)施外加無(wú)粘結(jié)加固時(shí),預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力是整個(gè)加固技術(shù)的核心和關(guān)鍵,張拉力控制值的大小對(duì)加固效果可以產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。張拉力控制值確定是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作,它除了與擬加固橋梁的類(lèi)型、橋梁病害程度、體外索布置形式有關(guān)外,還與施工時(shí)預(yù)應(yīng)力損失、體外索與轉(zhuǎn)向塊摩擦損失等諸多因素有關(guān),目前尚無(wú)成熟的計(jì)算理論,只能通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行探索、驗(yàn)證。張拉力控制值選取適當(dāng),既可以有效地提高加固效應(yīng),同時(shí)還可以減小病害的發(fā)生和擴(kuò)展,從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性,延長(zhǎng)橋梁的使用壽命;從安全儲(chǔ)備的角度而言不宜過(guò)大,但不宜過(guò)于保守,應(yīng)該在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡量發(fā)揮材料的作用,提高加固效應(yīng)。通過(guò)本試驗(yàn),同時(shí)并結(jié)合前人所做的相關(guān)的試驗(yàn)研究,建議外加無(wú)粘結(jié)筋張拉控制應(yīng)力取值宜在0.7～0.75fpk之間,不應(yīng)小于0.7fpk。5無(wú)粘結(jié)加固梁技術(shù)的應(yīng)用外加無(wú)粘結(jié)是一種主動(dòng)加固體系,它解決了后加補(bǔ)強(qiáng)材料相對(duì)