复合砂浆钢筋网加固钢筋混凝土梁静力和疲劳性能试验研究.pdf

第 2 9卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 建筑结构学报 J o u r n a l o f Bu i l d i n g S t r u c t u r e s Vo 1 ． 2 9， N o ． 1 Fe b ．2 o0 8 文章编号 ： 1 0 0 0 - 6 8 6 9 ( 2 0 0 8 ) O 1 - 0 0 8 3 - 0 7 复合砂 浆钢筋 网加 固钢筋混凝土梁 静 力和疲劳性能试验研究 曾令宏 ，尚守平 ，万剑平 ，罗 杰 ( 1 ． 湖南大学 土木工程学 院， 湖南长沙 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． 湖南省交通科学研究院 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 5 ) 摘要： 对用高性能水泥复合砂浆钢筋网加固的钢筋混凝土梁进行 了正截面受弯静力 和等 幅疲劳试验研究。通过 对加 固形 式为 u形三面加固的 8根钢筋混凝土加固梁和 2根未加固梁的静载和疲劳试验 ， 研究了这种加固技术对钢筋 混凝土梁受 弯疲劳性 能的影响和作用 。试验中对比了加固与未加固构件的裂缝开展 、 跨中挠度等情况 ， 分析了在疲劳荷载作用下钢筋 混凝土加固梁的承载力、 疲劳性能和破坏形态等。试验结果表明 ， 加 固后试件的疲 劳变形有所减小 ， 试件 的疲劳抗裂性能 也得到较 大提高。试验证实 ， 加固施_丁只要满足简单的操作规程就不会发生剥离破坏。根据试验分析 ， 得到了加 固试件在 疲劳荷载作用下变形模量 、 疲劳刚度计算和正截面疲劳强度验算试验回归公式 ， 为这种加固方法的设计提供一定的参考 。 关键词 ： 钢筋混凝土粱 ； 水泥复合砂浆钢筋网； 加 固； 试验研究 ； 疲劳 ； 变形 中图分类号 ： T U 3 7 5 ． 1 0 2 T U 3 1 7 ． 1 文献标识码 ： A St a t i c a n d t a t i g ue e x p e r l me nt a l s t u d y o n r e i n t o r c e d c o nc r e t e 一 ‘ 一 ● ^ b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h h i g h — p e r f o r ma n c e f e r r o c e me n t ZENG L i n g h o n g ，S HANG S h o u pi n g ，W AN J i a n p i n g 。 ，L UO J i e 。 ( 1 ． C i v i l E n g i n e e ri n g C o l l e g e o f H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ； 2 ．Hu n a n C o mmu n i c a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g s h a 4 1 0 0 1 5， C h i n a ) Ab s t r a c t：I n t h i s p a p e r ，t h e b e n d i n g r e s p o n s e o f RC b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h h i g h — p e r f o r ma n c e f e r r o c e me n t c o n s i d e rin g s t a t i c a n d f a t i g u e l o a d w e r e i n v e s t i g a t e d ．T h e t e s t S O b j e c t i n c l u d e d e i g h t R C b e a ms s t r e n gth e n e d w i t h f e r r o c e me n t a n d t w o c o n t r o l s p e c i m e n s w i t h o u t b e i n g s t r e n gth e n e d ． T h e s t r e n gth e n i n g r e s u l t s o f r e i n f o r c e d b e a m w i t h t h r e e s i d e s( U— s h a p e h i g h - p e rf o rm a n c e f e r r o c e me n t p u t o n t o t h e t e n s i o n f a c e a n d t w o p r o f i l e f a c e s ) h a d b e e n a n aly z e d ．P e rf o rm a n c e s o f t h e b e am s w e r e c o mp a r e d a n d a s s e s s e d wi t h p a r t i c u l ar e mp h a s i s o n c r a c k i n g b e h a v i o r ，mi d ． s p an d e fle c t i o n，a n d t h e mo d e s o f f a i l u r e a n d e t c ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t f e r r o c e me n t o b v i o u s l y e n h a n c e s t h e c r a c k ． r e s i s t i n g c a p a c i t y。a n d i mp r o v e s t he b e n di n g s t i f f n e s s o f b e a m．Ac c o r d i n g t o t h e c o n c l u s i o n o f t h e e x p e rime n t s ．d e b o n d i n g f a i l u r e wi l l n o t o c c u r wh e n r e i nfo r c e me n t i S o p e r a t e d a c c o r d i n g t o t h e r u l e s ．Ba s e d o n a b o v e a n aly s e s ，t h e c a l c u l a t i o n f o rm u l a t i o n o f d e form a t i o n mo d u l u s。f a t i g u e s t i f f n e s s ，a s we l l a s f a t i g u e s t r e n gth e mp i r i c a l e q u a t i o n o f s t ren gth e n e d b e a ms u n d e r f a t i gu e l o a d i n g h a s b e e n d e riv e d．Th e r e s u l t s c a n b e u s e d a s r e f e r e n c e f o r d e s i g n i n g b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h h i g h ． p e rfo rm a n c e f e r r o c e me n t ． Ke y wo r d s：RC b e a ms ；f e r r o c e me n t ；s t r e n gth e n i n g；e x p e rime n t a l s t u dy ； f a t i gu e；d e f o r ma t i o n 0 前言 对 已建成 的钢 筋混凝 土结构 进行 修复 和加 固正逐 渐变成土木工程最重要 的分支之 一 ， 目前常用 的直接加 固法主要 有粘贴 C F R P 、 粘贴钢 板、 加 大截面法 以及复合 砂浆钢 筋 网加 固法等 ， 前两种方 法有许 多优点 ， 但 均采 用有机 结构胶 粘贴 ， 而有机结构 胶有其致 命弱 点 ， 即在 温度达6 0 ℃以上时开始软化， 强度和刚度急剧下降， 不 基金项目： 湖南省科技计划重点资助项目( 0 6 S K 4 0 5 7 ) ， 交通部、 湖南省交通厅科研基金资助项 目( 2 005 1 4 ) 。 作者简介： 曾令宏( 1 9 7 8 一) ， 男， 湖南衡阳人， 工学博士， 讲师。 收稿 日期 ： 2 0 0 6年 8月 8 3 维普资讯 利于耐火及高温环境 ， 且有机 物质对室 内环境存在 空气 污染问题 ， 故使用范围受 到一定 限制 。加大截面法虽然 不存在上述问题， 但却不具备前两种方法基本不增加构 件尺寸 的优点 。复 合砂浆钢 筋 网加 固法 既不 会对环境 造成 污染 ， 又 不会 过多 的增加构件 截面 尺寸 ， 是一 种有 效的加 固方法。 复合砂浆钢筋 网加 固法 是在混 凝 土构件 表面铺 上 钢丝网或钢筋网， 用复合砂浆和抗剪销钉作为保护和锚 固， 使其共同工作整体受力， 从而提高结构承载力的一 种加固方法⋯ 。该 方法具有施工 简单 ， 施工质量 容易保 证 ， 经济效益好 ， 价格便宜 的优点 ， 并且具有较好 的耐火 性和耐 久 性 ， 可 以广 泛 应 用 于 建 筑 物 加 固和 修 补 当 中 。A n d r e w s 等 对矩 形截 面简支梁用 钢丝 网砂浆 薄层和混凝 土加 固， 试 验结果表 明用钢丝 网砂浆薄层加 固的梁 比用混凝土加固的梁性能要好 ， 第 一条裂缝 出现 的荷载高 2 4 ％ ， 跨 中挠度减少 1 0 ％ ； 采用钢丝 网砂浆 薄 层加 固 的 梁 其 极 限 荷 载 较 未 加 固 梁 提 高 2 8 ％。 B a s a u n b u l 等 研究 了有加 载历史梁 的钢丝 网砂浆薄 层 加固， 加固有两种方法 ， 一种 只用钢 丝网 ， 另一种方法 是 在混凝土与钢丝 网之 间涂环氧树脂胶 层 ， 试验表 明两种 方法都有很好 的效果 ， 但构件延性有所降低。S h a r m a 等H 对 已破坏 的连续 梁用 钢丝 网砂浆薄 层和混 凝 土加 固 ， 用钢丝网砂浆薄层加 固的梁与用混凝 土加 固的梁相 比， 第一条裂缝 出现 的荷载高 3 4 ％ ， 相 同荷载 下跨 中挠 度小 2 7 ％ ， 极 限荷 载前 者 比后 者高 3 0 ％。P a r a m a s i v a m 等 刮做 了钢丝 网砂浆 薄层对 于 T形梁 的加 固试 验 ， 研 究表明 ， 对新 老界面进 行适 当的处理后 ， 用 钢丝 网砂浆 薄层加 固有很 好 的效果 ， 第一条 裂缝 出现的荷载 、 构件 的刚度 以及极限荷载 值都有 不同程度 的提高 。M o t h a n a 等” 研究 了钢丝网砂浆薄层加 固混凝土梁 的受 弯性能 ， 研究 的重点在于采用不 同的方法将 钢丝 网与梁 锚 固， 研 究表 明， 不论 哪种锚 固方式 ， 钢丝 网砂浆 都能 明显 提高 梁的受 弯承载 力 ， 并 且构 件 的裂 缝 间距 与宽 度 都 有减 小。文献 [ 8 ] 、 [ 9 ] 考虑到以前 的研究都是在受拉面粘贴 钢丝网砂浆 ， 而实际工程 中也有很 多采用三 面粘 贴 的形 式 ， 试验证 明， 三面加固在提 高构件受弯承 载力的 同时 ， 对构件裂缝的控制也起到很好的作用。文献[ 1 0 ] 根据 实际加固工程 中， 许 多条件决定 了结构上 的荷载在加 固 处理时不可能完全卸去 ， 对钢筋 混凝土梁采用 复合砂浆 钢丝网薄层加 固在二 次受力条 件下 的正截 面受 弯性能 进行 了试 验研究 ， 试验 结果表 明 ， 钢丝 网复合砂 浆薄层 同样可 以明显地 提高 钢筋混凝 土梁 的二次 受力 的受弯 承载力 ， 提高构件的抗 裂性能 ， 增强构件 的抗弯 刚度 。 以上研究成果 多为由静 载试验获得 ， 有关 复合砂浆 钢筋 网加 固混凝土梁的疲劳性 能的研究很 少 ， 仅 在文献 [ 6 ] 中提到 1 5 0 0 0 0次循环 加载 的疲 劳试 验。而疲 劳性 能是钢筋混凝土结 构重要性 能之一 ， 特别是在 以下结构 8 4 中尤 为重要 ： 桥梁结 构、 吊车梁及其 支承结 构承受 车辆 的垂直和水平荷载； 厂房结构承受机械设备的周期性或 随机振动 ； 水 工和 海洋结 构承受 风浪 和波 浪等 。因此 ， 本文对用高性 能水泥 复合砂 浆钢 筋 网加 固的混凝 土梁 进 行了疲劳性能试验研究与分析 ， 探 讨 了加 固梁 的疲 劳 性 能 1 试验概况 1 ． 1 试件设计 本次试验共设计制作 了 1 0根试 件 ， 均为矩形截面 。 试件 的截 面 尺 寸 bh = 1 5 0 m m 3 0 0 m m， 长度 2= 2 4 0 0 m m， 净跨 2 。=2 1 0 0 m m。 纵 向受拉 钢筋为 3根 直径 1 4 m m 的 H R B 3 3 5钢 筋 ， 架 立 筋 为 2根 直 径 8 m m 的 H P B 2 3 5钢筋 ， 沿梁长度 方向均 匀配置 了 ( 1 ) 6 @1 0 0的箍 筋 。试 件 采 用 三 分 点 的 加 载 方 式 ， 每 段 的 长 度 为 7 0 0 m m。图 1 给 出了梁的配筋及模板图 。 两 l 5 0l j 2 l 3 i 3 5 0 l ! l 』 l 5 0且 L 一———— 2 1 一～ ———— l 图 1 试件模板图和配筋图 F i g ． I G e o me t r i c d e t a i l s a n d c o n f i g u r a t i o n o f t e s t b e a ms 试件采用 三 面 加 固的形 式 ， 用 于加 固的钢 筋 网 由 ( 1 ) 4 ． 5 的冷轧带肋钢 筋组成 ， 钢筋实测 单丝抗 拉屈服 强 度 和极 限抗拉强度 分别为 5 5 1 ． 2 M P a和 6 2 7 ． 7 M P a ， A组 为未加 固试 件 ， B组 加 固 钢筋 网 网格 尺 寸为 5 0 m m 5 0 m m， C组加固钢筋 网网格尺寸为 3 0 m m3 0 m m。设 计 混凝土轴心抗压强度为 2 5 MP a ， 试件具体参数见表 1 。 因为加固后试 件 截面 变大 ， 考 虑试 件 截面 尺 寸 的相 似 性 ， 未 加固试件也抹上 了 1 5 m m厚 的普 通砂浆 。为了避 免试验 中支座对加 固层 的限制作用 ， 试件两端 2 0 0 m m范 围内没有加固。 表 1 试件参数表 Ta bl e 1 De t a i l o f t e s t s pe c i me ns 维普资讯 1 ． 2试验方案 为 了求取试件的开裂荷载和极 限荷载 ， 每组 试件各 取一根做静 载破坏试 ， 即试件 B F A — A 1 、 B F A — B 1和 B F A — c 1 。混凝土梁的疲劳加载方案如 图 2 所 示。按 照《 混凝 土结构试验方 法标准 》 ( G B 5 0 1 5 2 --9 2 ) ， 加 固试件 采用 等幅稳定、 多次重复荷载疲 劳试验 。试验 在疲劳试 验机 上进行 ， 采用三分点加 载 ， 计算跨度 f n=2 1 0 0 m m， 纯弯 段长 7 0 0 m m 。钢筋 网 、 钢 筋、 砂浆 及混 凝土应 变 采用 电 阻应变仪测量 ， 试件挠度采用位移计测量。 幽 i 』 ! 』 ! Q Q 』 ! l 』 幽 图 2 疲劳加载方案 图 F i g ． 2 Te s t s e t u p o f f a t i g u e l o a d i n g 疲劳荷载上限取静力极 限荷 载 P ， 的 0 ． 4倍 、 0 ． 5 倍 和 0 ． 6倍三种 ， 即试件 B F A ． B 2 、 B F A — C 2的疲劳荷载上限 P⋯ ：0 ． 4 P 试件 B F A — A 2 、 B F A — B 3 、 B F A — C 3的疲劳荷 载上限 P ⋯ ：0 ． 5 P 试件 B F A - B 4 、 B F A — C 4的疲劳荷载 上限 P ：0 ． 6 P 。 疲劳 荷载 下限 值不变 ， 取 为 P m i ： 0 ． 1 5 P 应力 比分别 为P：0 ． 3 1 2 5 、 0 ． 2 5 0 0 和 0 ． 2 0 8 3 。 试 验加载控 制方式采用荷载控制 ， 频率 为 5 H z 。 疲劳试验前 以 P ⋯ 为限 ， 进行 2次 加载卸 载循 环 的 静力试 验 ， 校验 仪表 和加载 系统 ， 荷 载分级采 取最 大荷 载值 P ⋯ 的 2 0 ％ 为一级 。 加载时分五 级加到最 大荷载 ， 在经过荷载最 小值 时 增加 一 级 ； 卸 载 时分 四级卸 载 到 零 ， 在经 过最小荷 载值 时增 加一级 ； 在 第一循 环加载 过 程 中， 裂缝出现前 ， 适 当加密荷 载等级 ； 在 每级加载或 卸 载时 ， 读取仪表读数 ， 观测 裂缝 等。 然后 在 P 和 P 下 进行疲劳试验 ， 当疲劳次数进行到 2 01 0 、 5 01 0 、 2 0 0 1 0 。 、5 0 01 0。、1 1 0 、 1 ． 51 0 、 21 0 次 荷载时 ， 停 机进行 一个循环 的静载试 验 ， 分别 测试应 变及 挠度 ， 并 观测裂缝、 测量裂缝最大宽度及结合面裂缝情况等， 当 疲劳破坏发生时 ， 记下疲劳破坏 的次数 、 破坏 特征 、 荷载 值等。发生疲劳 断裂时 ， 打开 混凝 土 ， 观察 钢 筋断裂 的 情况。2 1 0 次疲劳荷载后仍不坏 的试 件 ， 做静 载破坏 试 验 2 试验结果 2 ． 1 静载试验 结果 为了得到试件的实际开 裂荷载和极 限荷载 ， 每组 试 件各取一根做静载破坏试验， 试验结果验证了高性能水 泥复合砂 浆 钢筋 网对 静力 作 用下 混凝 土 梁加 固作 用。 试验过程 中描绘了试件 裂缝 开展情况 ， 从试 验中可 以看 出， 复合砂浆钢筋网加 固使试件具有良好的抗裂性能， 从表 2中可 以看 出 ， 开裂 荷载 提高 的幅度很 明显 ， 加 固 试件 的开裂 荷 载分 别是 未 加 固试 件 的 1 ． 2 7倍 和 1 ． 6 4 倍。从 图 3试验裂缝可 以看 出， 加固后 试件 的裂缝形态 与未加 固试 件相 比， 呈“ 细而密 ” 的状态 ， 加 固试件 的平 均裂缝 宽度 分别 只有 未加 固试件 的 3 9 ． 0 ％ 和 5 4 ． 6 ％ 。 加固后试件的承载能力比未加固时有明显的提高 ， 加固 试件较未加固试件的极限承载能力提高幅度分别达到 2 3 ． 1 ％ 和 4 6 ． 9 ％ 。、 表 2 静载试验结果 Ta b l e 2 S u n u n a r y o f t e s t r e s u l t s u n d e r s t a t i c l o a d i n g 注： 表 中 P r l 、 P P P o z 、 尸 n 3分别 表示试件 开裂荷载、 屈服荷 载( 试 件底部钢筋屈服时的荷载 ) 、 极 限荷载以及裂 缝宽度达 到 0 ． 2 mm， 0 ． 3 m m时荷载； s 为裂缝平均 间距 。 图 3 静载试件破坏特征图 F i g ． 3 F a i l u r e p a t t e rns of s t a t i c l o a d i n g t e s t s p e c i me n s 2 ． 2疲劳试验结果 试 件 B F A — B 4和 B F A — C 4分 别 在 1 3 4 ． 11 0 次 和 9 2 ． 9 71 0 次发生疲劳破坏， 其余试件在 2 0 0 1 0 次疲 劳荷载后没有发生疲劳破坏， 在 2 0 0 1 0 次疲劳荷载后 进行静载破坏试验。 由图 4可知 ， 试 件在 5 01 0 次荷 载后 ， 挠度值变化不大， 基本趋于稳定， 经过相同次数的 疲 劳荷载后 ， 未加 固试件 的挠度 最 大 ， 加 固钢筋 网网格 85 维普资讯 大 的试件挠度大于加 固钢筋网网格小 的试 件挠度 ， 可见 试件承受疲劳荷载时 ， 加 固试 件 的刚度较 未加 固试件 的 刚度大 。 3 。 2 5 2． 。 1 ． 。 。． 5 0． 0 3 5 1 ． 。 。 5 0 0 0 5 0l 0 4 1 0 01 0 4 l 5 0l 0 4 2 0 0 ~l 0 4 Ⅳ， 次 0 5 0Xl 0 4 l 0 0l 0 4 1 5 01 0 4 2 0 0Xl 0 4 ^ 次 图4 试件跨中挠度与疲劳次数关系 Fi g． 4 S p e c i me n s de f l e c t i o n wi t h l o a d i ng c y c l es 图 5给出了试 件 在疲劳试 验过 程 中的裂 缝宽度 发 展 图。从图 中可以看 出， 疲劳试验 裂缝 的发展 和静载试 验的裂缝发展相似 ， 即加 固试件 与未加 固试件相 比宽度 小 ， 在疲劳荷载期间 ， 不仅有新 的裂缝产生 ， 其它 原有裂 缝直 至 2 0 0 1 0 次 荷载 时仍 然不 断发 展 。加 固试 件没 有发 生疲 劳破坏 ( 不包括 B F A ． B 4 ， B F A ． C 4两个试 件 ) ， 在 2 0 0 1 0 次疲劳荷载后 ， 最 大裂缝宽度 小于 0 ． 3 m m， 甚至小于 0 ． 2 m m， 而未加 固试件最大裂缝宽度 大部分维 持在 0 ． 4～ 0 ． 5 m m之间。加 固试件的平均 裂缝 间距 比未 加固试件减少 3 4 ． 8 ％ ～ 4 2 ． 1 ％ ， 可见加 固试 件的抗裂性 能有明显提高 。 试验表 明， 试件 疲劳破 坏 的过 程 可 以概 括 为初裂 、 疲劳裂缝 的开展、 钢 筋网疲 劳断裂 三个 阶段 。初 裂 ： 初 裂时混凝土仍然处于弹性 阶段 ， 钢筋的应力仍低 于其弹 性极 限 ， 应力 和应变 按 比例增 大 。疲 劳裂缝 的开展 ： 施 加静 载到 P ～ 后卸载 ， 反复两次后施加疲 劳荷载 。随着 荷载循环次 数 的增加 ， 混凝土变 形增长 加速 ， 裂缝 逐渐 向试件顶部 开展 ， 开展 速度非 常迅速 ， 同时有一 部分细 微的新裂缝出现， 主裂缝逐渐扩展到梁顶 ， 裂缝截面的 大部分应力 由钢筋 承担 ， 钢筋 中应力迅速增 大。加 固钢 筋 网疲劳断裂 ： 疲劳荷 载循环 达到一定次 数后 ， 构 件发 生疲劳破坏 。疲劳 破坏 过程 是试 件底 部加 固钢筋 网 的 8 6 0 5 0 1 0 4 1 0 0 l 0 4 l 5 0 l 0 2 0 0 1 0 4 Ⅳ， 次 0 5 0 l 0 1 00 l 0 l 5 0 l 0 4 2 0 0 1 0 4 Ⅳ ， 次 图 5 试件裂缝宽度与疲 劳次数关 系 Fi g ． 5 S p e c i me n s c r a c k wi dt h wi t h l o a di n g c y c l e s 一 根纵筋 首先受 拉疲 劳断裂 ， 其余钢 筋 网的应力 突增 ， 裂缝开展 而造成 中性轴 上移 ， 受压 区 面积减小 ， 再经 过 数万次的荷载重复加卸 ， 随着材料的损伤积累， 其余 的 纵筋也相 继断裂 ， 构件丧失承载能力 。 所有的试件 ， 无论是疲劳破坏还是静载破坏， 都没 有发生加 固层剥离等界面 的破坏 ， 说 明采取 了可靠的施 工措施后 ， 高性 能水泥复合砂浆钢筋 网可 以运 用于承受 疲劳荷载试 件 的加 固。发 生疲 劳破坏 的试件 的端部 和 跨 中受压 区见 图 6 。 ( a ) 跨中受压区 ( b ) 端部 图 6 试件 B F A — C 4破 坏疲 劳后界面情况 F i g． 6 Th e i nt e r f a c e o f s pe c i me n BFA- C 4 a f t e r f a t i g u e l o a di n g 3 理论分析 3 ． 1 混凝土弯 曲受压 疲劳变 形模量 的分析 从试 验可以看 出 ： 随着疲 劳荷 载作 用次 数 的增加 ， 5 4 3 2 O O O O O O O 巨 异_ ^ I 5 4 3 2 O O O O O O O 【 【 l I c≥ 一 维普资讯 梁的挠度 和混凝土应变增大 ， 混凝土 均匀应力 下疲劳变 形模量 E 降低。 轴心受压 棱柱体 的压力是均 匀分布 的 ， 而在受 弯梁 内的受压 区压力则呈三 角形分布 。 以均匀应 力下的弹性模量 E 或疲劳变形模 量 用作弯曲变形模 量E 或弯曲受压疲劳变形模量E ： ， 显然是不合适的。 此 外 ， 混凝 土的应变 随荷 载重复次 数 Ⅳ的增加 而变 大 ， 疲 劳变形模量随荷载重复次数 Ⅳ的增加 而减小 。 根据受压 区应力 为三角形分布和实际量测 的混 凝土、 钢筋 应变计 算得到 了高性 能水泥复 合砂 浆钢 筋 网加 固的钢筋 混凝 土梁 的混凝土弯 曲受压静载变形模量 E 和疲 劳变 形模 量 ， 试件 的 E fw ／ E 随疲 劳荷载循环次数变化如图 7所 示 。 从 图7 可 以看出 ， 加 固梁和普通钢筋混凝土梁的混凝 土疲劳变形模 量均 随荷载循环 次数 的增加 而逐渐减 低 ， 相 同强度等级的混凝 土疲劳变形模 量值基 本相 同。 本试 验 的静载实测 计算 出 的静载作 用下 混凝 土弯 曲变形 模 量 E 在 0 ． 6 6 E ～0 ． 7 5 E 之 间， 平 均值为 0 ． 7 。 。 文献 [ 1 1 ] 给 出的 普 通 混 凝 土 梁 的 平均 值 为 0 ． 6 6 E 。 ， 文 献 [ 1 2 ] 给出的高强混凝土梁平均值是 0 ． 8 1 E 。 根据文献 [ 1 2 ] 中给出的回归方程 y = Ef w／ E ( 1 ) y =o—b l o g N ( 2 ) l - 0 0 9 0． 7 0 6 0． 5 I 0 0 9 0 8 O． 7 0 6 0 5 0 5 0 1 0 1 0 0 1 0 4 1 5 0 1 0 4 2 0 0 1 0 N } 次 图7 E fw ／ E 随疲劳荷载循环次数变化图 Fi g ． 7 S p e c i me n s Ef w／ E wi t h l o a di n g c y c l e s 式 中， y 为混凝土疲劳变形模量降低 系数 ； E 为混 凝土 静载作用下弯 曲受压变形模量 ； 为混凝土疲劳变形模 量 。 本试验经 回归分析得 到式 ( 3 ) 。 y ‘=1 ． 1 9 9—0 ． 0 6 3 4 1 o g N ( 3 ) 故可得到下式 Ef =(1 ． 1 9 9 —0 ． 0 6 3 41 o g N) E =(1 ． 1 9 9 —0 ． 0 6 3 41 o gⅣ)0 ． 71 E =( 0 ． 8 5 1—0 ． 0 4 5 0 1 o g N) E ( 4 ) 3 ． 2加固梁 的疲劳 刚度计算 带裂缝 工作的构件 ， 影 响刚度 的主要 因素为受拉 区 的裂缝 和受压 区混凝土 的非弹性变形 。因此 ， 凡 是影响 拉区和压区平均应变的因素都是影响曲率的因素， 也就 是影 响构件 变形 的 因素。采 用解 析刚 度法求 加 固试 件 的疲 劳刚度 ， 在改进 后 的曲率 和刚度计 算公式 基 础上 ， 进行 了高性能水 泥复 合砂 浆钢筋 网加 固混凝 土梁疲 劳 刚度 的计算 。试 验证 明 ， 在疲 劳荷 载作用 下 ， 平 截 面假 定仍然成立 ， 则截面 的平均 曲率 可用下式计算 ： 型 ( 5 ) — — _ _ — 一 ) J 式 中， 为疲劳荷载 作用下 梁顶混凝 土的平均 应变 ； 为疲劳荷载作用下梁 内钢筋的平均拉应变 。 则截面 的平均抗弯刚度为 = ㈤ m 占c 十占e 在疲劳荷载前加载至疲 劳荷载上 限的静载作用下 ， 梁 内钢筋 、 加 固钢筋网和混凝 土的应力仍低 于其屈服强 度 ， 受压区混凝土采用 三角形应力分布 ( 计算简 图如 图 8 所示 ) ， 进行计算 时 ， 可以不考虑截 面上拉 区混凝土 的作 用 ， 由裂缝截面上 的力矩平衡可 以得到 M=0． 5 E 占 b x r l h 0+E 占 ⋯t x r l h 0+E m 占 ⋯A o + E smc ~ m A ( 孚 ． ．．。 ) ( 7 ) M =E 占 A r ／ h 0+E m 占 ⋯ A ( 0+o )+ E~ c s m A ， ( 8 ) 解得 图8 疲劳刚度计算简图 Fi g ．8 Mo d e l t O c a l c u l a t e f a t i g u e fle x ur a l s t i ffn e s s 8 7 维普资讯 s ：M／ Rl s =M／ R2 R 。 ： E 叩 。 ( 0 ． 5 b + f ) + E sm A 。 。 。 — 三 + E 。 c 孚 - -． R ： ( +Ⅱ ) + E 等 在疲劳荷载作用下 ， 顶 面混凝 土平均应 变的变化 幅 度较小 ， 可取 否 ：s ( s 为疲劳荷载作用下梁顶混凝土 应变 ) ， 钢筋应力仍低 于屈服强度 ， 疲劳应变可表示为 否 = 占 式中 ， 为受拉钢筋应变不均匀系数。 施加疲劳荷载以后 ， 钢筋应变 和混凝土应 变均 随荷 载循环 次数增 大 ， 令 s ： 由于在疲劳荷载作用 下 ， 梁中和轴位置变化不大 ， 则有 r N e o／e c N 式中 ， 为疲 劳荷载作用下的混凝土压应 变增大 系数 ， 为疲劳荷 载作用下的钢筋应变增大系数 。 可以得到 否 ： s ： N s ( 9 ) 否 =占 = N 占 ( 1 0 ) 联立上述公式得到疲劳刚度 的计算式 ( 1 1 ) 。 =( 。一 ( 1 1 ) 疲 劳刚度计算式 中 E 、 E — A 、 A ⋯ A 、 h 。 均为确定 值， 其余的系数均随疲劳荷载作用而变化， 需另行赋值。 在计算时 可采用文献[ 1 2 ] 所给的计算式( 1 2 ) 。 N=0+b l o g N ( 1 2) 本文通过对试验数据进行回归， 分析得到适合高性 能水泥复合砂浆钢筋 网加 固混凝土梁的计算公式为 N：0 ． 9 3 6+0 ． 0 2 4 5 1 l o g N ( 1 3 ) 施加疲劳荷载后 ， 裂缝随着荷 载重复次数 的增加 向 上延伸， 因此需要对上式计算的 进行修正， 文献[ 1 2 ] 认为修正系数和配筋率相关 ， 本文认 为修正 系数除和配 筋率相关 外 ， 还和疲劳作用 次数相关 。试验量 测了钢筋 和混凝 土应变 ， 对梁 的平 均受 压区高度进 行 了计算 ， 因 此本文假定 ：0 ( 1一c l o g N) x ( 1 4) 式 中， 0 为裂缝截面受压区高度配筋率修正系数。 由试验结果 回归得 = ( 3 8 ． 9 4 5 p+0 ． 5 2 6 ) ( 1—0 ． 0 1 0 3 7 1 o g N) ( 1 5 ) 利用上述公 式可 以求 出试 件 的疲 劳刚度 及试件 的 挠度 。由试验 中量 测挠度值 和挠 度计 算值列 于表 3 ， 两 者相差不大 ， 总体偏于安全 。 3 ． 3 正截面疲劳强度验算 采用高性能水 泥复合 砂浆钢筋 网加 固的混凝 土梁 可能会 出现 以下疲劳 破坏形式 ： 钢筋 网疲 劳拉 断 ， 这是 常见 的或者说正常的破坏模式 ， 此 时加 固钢筋 网能充分 发挥其作用 ； 砂浆层剥落 ， 对于 这种破坏形式 ， 试验表 明 可 以通过加 强 锚 固措施 来保 证 ； 受 压 区混 凝土 疲 劳压 坏 ， 这种破坏形式 一般是在高配 筋率或加 固量 太多 的情 况下 发生 ， 其 应在静 载验算 中就避免 ， 因为高 配筋率 和 加 固量太多会导致混凝 土梁成 为超筋梁 ， 破 坏时发生脆 性破坏 。因而对 于采用 高性 能水泥 复合砂 浆钢 筋 网加 固混凝土梁正截 面疲 劳强度 主要考 虑钢筋 网发生 疲 劳 断裂 的情况 ， 其它破坏模式都可 以通过 不同途径来予 以 避免 。 通过试验 ， 证 明多次疲 劳荷 载作用下 的正截面疲 劳 强度 的计算模 式 与静载 下的计 算模式 是不 同的 。其 主 要 区别在 于 ： 静载作 用下 ， 受 压 区混凝 土的压 应力 图形 取 为等效矩 形 ； 而在 疲劳荷 载作用下 ， 由于钢 筋应力 达 到疲 劳强 度而拉 断时 ， 梁受 压 区的压 应力还 相 当低 ， 所 表 3 疲劳荷载作用下挠度值 Ta bl e 3 De fle c tio ns u nde r f a t i gue l o ad i ng 注 ： 分别为疲劳荷载作用 下挠度的试验值和计算值。 8 8 维普资讯 以梁 的疲劳强度验算中 ， 混凝 土受压 区的压应力 图形采 用三角形 ， 其边缘 纤维压 应力 是未知 的。 在疲劳荷 载作用下 钢筋 的疲劳是 由于裂纹 的萌生 和扩展的结果 ， 当裂纹尖端 的应 力强度 因子达到 临界值 时 ， 裂纹 尖端 的应力平 衡被打 破 ， 裂纹 扩展重 新形成 新 的平衡状态， 随着这个平衡过程的不断循环直到钢筋不 能提供平 衡裂纹 尖端 的应力 强度 而断 裂。这一 过程 中 影响钢筋 疲 劳强度 的因素很 多 ， 如应 力幅度 、 最小应 力 水平 、 钢筋外形 、 直径和强度等 ， 但 以应力 幅度 的影 响最 为重要。而在 以往对疲劳试验 数据进行 分析时 ， 是 以最 大应力作 为疲劳参 数 ， 考虑 应力 比的影 响， 由 G o o d — M a n 图得 出不同应力 比下 的疲劳强 度 ， 再 除 以安全 系数后作 为疲劳设 计的允许应力 。文献 [ 1 1 ] 、 [ 1 2 ] 对可能影 响变 形钢筋疲劳强度的因素进行了综合分析， 结果表明， 最 小应力、 梁 的类型 、 钢筋 的屈服 和抗拉强度 、 钢筋 的表 面 形状等因素对钢筋 的疲劳强度影 响不大 ， 应力 幅度是影