钢筋混凝土梁的加固方法主要有外包钢法、粘钢及粘贴纤维增强聚合物(FRP)法等, 国内众多学者开展了对应研究.徐铨彪等[1]对外包钢加固混凝土框架梁的破坏模式进行数值分析, 表明梁的承载力、刚度和延性得到显著提高.林于东等[2]通过对粘贴U形钢板箍加固梁的试验和数值分析, 表明粘贴钢板箍能够有效地抑制斜裂缝开展, 提高梁受剪承载力.徐玉野等[3]通过2根未受火梁、2根受火梁和4根受火后粘贴FRP布加固梁的静载试验, 表明试件破坏时FRP发生拉断或剥离破坏，外包FRP和“U形包裹加压条”可以使火灾受损梁的受剪承载力恢复至比未受火梁更高的水平；因此，外包钢、粘钢及粘FRP均能够提高梁的受剪性能.楼板的存在使外包钢较难实现, 粘钢和粘FRP的界面脆性剥离破坏问题仍较难克服. Roberts等[4-5]建议采用机械连接方式来锚固钢板.
目前，国内锚钢加固法的研究多集中于梁底锚固钢板[6-8], 相当于增加梁底纵筋面积, 在提高梁受弯承载力的同时，会带来超筋和延性降低等问题[4, 9]. Su等[10]建议采用梁侧锚固钢板技术(bolted side-plating), 采用该方法加固的梁称为梁侧锚固钢板加固梁(BSP梁).与粘钢法、粘贴FRP法和梁底锚固钢板法相比, BSP梁延性降低不多，具有较高的受弯及受剪承载力, 不会发生剥离和超筋破坏[11-12].
国外研究人员已对梁侧锚钢法进行初步研究. Oehlers等[13]建立横向非完全共同工作程度与锚栓受剪刚度特性之间的理论关系; Nguyen等[14]基于Oehlers的模型，导出纵向与横向局部相互作用的关系; Su等[10]开展BSP连梁的试验和数值研究, 表明钢板与混凝土界面上微小的相对滑移将影响BSP梁的整体受力性能. Barner等[15]分别采用粘钢和锚钢加固混凝土梁, 比较了两种方法的影响因素及优缺点.国内锚钢加固法的研究尚属起步阶段，且多集中于梁的受弯性能, 受剪性能的研究较少.刘立新等[6, 16]通过梁底锚钢加固梁的受弯试验, 表明采用该加固法可以显著提高梁的受弯承载力和刚度, 有效地避免钢板剥离.高剑平等[17]通过5根梁侧锚钢加固梁的试验, 考察钢板高度、锚栓间距、卸荷/非卸荷等影响因素.桑大勇等[18]开展梁侧锚固和粘贴U形钢板箍加固梁的对比试验, 表明利用锚钢法能够有效地提高梁的受剪性能.
以往的梁侧锚钢加固法多采用外锚U形钢板箍方法, 该方法的施工工艺和加固质量有待改进.为了探索改善梁侧锚钢加固梁受剪性能的方法, 剖析受剪机理, 本文考虑沿整个梁侧锚固连续钢板，开展试验研究.
1 试验概况 1.1 试件设计共设计并制作5根钢筋混凝土梁, 其中1根为对比梁(CTRL), 其余4根为梁侧锚固钢板加固梁.如图 1所示, 所有混凝土梁的尺寸和配筋均相同.
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图 1 钢筋混凝土梁尺寸及配筋图 Fig. 1 Geometric parameters and reinforcement of reinforced concrete beams |
在试件浇筑及养护后进行加固施工, 各BSP梁钢板及螺栓的布置方案如图 2所示, 加固控制参数如表 1所示.表中，lp、bp分别为钢板长度和宽度，t为钢板厚度，bt为螺栓间距, db为锚固深度，rb为螺栓排数.加固时, 沿梁侧锚固通长钢板, 钢板纵横向中心线与混凝土梁中心线重合.根据预期受剪承载力提高幅度及混凝土梁尺寸, 钢板厚度取为4 mm, 钢板宽度取200 mm和300 mm两种, 螺栓水平间距取100 mm和200 mm两种.梁的跨中受弯承载力大于剪跨区受剪承载力, 试件不会发生受弯破坏, 且BSP梁跨中底部受拉区处于纯弯段, 螺栓所受的剪力较小, 故螺栓数量可以适当减少, 间距可以适当放大.
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图 2 BSP梁加固方案布置图 Fig. 2 Strengthening layout of BSP specimens |
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表 1 BSP梁的加固参数 Table 1 Strengthening details of bolted-side-plated specimens |
按照植筋胶施工手册, 首先在梁一侧钻孔(孔径为14 mm).利用钢筋探测仪标注箍筋位置, 以便钻孔时避开箍筋; 梁上、下边缘的孔道设计时向梁轴线偏移, 以避开纵筋.然后按照孔位对应原则将钢板放于梁侧, 随后注入结构胶并将锚栓植入孔道内指定深度.待结构胶凝固并达到设计强度时, 安装垫片和螺母并施加预紧扭矩(取84 N·m)以完成该侧钢板的锚固.再按照相同步骤, 进行另一侧的加固.
1.2 材料力学性能各试件混凝土设计强度等级为C50, 实测混凝土立方体抗压强度平均值为61. 5 MPa.钢筋、钢板和锚栓的力学性能见表 2.表中，d为直径，fy、fu分别为屈服强度、极限强度，Es为弹性模量.锚栓采用直径为12 mm的8.8级螺栓, 单个锚栓的受剪承载力为44.3 kN.植筋胶采用喜利得公司生产的Hilti HIT-RE 500.
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表 2 钢筋、钢板和锚栓的力学性能 Table 2 Mechanical properties of reinforcements, steel plates and anchor bolts |
试验加载在同济大学工程结构抗火试验室内完成.如图 3所示为试件P2B1的加载装置和仪表布置.试件均采用四点弯曲加载方式, 两加载点的水平间距为1 220 mm, 加载点中心位置与较近支座中心的水平距离为540 mm, 剪跨比λ=1.5(为了尽量使梁发生剪压破坏, 取剪跨比为1.0~3.0).加载时, 利用200 t千斤顶和分配梁对各试件按每级10 kN，持荷时间为1 min的加载制度进行分级加载.试验后期, 根据荷载-跨中位移曲线的变化, 延长持荷时间.
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图 3 试件P2B1加载方案和仪表布置 Fig. 3 Loading setup and instrumentation layout |
如图 4(a)所示, 试件CTRL一条主斜裂缝由右侧支座中心向加载点延伸开展, 支座内侧一根箍筋突然断裂, 外侧混凝土在巨大的冲击下发生爆裂, 试件发生脆性剪切破坏.
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图 4 各试件的破坏模式 Fig. 4 Failure modes of all specimens |
如图 4(b)~(e)所示, 各BSP试件的破坏形态相似并遵循一定规律.加载前期, 试件处于弹性受力阶段, 纯弯段率先出现竖向裂缝, 裂缝数量逐渐增多并向梁顶方向延伸开展.随后, 梁支座附近出现斜裂缝, 并沿支座中心与加载点连线方向形成一条或几条斜裂缝.当荷载进一步增大, 破坏端加载点附近螺栓间距内钢板因弯曲受压向外屈曲, 混凝土失去钢板约束并向外拱起, 锚栓缓缓向外拔出.后期竖向裂缝的数量基本稳定, 几条主斜裂缝贯通加载点与支座中心, 加固梁斜裂缝以外部分受到支座上推作用沿着斜裂缝向上错动, 斜裂缝以内部分受压向下错动, 导致加载点下架立筋受压弯曲, 斜裂缝附近及加载点下方混凝土支离破碎.最终, 剪跨区箍筋受力屈服, 加载板下方混凝土压碎, 位移迅速发展, 试件呈现为脆性剪压破坏.
2.1.2 初始裂缝对应荷载表 3列出了各试件初始竖向及斜裂缝的对应荷载(Pcr, f和Pcr, d).表中，η为极限荷载增长率.各试件按Pcr, f从小到大排序为P3B1＜P2B2＜CTRL＜P3B2＜P2B1, 均小于200 kN且相差不多, 与加固方式无关.其中试件P3B1螺栓孔最多, 钻孔对原混凝土损伤最大, 加载初期钢板的协同作用尚未发挥, 主要由混凝土承担荷载, 因此初始竖向裂缝荷载最小, 仅为85 kN.
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表 3 各试件的静载试验结果 Table 3 Test results of all specimens |
各试件按Pcr, d从小到大排序为P2B2＜CTRL＜P3B2＜P2B1＜P3B1, 表明初始斜裂缝荷载与加固方式有关, 且螺栓间距越小, 钢板宽度越大, 初始斜裂缝对应的荷载越大.对于试件P3B1, 加载中后期协同作用开始发挥, 钢板分担荷载并约束混凝土变形, 由于钢板宽度最大、螺栓数量最多, 斜裂缝扩展最慢, 斜裂缝开裂荷载最大.对于试件P2B2, 由于钻孔引起的混凝土损伤造成竖向裂缝提前出现, 且钢板宽度最小、螺栓间距最大, 故Pcr, f和Pcr, d均比CTRL略小.
由于混凝土裂缝受多种随机性因素的影响, 且钢板覆盖于混凝土梁侧不便于裂缝观测, 通过试验所得的初始斜裂缝对应荷载和加固方式的规律不显著.
2.1.3 BSP试件裂缝分布特点如图 4(b)~(e)所示, BSP梁的竖向裂缝主要位于纯弯段, 呈梳状分布且间距均匀.斜裂缝主要位于剪跨区, 沿支座中心到加载点连线附近分布3~5条斜裂缝, 几条斜裂缝交汇将剪跨区内的混凝土分割破碎.
与试件P3B2和P2B2相比, 在剪跨区内螺栓间距较小的试件P3B1和P2B1裂缝分布较密集, 且以螺栓为中心, 主斜裂缝外的其他裂缝呈放射状分布.原因是锚栓与混凝土的接触面积小, 应力集中严重, 钻孔过程中产生初始裂缝, 因此锚栓周围的裂缝容易产生并开展, 最终形成以锚栓为中心的密布放射状裂缝.
2.2 承载力、刚度与延性如图 5所示为各试件的荷载-跨中位移曲线.如表 3、图 5所示, 试件P3B1(钢板宽度为300 mm, 螺栓水平间距为100 mm)具有最大受剪承载力1 409 kN、最大曲线斜率和最大跨中挠度25.0 mm.与CTRL相比, P3B1的极限荷载增长率达到50%, 曲线斜率明显提高, 跨中位移增大13.5 mm.其他BSP梁在承载力、曲线斜率和跨中位移上有不同程度的提高.螺栓间距越小, 钢板宽度越大, 则曲线前期的斜率越大, 表明采用BSP法能够有效地提高混凝土梁的刚度.
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图 5 各试件的荷载跨中位移曲线 Fig. 5 Load-midspan deflection curves of all specimens |
当钢板宽度恒定时, P2B1的螺栓间距仅为P2B2的50%, 承载力增长率由17%提升到25%.当螺栓间距恒定时, P3B2的钢板宽度比P2B2增加了50%, 承载力增长率由17%提升至34%.表明在提高受剪承载力方面, 增大钢板宽度比减小螺栓间距的效率更高.
如图 5所示, 加载前期各试件荷载P-位移dm曲线基本沿直线增长.当荷载达到0.8Pu~ 0.9Pu(其中Pu为试件极限荷载)时，曲线斜率开始缓慢减小, 但曲线几乎无下降段, 破坏时跨中挠度很小, 仅为11~25 mm.针对图 5的曲线, 定义Pc为斜率开始减小时对应的荷载, Dc为Pc对应的跨中位移, 分别计算各试件的(Pu-Pc)/Pu和(Dmax-Dc)/Dmax列于表 3.可知, 试件CTRL的(Pu-Pc)/Pu和(Dmax-Dc)/Dmax均最小, 表明试件CTRL的延性最小, BSP梁的延性均得到较大的提升.
通过比较各试件跨中位移, 可以初步分析不同加固参数对延性的提高作用.当钢板宽度相等而螺栓间距减半时, P2B2和P2B1的(Dmax-Dc)/Dmax相差17.4%;当螺栓间距相等而钢板宽度增加50%时, P2B2和P3B2的(Dmax-Dc)/Dmax相差19. 0%.可见, 增大钢板宽度比缩小螺栓间距对提高混凝土梁延性的作用较大.
总之, 螺栓间距越小, 钢板宽度越大, 则加固试件的承载力越大, 刚度越大, 跨中最大位移越大.在提高承载力和延性方面, 增大钢板宽度比缩小螺栓间距效率更高.
2.3 钢筋应变分析 2.3.1 箍筋应变对比考虑到裂缝贯穿箍筋使箍筋受力加大, 浇筑前在支座中心与加载点连线附近的箍筋上粘贴应变片, 测量箍筋受力时的应变.同时, 在跨中位置梁底2根纵筋表面粘贴应变片.各试件钢筋应变片的布置如图 6所示.
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图 6 混凝土梁箍筋和受拉纵筋应变测点布置图 Fig. 6 Arrangement of strain gauge of stirrup and reinforcement in RC beams |
各试件破坏端的典型箍筋荷载-应变ξs曲线如图 7所示.在300 kN之前, 各应变片基本无变化, 箍筋受力很小; 在300 kN之后, CTRL的箍筋应变首先开始增大, 且相同荷载下较BSP试件数值更大.在加载初期, BSP试件箍筋应变的增长较缓慢, 当应变达到2×10-3后, 曲线斜率迅速增加, 表明此时箍筋承担了较大拉力, 变形迅速增加, 应变片在短时间内达到较大数值. BSP梁在较大的荷载和变形下, 能够保证试件正常受荷, 有利于延缓箍筋受拉, 减小箍筋应变.
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图 7 各试件破坏端典型箍筋荷载应变曲线 Fig. 7 Load-maximum strain curves of stirrup in failure end of all specimens |
对各试件梁底纵筋应变片j7、j8数据取平均值, 作荷载-纵筋平均应变ξ1曲线, 如图 8所示.在加载前期, 纵筋平均应变基本随荷载呈直线增长; 在加载后期, 曲线斜率逐渐增大, 纵筋拉应变明显变大.在相同荷载下, 试件CTRL和P2B2的纵筋平均应变较大, 增速较快; P3B1应变最小, 基本沿直线发展, 处于弹性受力阶段.其他BSP试件的曲线基本介于CTRL和P3B1之间.所以利用BSP法加固混凝土梁能够有效地降低梁底纵筋应变, 在提高受剪承载力的同时, 能够提高受弯承载力.
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图 8 各试件荷载纵筋平均应变关系曲线 Fig. 8 Load-mean strain curves of longitudinal bars in midspan |
当钢板宽度相同时, 相同荷载下螺栓间距越小的BSP梁纵筋应变越小, 曲线斜率越小.例如, P3B1的荷载-应变曲线基本呈直线发展, 破坏时纵筋未达到屈服应变, 未充分发挥材料性能.原因是缩小螺栓间距增强了混凝土梁与钢板的协同作用, 跨中梁底钢板协助纵筋抗拉, 分担了一部分荷载.当螺栓间距相同时, 相同荷载下钢板越宽的试件纵筋应变越小, 曲线斜率越小.原因是更宽的钢板增大了跨中钢板拉压力臂, 使钢板上部受压、下部受拉, 从而产生更大的抵抗矩.
2.4 BSP试件钢板应变分析如图 9所示为试件P3B1剪跨区和跨中钢板应变测点布置.在距钢板上、下边缘1 cm处粘贴应变片, 测量钢板上、下边缘的拉压应变.
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图 9 试件P3B1剪跨区和跨中钢板应变测点布置 Fig. 9 Arrangement of strain gauge of plates in specimen P3B1 |
如图 10所示为试件P3B1破坏端剪跨区和跨中位置的钢板上、下边缘应变ξp与荷载的关系曲线.如图 10所示, 钢板上边缘受压, 下边缘受拉; 沿轴线方向各测点的应变绝对值从支座向跨中逐渐增大(|s37|＜|s38|＜|s39|＜|s11|, |s40|＜|s41|＜|s42|＜|s12|).原因是沿该方向试件所受的弯矩逐渐增大, 钢板上、下部分分别承受压和拉来抵抗弯矩的作用.
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图 10 P3B1钢板上下边缘的荷载应变关系曲线 Fig. 10 Load-strain curves of plates of specimen P3B1 |
如图 10所示, 水平位置相同的钢板受拉应变一般大于受压应变(例如|s37|＜|s40|, |s38|＜|s41|), 且增速较大.原因是弯矩作用时, 下部受拉主要由纵筋和钢板承担, 上部受压主要由混凝土承担.
在加载初期, 荷载-应变曲线基本呈直线增长.在加载末期, 应变增长发生不同的变化.剪跨区的某些应变增长趋缓, 临近破坏时甚至出现数值减小、符号改变的现象.原因是剪跨区特别是加载点下方附近钢板承受较大的压力和剪力, 发生局部屈曲(见图 11), 改变了钢板的受力状态, 使原来受压的应变片卸载甚至反向受拉, 原来受拉的应变片卸载甚至反向受压.相比而言, 临近破坏时的跨中应变未发生类似剪跨区的钢板屈曲现象, 跨中应变增速变大且数值继续增大.
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图 11 试件P3B1破坏端钢板屈曲形态 Fig. 11 Bulkling of steel plate in failure end of specimen P3B1 |
(1) 对比梁与BSP梁均发生脆性剪切破坏, 但BSP梁的受剪承载力更高, 刚度更大, 延性更好.
(2) BSP梁初始竖向裂缝对应荷载与加固方式的关系不大, 初始斜裂缝对应荷载与加固方式有关.螺栓间距越小、钢板宽度越宽, 则初始斜裂缝对应的荷载越大.竖向裂缝主要位于纯弯段, 呈均匀梳状分布.斜裂缝主要位于剪跨区, 沿支座中心与加载点连线附近分布.
(3) 螺栓间距越小、钢板越宽, 则BSP试件受剪承载力、刚度和破坏时的跨中挠度越大.当前期荷载较小时, BSP法能够有效地降低箍筋和受拉纵筋应变; 当后期荷载较大时, BSP法能够充分发挥箍筋和受拉纵筋的作用, 提高受剪承载力甚至受弯承载力.
(4) BSP梁钢板上边缘受压, 下边缘受拉, 同一水平位置的受拉应变绝对值一般大于受压应变; 沿梁轴线方向的各测点应变绝对值从支座向跨中逐渐增大; 当试件接近破坏时, 剪跨区加载点附近的钢板承受较大的压力和剪力, 发生局部屈曲的现象.
(5) 采用BSP加固法可以有效地提高混凝土梁的受剪承载力, 改善延性.但由于锚栓的剪切变形性会使钢板与混凝土梁的协同作用发挥较晚, 若在钢板与混凝土缝隙之间灌浆, 即将锚钢与粘钢有效结合, 则不仅可以保证梁在极限荷载下的延性及变形性能, 而且可以确保钢板的协同作用, 从而显著改善梁的刚度.
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