二次受力下自密实混凝土加固梁抗剪性能试验研究.pdf

第 1 1卷第 4期 2 0 1 4年 8月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i lwa y Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g Vo l u me 1 1 Nu mb e r 4 Au g u s t 2 0 1 4 二次受力下 自密实混凝土加 固梁抗 剪性 能试验研究 王国杰 ， 郑建岚 ( 1 ． 福建江夏学院 工程学院，福建 福州 3 5 0 1 0 8 ； 2 ． 福建省环保节能型高性能混凝土协 同创新中心， 福建 福州 3 5 0 1 0 8 ) 摘要 ： 对 7根 自密实混凝 土( s c c ) 加 固梁和 2根对 比梁进行 二 次受力下 的抗剪性 能试验 。试验采 用三 面 u型增 大截 面 形式， 在初始受力不变的情况下进行自密实混凝土加固。研究不同初始受力， 不同加 固厚度及不同新老混凝土界面处理方 式下加固梁的受剪破坏特征、 承载力和新旧钢筋应变的变化规律。试验结果表明： 采用 自密实混凝土加固钢筋混凝土梁， 新老混凝土共同工作性好， 能够显著地提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力。根据试验结果， 得到二次受力下 自密实混凝土加 固梁的受剪承载力计算公式， 计算结果与试验结果吻合较好。 关键词 ： 自密实混凝 土； 抗剪承载力 ； 加 固； 钢筋混凝土 粱； 二次受力 中图分类号： T U 3 7 5 ． 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 6 7 2— 7 0 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4— 0 0 5 1 一 O 7 E x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n s o n s h e a r b e h a v i o r o f b e a ms s t r e n g t h e n e d b y SCC u n d e r s e c o n d a r y l o a d W AN G Gu o J i e ， 一 ．Z HENG J i a n l a n ( 1 ．S c h o o l o f E n g i n e e ri n g ，F u j i a n J i a n g x i a U n i v e r s i t y ，F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ，C h i n a ； 2 ．C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r f o r E n v i r o n m e n t —f ri e n d l y a n d E n e r g y—s a v i n g H P C i n F u j i a n P r o v i n c e ，F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：S e v e n i n i t i a l l y l o a d e d b e a ms s t r e n g t h e n e d b y s e l f —c o m p a c t i n g c o n c r e t e( S C C)a n d t w o c o m p a r a t i v e b e a ms w e r e e x p e ri me n t a l l y i n v e s t i g a t e d ．T h e b e a m c r o s s s e c t i o n s w e r e U —s h a p e d e n l a r g e d f o r m b y s e l f —c o n— pa c t i n g c o n c r e t e u n d e r c o n s t a n t i n i t i a l l y l o a d．W i t h d i f f e r e n t i n i t i a l l o a d，t h e s h e a r f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c s，b e a r — i n g c a p a c i t y a n d t he c h a ng e l a w o f s t r a i n i n t h e o l d s t e e l s a n d n e w s t e e l s we r e a n a l y z e d un d e r d i f f e r e n t e n l a r g e - me n t t h i c k ne s s a n d di f f e r e n t i n t e r f a c e t r e a t me n t s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e C O—o p e r a t i o n a l pe rfo r ma n c e o f t h e o l d c o n c r e t e a nd ne w s e l f—c o mp a c t i n g c o nc r e t e i s g o o d，wh i c h c a n s i g ni fic a n t l y i mp r o v e t he s h e a r b e a r i ng c a — pa c i t y i n s e l f—c o mpa c t i n g c o n c r e t e s t r e n g t h e n e d b e a ms ．Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ，t h e s h e a r c a p a c i t y f o r mu l a o f t he be a ms s t r e n g t he n e d b y S CC u n de r s e c o n d a r y l o a d wa s o b t a i n e d，a n d i t s h o we d g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x- pe r i me n t a l r e s u l t s ． K e y w o r d s ： s e l f —c o m p a c t i n g c o n c r e t e( S C C) ； s h e a r c a p a c i t y ； s t r e n g t h e n i n g ； r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms ； s e e - o n d a r y l o a d 增大截面加 固法 因其施工简便 、 适应性强 、 耐 久性和耐火性好等特点 ， 在加 固工程 中被广泛应 用 - 2 ] 。由于加 固构件往往配筋密集 ， 采用普通混 凝土施工难以保证工程质量 ， 自密实混凝土以其高 流动性 的优势 ， 近年来在钢筋混凝土结构加固工程 中得到很好的应用 I 4 J 。但对 自密实混凝土加 固 构件 的受力性能还 缺乏深入 的试 验研究 ， 任 海东 等 对考虑二次受力影响 的普通混凝~a n 固构 件的设计方法进行 了研究。本文开展 自密实混凝 土加固梁在二次受力下 的抗剪性能试验研究 ， 旨在 为有关工程设计提供技术支持。 收稿 日期 ： 2 0 1 4—0 2—1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 1 2 4 ) 通讯作者 ： 郑建岚( 1 9 6 3一) ， 男 ， 福建平潭人 ， 教授 ， 博士 ， 从事结构工程研究 ； E—m a i l ： J i a n l a n @f z u ． e d u ． e n 5 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 4年 8月 1 试验概况 1 ． 1 试验 原材 料 原构件采用商品混凝土浇筑 ， 加 固用的 自密实 混凝土采用 4 2 ． 5普通硅酸盐水泥 、 Ⅱ级粉煤灰 、 5 ～ 1 0 m m连续级配碎石 、 细度模数为 2 ． 4的中砂 和 复合高效减水剂配制 。每立方米 自密实混凝土中， 水泥、 粉煤灰 、 矿渣 、 砂 、 石子 、 减水 剂和水分别 为 3 5 0， 1 5 0 ， 7 0 ， 7 8 0 ， 8 4 0 ， 5 ． 7和 1 5 6 k g 。原构件混凝 土和加固用的 自密实混凝土强度见表 1所示 。 纵筋和箍筋分别采用 H R B 3 3 5级 、 HP B 2 3 5级 钢筋 ， 纵筋中 t h l 2的屈服强度 、 极 限强度 、 弹性 模 量分别 为 3 9 7 MP a ， 5 5 4 MP a和 2 1 0 ． 7 7 G P a ，4 ) 1 4 纵筋 的对 应值分别 为 3 9 5 MP a ， 5 3 1 MP a 、 2 0 4 ． 3 4 G P a ， g b l 6纵筋的对应值分别为 3 7 5 MP a ， 5 8 0 M P a ， 2 0 0 ． 1 6 G P a ， 箍筋 的屈服强度为 3 5 0 MP a ， 极限强 度为 5 3 1 MP a 。 1 ． 2 试件设计与加固方法 设计制作了 9根足尺试验梁， 其中 7根为 自密 实混凝 土加 固梁 R C 3～R C 9， 2根为试 验对 比梁 R C 1和 R C 2 。试件依据文献 [ 8 ] 的要求进行设计 ， 其尺寸、 配筋如图 1 、 图 2和表 1 所示 ， 其 中对 比梁 R C 2的尺寸 、 纵筋及箍筋与加固后的 R C 3相同。 4 , 6 ．5 @2 ) 图 1 原构件纵截 面示意 图 Fi g ． 1 D e t a i l s o f o r i g i n a l me mb e r s 2 空 1 4 。 图 2 加 固构件横截 面示意 图 F i g ． 2 C r o s s s e c t i o n o f r e i n f o r c e me n t me mb e r s 试验考虑不同初始受力 、 不同界面处理方法及 不同加固层厚度对加固构件受力性能的影响 ， 其主 要参数见表 1所示。其 中不同的界面处理方法中 ， 构件 R C 3一R C 7均为两侧面和底面三面凿毛 ， R C 8 和 R C 9为三面凿毛加两侧面沿梁全长刻槽。混凝 土表面刻槽分 2种形式 ， “ 刻槽①” 的刻槽深度为 1 0 mm， 宽度为 3 0 m m， 间距为 1 0 0 m m； “ 刻槽 ②” 的刻槽深度为 1 0 m m， 宽度为 3 0 mm， 间距 为 2 0 0 mm。表中 P 表示对比构件 R C 1 极 限荷载。 表 1 试验 梁的主要 参数 Ta bl e 1 Ma i n pa r a me t e r s of t he t e s t be a ms 1 ． 3 加载装置与加载制度 为了实现在保持一次加载不变 的情况下进行 加固施工 ， 试验 中将梁倒置在支座上 ， 即梁受拉 区 在上面受压区在下面 ， 在梁的两端部通过千斤顶施 加集 中荷载使梁发生弯曲。试验过程 中要求梁端 千斤顶和力传感器连接稳定 ， 梁端部混凝土在集 中 荷载作用下不发生局部压碎 ， 梁的两端部荷载同步 施加。在加固和养护过程中， 每天对千斤顶施加荷 第 4期 王国杰， 等： 二次受力下 自密实混凝土加固梁抗剪性能试验研究 5 5 6 ( ) ( ) 5 0 0 4 0 0 Z 纂3 0 0 挺2 ( ) o l 0 o O 5 1 O l 5 2 0 2 5 3 0 加载点挠度／ ra m 6 o o 5 00 ) ( ) Z 3 0 0 挺 2 ( ) o l O 0 剪跨段斜裂缝宽度／ ram 一5 o o O 5 ( ) ( ) l() f) ( )l 5 o o 2 0 ( ) f ) 2 5 o ( )30 o O 3 5 00 原箍筋微应变／ l 0 6 ( ) ( ) 5 0 0 4 ( ) l _) Z 3 0 0 避 2 O 0 l o o O l 0 ( )O 2( ) 0 0 3 0 0 0 40 0 0 加吲箍筋微应变／ 1 0 * ( a ) 加固梁荷 载 一挠度 曲线 比较 ； ( b ) 加固梁斜裂缝宽度 变化曲线 比较 ； ( c )加 固梁荷载 ～原箍筋应变曲线 比较 ； ( d ) 加 固梁荷载 一加固箍筋应变曲线 比较 图6 不同初始受力下梁加固前后抗剪性能比较 Fi g ． 6 C o mp a r i s o n o f s h e a r b e h a v i o r s b e f o r e a n d a f t e r r e i n — f o r c e me n t u n d e r d i f f e r e n t i n i t i a l s t r e s s 6 0 0 5 0 o z 4 o0 蒸 3 00 耀 2 0 0 l o0 6 o o 5 o o 4 0 0 Z 毳 3 0 0 柱 2 0 0 1 0 0 O 0 O- 2 O ． 4 0．6 O ． 8 斜裂缝 宽度／ ra m 1 ．0 —5 o o 0 5 o 0 l I=) ( ) ( ) l 5 o 0 2O ( ) ( ) 2 5 o o 3 0 o ( ) 3 5 0 0 原箍筋微应变／ 1 0 6 ( 5 0 0 4 0 O 互3 0 0 琵 ： 碍 ~ 2 0 0 t ( ) ( ) 0 —5 0 0 O 5 o o l() o0 l 5 0 0 2( ) o 0 2 5 0 0 3 o o O 3 5 0 0 加 l谢箍筋微啦变九 ( a )斜裂缝宽度变化曲线 ； ( b ) 荷载 一原箍筋应变 曲线 ； ( C )荷 载 一加 固箍筋应变 曲线 图 7不 同加 固厚度下加 固梁受力曲线 比较 F i g ． 7 C o mp a r i s o n o f l o a d — c a r r y i n g c a p a b i l i t i e s r e i n f o r — ci n g wi t h di f f e r e n t s e c t i o n t hi c kn e s s 图 8 ( a ) 和 9 ( b ) 给出了不 同界面处理方法 的 构件 R C 4， R C 8及 R C 9 ， 其原构件箍筋和加固箍筋 的应变曲线 比较。可以看到原构件箍筋 的 3条 曲 线其拐点大致相同， 表明原箍筋开始参与受力时的 荷载值大致接近 ， 而界面处理方式从凿毛到凿毛加 刻槽， 原构件箍 筋屈服荷载 降低 ， 降低 幅度为 1 3 ． 6 ％ 篙 铽蝗 5 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 l 4年 8月 Z 寒 舔 迄 一 7 o0 0 7 0 0 1 4 0 o 2 1 0 o 2 8 o 0 3 5 o 0 原箍筋微应变／ 1 0 加 固箍筋微应变／ 1 0 - 6 ( a )荷载 一原箍筋应变曲线 ； ( b )荷载 一加固箍筋应变曲线 图 8不同界 面处理方式下加 固梁受力曲线比较 Fi g ． 8 C o mp a r i s o n o f l o a d— c a r r y i n g c a p a b i l i t i e s wi t h d i f - f e r e n t i n t e r f a c e d i s p o s a l mo d e 4 自密实混凝土加 固梁受剪承载力 计算 4 ． 1 基本假定 除满足 G B一 5 0 0 1 0—2 0 1 0 ( 混凝土结构设 计规 范》的最小 截面要求 外 ， 尚应符合 下列条 件 ： ( 1 )自密实混凝土与老混凝土之间没有相对 滑移 ； ( 2 ) 自密实混凝土剥落前箍筋已屈服 。 4 ． 2 受剪承载力计算 根据试 验现象及理论分析 ， 参 考文 献 [ 1 0 ] 加 固梁 的受剪承载力可表示为 ： = 十 十 。 ( 1 ) h 。 j ( 2 ) A = 叼 ~ l s j v h 。 ( 3 ) j 式中： 为加固构件的抗剪承载力 ； 为原构件 的抗剪承载力 ， 公式同文献 [ 8 ] ； 为加 固自密实 混凝土对抗剪承载力 的贡献 ； 为加固箍筋对抗 剪承载力 的贡献 ； A为计算截面的剪跨 比； 叼 为加 固自密实混凝 土抗 剪影响 系数 ， 根据本文试 验结 果 ， 对试验梁极 限承载力 的分析拟合 ， 取 0 ． 9 ； ． 为 加固自密实混凝土轴心抗拉强度设计值； b 为加 固 自密实混凝土的截面宽度 ； h 。 为加 固后截 面的 有效高度 ； 叼 ： 为加 固箍筋二次受力抗剪影响系数 ， 当没有初始受力时 ， 取 7 ：=1 ． 3 ； 当结构处于初始 受力状态 ， 其初始受力为未加固对比梁极限荷载的 3 0 ％时 ， 取 1 ． 2 ， 当初始受力 为未加 固对 比梁极 限 荷载的6 0 ％时， 取0 ． 8 ， 其间按线性插值； i 为加 固箍筋的抗拉强度设计值 ； A 为配制在 同一截面 内加固箍筋各肢的全部截面面积； s i 为沿构件长度 方 向的加固箍筋间距。 联立式 ( 1 )一( 3 ) 即可求得 自密实混凝土加 固 混凝土梁的受剪承载力。计算结果与试验结果 的 对比见表 3 。可 见， 计算 结果 与试验结 果 吻合较 好 ， 且大多偏于安全 ， 满足工程要求。 表3 极限荷载( 计算与试验) 对比 T a b l e 3 U l t i m a t e l o a d s( C a l c u l a t e d a n d t e s t r e s u l t s ) 5 结论 ( 1 ) 采用 自密实混凝土进行增大截 面法 加 固 钢筋混凝土梁 ， 新老混凝土界面 的粘结性能好 ， 可 以保证新老混凝土的整体工作 ， 加 固梁的抗剪性能 得到明显提高。 ( 2 ) 初始荷载对加 固梁 的极 限承载力具有 明 显影响 ， 初始荷载越大其极 限承载力 降低 幅值越 大 。初始荷载为 3 0 ％ P 和 6 0 ％ 尸 的加固梁较初 始荷载零 的加 固梁 ， 其极 限荷载降低 幅值分 别为 1 ． 8 ％与 1 5 ． 2 ％。 ( 3 ) 初始荷载对加 固梁 的原箍 筋屈服荷载影 响明显 ， 初始荷载越大， 原箍筋越早进入屈服阶段。 初始荷载为 3 0 ％ P 与 6 0 ％ P 的加固梁较初始荷 载 0 ％的加固梁 ， 其原构件箍筋屈服荷载降幅分别 为4 ． 3 ％与 l 7 ． 4 ％。 第 4期 王国杰， 等： 二次受力下 自密实混凝土加固梁抗剪性能试验研究 5 7 ( 4 ) 采用凿毛法和凿毛加刻槽法处理界面， 均 能有效防止新 、 旧混凝土之间产生黏结破坏 。采用 凿毛加刻槽法处理界面并没有增大加 固梁 的极限 承载力 ， 而在刻槽间距太小时反而减小了加 固梁的 极限承载力。 ( 5 ) 提 出了了二次受力下 自密 实混凝 土加 固 梁的受剪承载力计算式， 考虑了不同初始受力等因 素的影响 ， 计算结果与试验结果吻合较好 。 参考文献 ： [ 1 ]罗素蓉 ， 郑建岚． 自密实混凝土在加固工程中的应用研 究 [ J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 3 ) ： 3 3 0—3 3 6 ． L U O S u r o n g， Z HE NG J i a n l a n ．S t u d y o n t h e fd p p l i c a t i o n o f s e l f— c o mp a c t i n g c o n c r e t e i n s t r e n g t h e n i n g e n g i n e e r i n g [ J ] ．J o u r n a l o f B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 6 ，9 ( 3 ) ： 3 3 0— 3 3 6 ． [ 2 ]D o m o n e P L ．S e l f —c o m p a c t i n g c o n c r e t e ： A n a n aly s i s o f 1 1 y e a r s o f c a s e s t u d i e s『 J ] ．C e me n t & C o n c r e t e C o m— p o s i t e s ， 2 0 0 6， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 7—2 0 8 ． [ 3 ]马昆林 ， 龙广成 ， 谢友均． C R T S I I I 型板式无砟轨道充 填层 自密实混凝土碳化及力学性能演变的研究[ J ] ． 铁道科学与工程学报， 2 0 1 2 ， 9 ( 6 ) ： 4 2— 4 7 ． MA K u n l i n ，L O N G G u a n g c h e n g ，X I E Y o u j u n ．C a r b o n a - t i o n a n d me c h a n i c s e v o l v e me n t o f s e l f — — c o n s o l i d a t i n g c o n - - c r e t e u s e d i n CR T S I l l t y p e s l a b b a l l a s t l e s s t r a c k fi l l i n g l a y e r [ J ] ．J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 9 ( 6 ) ： 4 2— 4 7 ． [ 4 ]何红霞． 自密实混凝土增大截面法加固轴心受压柱的 研究与应用[ D] ． 长沙： 中南大学， 2 0 0 7 ． HE Ho n g x i a ． R e s e a r c h e s o n a x i al c o mp r e s s i o n c o l u mn s s t r e n g t he n e d wi t h en l a r g e s e c t i o n me t ho ds by s e l f— -c o n— p a c t i n g c o n c r e t e[ D] ． C h a n g s h a ：C e n t r al S o u t h U n i v e r s i — t y，2 00 7． [ 5 ]任海东， 黄承逵， 赵国藩． 玻璃纤维布加固二次受力钢 筋混凝土梁抗剪试验研究 [ J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 0 4 ， 4 4 ( 3 ) ： 4 2 5— 4 3 0 ． RE N Ha i d o n g ，HUANG C h e n g k u i ，Z HAO G u o f a n ． E x — p e r i me n t al r e s e a r c h O i l s h e a r s t r e n gth e n i n g o f p r e l o a d e d RC b e a ms w e i t h e x t e r n a l l y b o n d e d GF RP s h e e t s『 J] ． J o u r n a l o f D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 4 4 ( 3 ) ： 42 5—43 0． [ 6 ]卜良桃， 叶蓁， 周子范， 等． 钢筋网复合砂浆加固受弯足 尺 R C梁二次受力试验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 6 ， 2 7( 5 )： 9 3—1 0 0 ． B U L i a n gta o，YE Z h e n，Z HO U Z i f a n，e t a 1 ．E x p e r i me n — t a l s t u d y o n RC b e a m r e i n f o r c e d b y r e i n f o r c i n g s t e e l b a r m e s h m o r t a r s u b j e c t e d t o s e c o n d a r y l o a d『 J ] ．J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 ) ： 9 3—1 0 0 ． [ 7 ]朱彦鹏， 廖永石 ， 郑建军， 等． C F R P加固钢筋混凝土梁 二次受力抗剪试验研究 [ J ] ．四川建 筑科学研究， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 6 ) ： 9 2— 9 6 ． Z H U Y a n p e n g ，L I A O Y o n g s h i ，Z H E N G J i a n j u n ，e t a 1 ． Ex pe r i me n t al s t u dy o n RC b e a ms’ s h e a r c a pa c i t y s t r e n g t h e n e d w i t h C F R P c o n s i d e ri n g s e c o n d a r y l o a d[ J ] ． S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e ， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 6 ) ： 9 2— 9 6 ． [ 8 ]G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范[ s ] ． GB 5 0 01 0 -- 2 0 0 2，Co d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s [ s ] ． [ 9 ]G B ／ T 5 0 1 5 2 --2 0 1 2 ， 混凝土结构试验方法标准[ S ] ． GB ／ T 5 0 1 5 2 -- 2 01 2， S t a n d a r d f o r t e s t me t h o d o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s [ S ] ．