型钢加固钢筋混凝土梁的二次受力抗弯试验研究.pdf

第3 6卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 四川建 筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 8 5 型钢加固钢筋混凝：上梁的二次受力抗弯试验研究 郭 波 ， 陈德润 ( 1 孝感学院城市建设学 院， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 ； 2 中冶赛迪工程技术股份有限公司， 重庆一4 0 0 0 1 3 ) 摘要 ： 对 2根未加 固直接加载 的钢筋混凝土 梁和 4根粘结 型钢加固二次受力的钢筋混凝土梁进行静载试验研究 ， 在 承载力 、 挠度及裂缝开展等方面进行了综合比较和分析， 得出了加固型钢对受拉混凝土有一定的约束， 改善了混凝土的抗拉性能， 不 仅提高了钢筋混凝土梁的极限抗弯承载力 ， 而且还提高了梁的刚度 。 关键词： 型钢加固； 组合构件； 二次受力 中图分类 号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 8 5 0 3 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n t h e b e n d i ng c a pa c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s t r e n g t h e n e d wi t h s h a pe d- s t e e l un d e r s e c o n d a r y l o a d GU0 Bo CHEN Dc r a B ( 1 Ur b a n C o n s t r u c t i o n I n s t i t u t e o f X i a o g a n Un i v e r s i t y， X i a o g a n 4 3 2 0 0 0， Ch i n a ； 2 C I S D I E n n e e ri n g C o ， L t d ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3 ， C hi n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o a n a l y z e t h e me c h a n i c al b e h a o r ， fl e x i b i l i ty and c r a c k i n g o f u s i n g s h a p e d s t e e l t o s t r e n g t h e n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m ， t h e p a pe r i n t r o du c e d a n e x p e rime n t ，i n wh i c h 6 b e a ms i nc l ud i n g 2 c o n t r a s t be a ms n o t r e i n f o r c e d， 4 r ei n f o rce d o n e s b e a r i n g s e c o n d a r y l o a d w e r e t e s t e d， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e n s i l e c a p a c i ty o f t h e c o n c r e t e c a n b e g r e a t l y i mp r o v e d b y u s i n g s h a p e d s t e e l ， t h e me t h o d o f u s i n g s h a p e d s t e e l t o s t r e n g t h e n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e am c a n n o t o n l y e n h an c e u l t i ma t e b e n d i n g c a p a c i t y o f r e i nfo r c e d c o n c r e t e ， a n d c a n i m p r o v e t h e r 6d i ty o f t h e b e a m Ke y wo r ds： r e i nfo r c e d wi t h s ha pe d s t e e l ； c o mb i n e d me mbe r； s e c o n da r y l o a d 0 引 言 粘钢加 固有粘 结钢板 和粘接型钢加 固两种形 式。粘结钢板加固时 ， 钢板的宽厚 比、 胶层厚度和锚 固方式决定了加固梁的两种典型破坏形式 ， 弯 曲破 坏和钢板剥离破坏。因此 ， 普通粘结钢板加 固方法 应用受到限制。建筑结构改造加 固中 需要大幅度 提高梁的抗弯承载力 ， 采用粘接型钢加固来增大结 构受力截面， 可以满足这一要求 。现在 ， 采用纤维复 合材料加固的技术也正在蓬勃发展。但是 ， 无论是 粘结钢板加固还是粘碳纤维片材加固 ， 都存在一个 问题 ， 就 是 “ 二 次受 力 ” 。所 谓 “ 二 次 受力 ” ， 就是 结 构在加固之前已经受力 ， 在 已受力 的结构上粘结 型 钢 ， 加固后再受力 。通过静力试验 ， 比较和分析了不 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 3 -03 作者简介 ： 郭波( 1 9 7 1一) ， 男 ， 湖北 安陆人 ， 教师 ， 主要从事土木 工 程专业的教学与研究。 同粘结方式 的试件在 开裂荷载 、 屈服荷载、 破坏 荷 载、 裂缝等方面的变化情况 ， 为同类结构 的加固提供 了有益的经验 。 1 试件 的制作 与加 固 1 1 试件 制作 根据 G B 5 0 0 1 02 0 0 2 混凝 土结构设计规 范 的要 求 ， 试 件 混 凝 土 采 用 C 2 0 ， 钢 筋 纵 筋 采 用 H R B 3 3 5级 ， 架立筋 、 箍筋采用 H P B 2 3 5级 ， 试件配筋 见表 1 。本次试验试件根数总计为 6根 ， 将其分为 3 组 ， 每组 2根。然后 ， 针对 3种不 同的研究 目的( 即 ： 对 比梁 、 未 粘 结 高 强 度 结 构 胶 加 固粱 二 次 受 力 4 0 、 粘 结 高 强 度 结 构 胶 加 固 梁 二 次 受 力 4 0 ) 进行试验研究 ， 试件的具体编号见表 2 。 表 1 试件梁配筋 Ta bl e 1 Spe c i me n o f r e i n f o r c e d b e a m de c o r a t e t a bl e 8 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 对 比梁 二次受力梁 对于编号说明： L一( t )一( 2 )一( 3 ) ( 1 ) 中“ a ” 表示对 比梁、 “ b ” 表示 未粘结高强度结构胶梁 ； “ c ” 表示粘结 高强度结构胶梁 ( 2 ) 中 0 ， “ 4 ” 分别表示初始荷载为对 比梁极限荷 载 0 ， 4 o ( 3 ) 中 1 ， 2 分别表示试件根数 1 2梁的实测尺寸及加固方式 梁的实测截面尺寸及长度见表 3 ， 采用的型钢 表 3 梁的实测截面尺寸及长度 Ta b l e 3 M e as u r e me nt s i z e a nd l e n gt h f or be a m 为 1 4 b普通槽钢 ， 长度为 2 2 5 0 m m， 用 9个螺栓连接 固定 ， 加固方式如图 1所示。 图 1 梁的加 固方式 Fi g 1 St r e ng t he n i n g mo de s for b e am 2试验结果 2 1 试验梁的承载力及破坏形式 二次受力加 固梁与对比梁相 比， 未粘结高强度 结构胶型钢加 固梁， 屈服强度提高 了 3 4 ， 极限强 表 4 试件特征荷载试 验值及破坏形式 度分别提高了 3 4 和 2 3 8 ； 粘结高强度结构胶型 钢加固梁 ， 屈服强度分别提高 了 6 7 和 5 6 ， 极 限 强度分别提高了5 2 4 和 6 1 9 。由此可见 ， 采用 补强加固措施后 ， 受弯承载力的增长幅度会显著提 高， 而且采用高强度结构胶加固的粱的增长幅度更 大 ， 见表 4 。 2 2 试验梁的裂缝展开图及其分析 图 2 7为本次试验 6根试件的裂缝平面展开 图， 图中数字均等于试件分配梁所传荷载大小。另 外， 对于加固构件 ， 因梁底粘结型钢 ， 底面贯通裂缝 均 无法标出 。 从这6 根梁 的裂缝 图来看 ， 用型钢加 T a b l e 4 Ch a r a c t e r i s t i c s l o a d t e s t s p e c i me n a n d d e s t r u c t i o n f o r s p e c im e n 固的梁能有效抑制裂缝的开展， 使加 固后梁的裂缝 形态有明显改观。具体表现为裂缝数 量少、 间距变 大、 宽度减小。在钢筋屈服后 ， 未加固的梁的裂缝迅 速延伸、 加宽 ， 而加固后的构件在钢筋屈服后裂缝的 长度和宽度增加速度明显减慢 ， 使得最终破坏时裂 缝有明显改善。利用粘结高强度结构胶加 固的构 件 ， 与未粘结高强度结构胶加固的构件裂缝形态类 似 ， 但粘结高强度结构胶加固的构件裂缝宽度间距 更小 ， 尤其在钢筋屈服后 ， 有效阻止 了裂缝 的开展 ， 裂缝宽度要小、 长度要短。但 由于试验中没有能够 充分发挥型钢的作用 ， 抑制裂缝开展 的效果不是特 睡 图 2 对比梁 L a一 01 裂缝展开图 Fi g 2 Be am L a一01 c r ac k s pr e ad i ng 未 L L L L 郭波 ， 等 ： 型钢加 固钢筋混凝土 梁的二次 受力抗弯试验研究 8 7 别明显 ， 但还是可以在图中反映出来。 27 5 2 2 5 2 0 2 7 5 25 l ) 图 3 Fi g 3 对 比梁 La 一 0 2裂缝展开 图 Be a m L a 0 2 c r a c k s p r e a d i n g 压 35 35 傣3 35 瞩 、 i 图 4 粘接高强度结构胶梁 Lb一 41裂缝展开 图 Fi g 4 Ad he s i v e hi gh s t r e ng t h s t r uc t u ra l g l ue l i ang be am L b一4 1 c ra c k s pr e a ding ， I 、 35 i2 2 5 f 强 22755 f s l 0 I 图 5 粘接高强度结构胶梁 Lb一 42裂缝展开 图 Fi g 5 Adhesi v e hi g h s t r e n gt h s t ru c t u r al g l ue fia ng be a m L b 4 2 c r ac k s pr e a dh l g 徭 35 35 40 s 40 静 兽 夕夕 图 6 未粘接 高强度 结构 胶梁 Lc 一 41 裂缝展开 图 Fi g 6 Ex c l u di n g a dh e s i v e h i gh- s t r e ngt h s t ru c t u ra l g l ue b e am L C 4 1 c r a c k s p r e adi ng 籀 隆37 嚣 403、0 235 ( 、 f 图 7 未粘接 高强度 结构 胶梁 Lc 一 4 2裂缝 展开图 F i g 7 Ex c l u d i n g a d h e s i v e h i g h - s t r e ngth s t ruc t u r a l g l u e be am L -C 4 2 c r a c k s pr e a di ng 2 3荷载一 挠度 曲线 试验结果表明， 未加 固试件 的挠度 曲线存在 2 个拐点， 而加 固试件 的挠度 曲线存在 3个拐点 ( 加 固前后有 明显 突变， 如 图 8所示 ) 。试件开裂 时和 试件屈服时 ， 其破坏过程可近似分为 3个阶段 ： 第一 阶段为开裂前的工作 阶段 ； 第二 阶段为带裂缝工作 阶段 ， 裂缝逐渐开展 ； 第三阶段为钢筋屈服至破坏 阶 段。与未加固试件不 同的是 ， 加 固试件在其屈服 以 后 ， 仍然具有很大的后继承载力 ， 但其变形能力已经 有相当的减弱 。试验过程 中， 用位移计量测跨 中位 移值 ， 同时消除支座沉降的影响 ， 从而得到跨中的挠 度。根据试验 中观察 的现 象和钢筋混凝土梁 的荷 载一挠度 曲线发现 ： 型钢加 固的混凝土梁 的刚度有 所提高 ， 且在不同阶段刚度的提高程度不一样。 40 3O 至 森 。 耀 1 O 0 2 0 挠度 ， mr 图 8 跨 中荷载一挠度 F i g 8 Lo a d - d e fl e c t i o n fig u r e f o r b e a m s p a n mi d d l e 2 4梁主筋荷载一应变关 系曲线 梁主筋 的荷载一应变关系曲线显示了梁底部钢 筋应变随荷载的变化情况。加固后的试件在钢筋屈 服前 ， 钢筋和加固型钢协调变形 ， 由于型钢承受一部 分的应力 ， 相 同荷载时， 加固后的试件的受拉钢筋应 变 比未加固试件的要小 ， 型钢 和纵 向钢筋 间的这种 应力重分布的结果 ， 使受拉钢筋应力减小。纵筋屈 服后 ， 这种应力重分布现象更 为显著 ， 此时 ， 加 固试 件主要通过型钢拉应力 的增大来抵抗弯矩 ， 而型钢 拉应力的增大势必引起螺栓应力 的增 大。因此 ， 螺 栓锚固位置、 埋入深度以及个数 ， 将会起着至关重要 的作用。图 9是试验梁纯弯段荷载一钢筋应变关系 0 20 0 0 4 00 0 6 00 0 应 变 ,u c 图 9跨中受拉 纵筋荷载一 应变 Fi g 9 Lo a d- s t r a i n fig ur e f o r be am s p an mi dd l e r e i n f o r c e d ( 下转 第 1 l 6页) 如 加 加 O 镛颦 l 1 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 表 3 不 同的软基处理 方法 的工程造价对比 T a b l e 3 C o n t r a s t t a b l e o f p r o j e c t c o s t f o r d i ff e r e n t s o f t 砂井 m 7 2 0 0 0 0 4 0 0 2 8 8 7 2 O 0 o O 4 O 0 2 8 8 土工格栅 m 4 5 0 0 0 x 2 2 2 0 0 1 9 8 土工布 m 4 5 0 0 0 1 0 4 5 填 m 3 0 0 0 0 0 3 0 9 0 0 3 O O o o 0 3 0 9 0 0 超载 m 4 9 0 0 0 1 6 5 8 0 8 5 弃方 m 4 9 0 0 0 1 3 5 6 6 1 5 真空预压 m 4 5 0 0 0 1 4 0 6 3 0 盒生 堑 ! ! 4 结论 用真空联合堆载预压法加固软基时 ： 一方面 ， 堆 载过程中地基产生的侧向挤出变形与真空荷载作用 下产生的侧向收缩变形相抵消； 另一方面， 由于在真 空荷载作用下土体已发生固结 ， 具有一定 的强度， 可 以以较快的速率进行堆载而不会失稳。而对于类似 本工程地质、 路堤条件 ， 采用真空联合堆载预压加 固 软基加载时， 建议当填土高度小于5 IT I 时， 可不考虑 稳定问题而连续加载 ； 当填土高度大于 5 IT I 时， 应严 格控制加载速率。 真 空联合堆载预压方法在本试验段中得 到成 功 ， 表明了在珠三角深厚软土区采用此软基加固方 法， 能同样取得很好的效果， 同时也说明了真空联合 堆载预压法具有广泛的适用性。 参 考 文 献： 1 K j e l l ma n W C o n s o l i d a t i o n o f c l a y s o il b y m e a n s o f a t m o s p h e ri c p r e s s u r e C l C o h e r e n c e o n S o i l S t a b i l i z a t i o n B o s t o n ： s n ， 2 谢晓华 ， 王春生 真空联合堆载预压法加 固处理路基效果分 析 J 水运工程 ， 2 0 0 4， 3 6 1 ( 4 ) Xi e Xi a o h u a， Wa n g Ch u n s h e n g An a l y s i s o f t h e Re i n f o r c e me n t E ff e c t o f R o a d b e d b y V a c u u mS u r c h a r g e P r e l o a d i n g J P o r t Wa t e r w a y E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4， 3 6 1 ( 4 ) 3 黄腾采用真空预压法处理公路软基 滑塌的试 验研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 6 ) Hu a n g T e n g 。 E x p e r i me n t a l s t l l d y o n the t e c h n i q u e o f v a c u u m p r e - l o a d in g t r e a t m e n t o f s l i d e s of s o f t s o i l f o u n d a ti o n s J C h i n a C i v i l E n g i n eeri n g J o u r n al， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 6 ) 4 龚晓南 ， 岑仰润 真空预压加固软土地基机理探讨 J 哈尔滨 建筑大学学报 ， 2 0 0 2， 3 5 ( 2 ) Go n g Xi a o n a n， Ce n Ya n g r u nMe c h a n i s m o f v a c u u m p r e l o a d i n g J J o u rna l o f H a r b i n U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n eeri n g a n d A rc h i - t e e t u r e ， 2 0 0 2， 3 5 ( 2 ) 5 T a n g M， S h a n g J Q V a c u u m P r e l o a d i n g C o n sol i d a t i o n o f Y a o q i ang A i r p o r t R u n w a y J G e o t ech n i que ， 2 0 o 0 ， 5 0 ( 6 ) f 6 黄腾， 谭祥韶， 吴玉刚 珠江三角洲地区软土路基实用稳定 性判别方法 J 岩土工程学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 3 ) Hu a n g T e n g， Ta n Xi an g s h a o， Wu Yu g a n g A p r a c t ic a l s t a b i l i ty a n aly s i s me t h o d f o r t h e s o ft s o i l f o u n d a t i o n o n P e a r l Ri v e r De l ta J C h i n e s e J o u rnal o f G e o t e e h n i c a l E n gin e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 9 ( 3 ) ： 3 91 - 3 9 7 7 赵常洲 真空堆载联合预压技术在高速公路软基加固中的应 用 D 浙江： 浙江大学， 2 0 0 8 Z h a o c h a n g z l 1 D u T h e C o n s o l i d a t i n g T e c h n i q u e o f t h e V a c u u m a n d P i l e d L o a d P rcl o a d i n g Me t h o d i s W i d e l y Us e d i n t h e S u p e r h i g h w a y s Sof t S o i l F o u n d a t i o n D Z h c j i ang ， Z h e j i a n g U n i v e r s i ty， 2 0 0 8 8 温 晓贵 ， 朱建才， 龚晓南 真空堆载联 合预压加 固软基机理 的 试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 4， 3 4 ( 5 ) We n Xi a o g u i ，Z h u J i a n c a i ，Go n g Xi a o n an E XPE RI ME NT AL S T UDY ON MECHANI S M OF REI NF0RC I NG s o Yr F OUNDA TI ON OF BR I DGE HE AD B Y VACUUM COMB I NED WnH S UR- C H A R G E P R E L O A D I N G J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 5 ) 9 J T J 2 5 0 9 8港 口工程地 基规范 S 北 京 ： 人 民交 通 出版 社， 1 9 9 8 J T J 2 5 09 8 F o u n d a t i o n c ede f o r P o rt E n g i n e e ri n g S B e ij i u g ： Ch i n e s e Co mmu n i c a t io n P r e s s， 1 9 9 8 ( 上接 第 8 7页) 曲线。 由图 9可知 ， 加固的二次受力梁钢筋的应变滞 后于未加固的梁， 这是由于型钢也参与受拉的缘故 ， 滞后的程度与加固的方式有关 ， 利用高强度结构胶 型钢加 固的二次受力梁的钢筋应变更滞后于未采用 高强度结构胶型钢加 固的二次受力梁的钢筋应变。 对于型钢的承载能力 ， 本文不作探讨， 另文单独分析 研 究 。 3 结 语 加 固型钢通过结构胶 与原梁结合形成组合构 件， 使型钢与原梁一起参与受弯作用。同时 ， 所粘型 钢对混凝土的受拉有一定 的约束 ， 改善了混凝土的 受拉性能， 阻止或限制了混凝土中裂缝的开展 ， 保留 了较大 的混凝土受压 区。因此， 粘接型钢法加固不 仅有效地提高了钢筋混凝土梁的极限抗弯承载力 ， 而且提高了原梁的刚度 。 参 考 文 献： 1 王天稳 土木工程结构试 验 M 武汉 ： 武汉理 工大学 出版社 ， 2 o o 3 2 】 刘祖华 粘钢加固梁的解析分析 J 同济大学学报 ， 1 9 9 4( I ) ： 21 _ 2 6 3 王天稳 混凝土构件粘钢加 固正截面计算 中的若 干问题 J 建筑结构 ， 1 9 9 7 ( 1 1 ) ： 1 2 1 4 4 陈德润 粘结型 钢加 固二次受力 钢筋 混凝土梁 的抗弯性能试 验研究 D 武汉 ： 武汉大学 ， 2 0 0 6