TRC加固水工偏心受壓結(jié)構(gòu)的抗裂性能研究

黃錦清

(廣東中恒安檢測(cè)評(píng)價(jià)有限公司，廣東 惠州 516003)

0 前 言

裂縫是水利工程中極為常見(jiàn)的問(wèn)題，因此結(jié)構(gòu)的防裂是極為重要的工作，根據(jù)實(shí)際案例及資料顯示，水利工程中發(fā)生裂縫不僅會(huì)影響水利工程的使用壽命，甚至?xí)鹚|(zhì)的交叉污染[1]。常規(guī)修補(bǔ)縫隙主要采用結(jié)構(gòu)加固的方式，如碳纖維加固法等，但這種修補(bǔ)方式在耐火、耐高溫方面較差，且加固材料與基底協(xié)調(diào)性差，無(wú)法較好的使用在較為潮濕的區(qū)域[2]。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)TRC(纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土)在加固方面卻有著極好的效果,TRC是以纖維編織網(wǎng)為加筋材料結(jié)合精細(xì)混凝土為粘合劑的一種加固方式，同碳纖維加固方式相比，TRC加固在材料具有耐火、耐高溫等特性，并且即使在潮濕的工作區(qū)域中也能夠與基底具有較好的協(xié)調(diào)性[3]。由于TRC將纖維編織網(wǎng)作為加筋材料，因此具有較好的抗?jié)B性、抗碳化性、抗低溫收縮以及耐腐蝕性等特性，在修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的同時(shí)可以更好的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性，進(jìn)行加固作業(yè)時(shí)無(wú)需額外使用防腐蝕涂層，可以更好的維持結(jié)構(gòu)的限界、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，由于使用精細(xì)混凝土作為粘合劑，TRC還具有良好的流動(dòng)性、自密實(shí)性以及抗離析性等特性，能夠應(yīng)用于水利工程中結(jié)構(gòu)缺損、縫隙等問(wèn)題的修補(bǔ)[4]。

根據(jù)目前的文獻(xiàn)研究顯示，有關(guān)TRC方面的研究主要集中于鋼筋混凝土梁受彎與受剪的承載能力方面，缺乏TRC加固工程結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究[5-6]。值得注意的是，目前關(guān)于TRC加固偏心受壓結(jié)構(gòu)抗裂方面的研究幾乎屬于空白[7]。因此，本研究將結(jié)合偏心受壓構(gòu)件，分析纖維編織網(wǎng)在配網(wǎng)率及前期受力等方面在TRC加固偏心受壓結(jié)構(gòu)抗裂中的擴(kuò)展規(guī)律。

1 短柱試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)試件尺寸為120 mm(b)×150 mm(h)，試件長(zhǎng)細(xì)比值為4，試件頂部設(shè)置為牛腿狀，整體為大偏心受壓結(jié)構(gòu)，偏心的尺寸設(shè)置為100mm。試件詳細(xì)參數(shù)如表1所示；試件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中試驗(yàn)試件為對(duì)稱配筋，縱筋采用4*Φ10(HRB335)鋼筋，箍筋采用Φ6(HPB235)鋼筋；混凝土型號(hào)為C30；纖維編織網(wǎng)相互間隔為10mmx10 mm，單根碳纖維面積為0.45 mm。碳玻混編纖維網(wǎng)編制形式如圖2所示。

1.3 加固層鋪設(shè)

將纖維編織網(wǎng)上、下的保護(hù)層的厚度設(shè)置為5mm，相鄰間的間距為3mm；將纖維編織網(wǎng)放于加固層之內(nèi)。施工流程圖如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)布置與測(cè)試

在試件的兩側(cè)分別設(shè)置滾動(dòng)支座以便于其能夠自由移動(dòng)。在試件的偏壓柱側(cè)面的頂端、柱體1/2處以及1/4處設(shè)置電子千分表，用于收集偏壓柱側(cè)面的撓度變形；在試件柱中截面沿其高度的方向設(shè)置五塊混凝土應(yīng)變片，測(cè)量試件柱中的截面應(yīng)變規(guī)律以及裂縫的擴(kuò)展情況；在試件中間部分的鋼筋表面設(shè)置兩塊鋼筋應(yīng)變片，測(cè)量試件鋼筋應(yīng)變的變化程度。監(jiān)測(cè)布置意見(jiàn)圖如圖4所示。

圖1 試件結(jié)構(gòu)圖(mm)

圖2 碳?；炀幚w維網(wǎng)編制形式

圖3 加固層的施工流程

圖4 監(jiān)測(cè)布置意見(jiàn)圖

2 結(jié)果分析

2.1 TRC控制偏心受壓結(jié)構(gòu)裂縫作用機(jī)理

在試驗(yàn)的過(guò)程中試件Ⅰ的受拉鋼筋應(yīng)變發(fā)生損壞，未獲取應(yīng)變的發(fā)展經(jīng)過(guò)。試件Ⅱ在加載的后期其鋼筋應(yīng)變驟降，不過(guò)整個(gè)試驗(yàn)中受拉鋼筋未發(fā)生斷裂，分析其原因可能是由于鋼筋應(yīng)變片未得到有效的固定，試驗(yàn)中應(yīng)變片發(fā)生松動(dòng)所致。試件偏壓荷載及受拉鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 試件偏壓荷載及受拉鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)圖5數(shù)據(jù)顯示，相同偏壓狀態(tài)下，受拉區(qū)域的鋼筋應(yīng)變數(shù)值的大小與使用的纖維編織網(wǎng)層數(shù)呈反比關(guān)系，因此，可以斷定纖維編織網(wǎng)能夠分散受拉區(qū)域中的應(yīng)力，具有加固效果。而在低偏壓荷載狀態(tài)下，受拉區(qū)域中發(fā)的受拉程度將始終處于較小的狀態(tài)，此時(shí)構(gòu)件中的纖維編織網(wǎng)的抗拉特性將無(wú)法得到發(fā)揮，因此各個(gè)試件受拉鋼筋的應(yīng)變情況均差別不大。當(dāng)偏壓荷載不斷地增加后，構(gòu)件中纖維編織網(wǎng)的特性才能不斷的發(fā)揮出來(lái)，因此，各個(gè)試件受拉鋼筋的應(yīng)變情況將會(huì)不斷發(fā)生改變。

2.2 裂縫間距

根據(jù)各試件裂縫分布情況(如圖6所示)可以發(fā)現(xiàn)，試件Ⅰ出現(xiàn)了5條裂縫，其間距為10.5cm，試件Ⅱ出現(xiàn)了6條裂縫，其間距為6.5cm，試件Ⅲ出現(xiàn)了八條裂縫，其間距為4.9cm。而具有受壓歷史情況的試件Ⅳ、試件Ⅴ、試件Ⅵ分別出現(xiàn)五條、六條、八條裂縫，裂縫的間距分別為8.2cm、7.9cm、6.5cm。根據(jù)以上試驗(yàn)的結(jié)果可以斷定，試件受到破壞時(shí)，在TRC加固作用下其受拉側(cè)裂縫增加，裂縫間距顯著縮短，即纖維編織網(wǎng)鋪設(shè)的層數(shù)越多，試件產(chǎn)生的裂縫就越多，其間距距離就越小。

試件Ⅰ 試件Ⅱ 試件Ⅲ 試件Ⅳ 試件Ⅴ 試件Ⅵ

2.3 裂縫深度擴(kuò)展性態(tài)

根據(jù)不同荷載作用下試件截面裂縫擴(kuò)展深度情況(如表4所示)可以發(fā)現(xiàn)，在TRC加固作用下裂縫的起裂荷載將會(huì)提升，而裂縫的擴(kuò)展速率將會(huì)顯著降低，而這一規(guī)律與試件鋪設(shè)纖維編織網(wǎng)的層數(shù)具有直接的聯(lián)系。

3 本次研究理論分析

3.1 理論假定

構(gòu)件的為平截面受力；構(gòu)件的側(cè)面變形情況滿足正弦半波函數(shù)規(guī)律；構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合情況完好，且應(yīng)力變化連續(xù)[8]。

表4 不同荷載作用下試件截面裂縫擴(kuò)展深度情況 cm

3.2 構(gòu)件主裂縫擴(kuò)展分析

依據(jù)構(gòu)件主裂縫截面應(yīng)力變化關(guān)系(如圖7所示)以及理論假定，可得到不同組成部分的應(yīng)力變化關(guān)系：

圖7 主裂縫截面應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(1)

如圖7所示，主裂縫截面的張拉區(qū)域分為T-E區(qū)(張拉彈性區(qū)域)及T-S區(qū)(張拉軟性區(qū)域)。由于張拉軟性區(qū)域的數(shù)值相較張拉彈性區(qū)域相對(duì)較小，因此本研究中將不再將其作為參考。

根據(jù)理論假定，裂縫擴(kuò)展深度可以表示為：

(2)

式中：Cd為表示裂縫深度；TE為表示混凝土張拉彈性區(qū)域的高度；φ為表示黎曼曲率值；ft為表示混凝土彈性模量。

結(jié)合構(gòu)件中纖維編織網(wǎng)對(duì)裂縫產(chǎn)生的抑制反應(yīng)，主裂縫的最大裂縫寬度為：

(3)

式中：αcr為表示受力特征系數(shù)(本次研究中取值為2.1)；σs為表示作用于裂縫截面中的鋼筋應(yīng)力；ES為表示鋼筋發(fā)生的彈性模量；lm為表示裂縫之間距離的均值；β為表示裂縫的最大寬度計(jì)算系數(shù)；c為表示構(gòu)件鋼筋的外側(cè)縱向受拉區(qū)域與受拉區(qū)底部邊緣的距離；deq為表示構(gòu)件鋼筋縱向受拉區(qū)域與鋼筋的等效直徑距離；Afτ為表示構(gòu)件中使用的纖維編織網(wǎng)總面積；As為表示所使用的鋼筋截面面積；Atc為表示受拉混凝土的截面面積；τs、τf為表示構(gòu)件材料的黏合應(yīng)力均值；ds、df為表示鋼筋、纖維束的直徑；ɑ為表示鋼筋縱向受拉重心與TRC的中心間距。ft為表示混凝土的抗拉強(qiáng)度；η為表示鋼筋中心到受壓區(qū)中心的距離系數(shù)(本研究中取值0.8712)；

試件的側(cè)面變形程度契合正弦半波曲線的變化數(shù)值，因此截面曲率公式為：

(4)

式中：um為表示試件截面的最大擾度；L為表示試件的高度；z為表示試件距中間截面的距離；

將試件產(chǎn)生的主裂縫截面分為n條，依據(jù)理論假定將得到其中心應(yīng)變值：

εi=ε0+φzi

(5)

式中：ε0為表示主裂縫截面形心處的應(yīng)變；εi為表示主裂縫截面中第i條形心處的應(yīng)變；zi為表示主第i條裂縫截面距主裂縫截面形心間隔。

截面合力及形心的彎矩的求解公式可以表述為：

(6)

將公式(1)至(6)相關(guān)聯(lián)，并不斷增加截面的最大擾度便可獲得TRC加固固水工偏心受壓結(jié)構(gòu)的主裂縫深度與寬度的全過(guò)程曲線。

3.3 理論驗(yàn)證

使用文章中所述主裂縫擴(kuò)展理論，比對(duì)試件20kN、40kN、60kN、80kN以及100kN的狀態(tài)下其主裂縫擴(kuò)展深度與試驗(yàn)中的數(shù)值[9]。根據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)數(shù)值相符，由此可以推斷，偏心受壓主裂縫擴(kuò)展分析理論具有合理性[10]。公式(3)關(guān)于裂縫間距均值也與β具有一定的關(guān)系，而β參數(shù)值的確定需要通過(guò)許多的試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算獲得。由于本研究的試驗(yàn)具有一定的限制，因而將無(wú)受力歷史試件的β設(shè)定為0.66，而對(duì)于有受力歷史試件的β設(shè)定為0.8。主裂縫擴(kuò)展深度理論數(shù)值及試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比圖如圖8所示。

3.4 主裂縫擴(kuò)展經(jīng)過(guò)規(guī)律分析

3.4.1 裂縫深度擴(kuò)展的規(guī)律

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，試件在無(wú)加固的情況下所產(chǎn)生裂縫，其擴(kuò)展的速率將較為迅速，而TRC試件產(chǎn)生裂縫后其擴(kuò)展速度顯著低于前者。試驗(yàn)中裂縫的起裂荷載是與配網(wǎng)率正比，并且在同等荷載情況下，裂縫深度的擴(kuò)展情況將于配網(wǎng)率形成反比，特別是裂縫產(chǎn)生擴(kuò)展的初期，試件前期的受力歷史將會(huì)較大的影響到TRC控制裂縫深度擴(kuò)展[11]。

圖8 主裂縫擴(kuò)展深度理論數(shù)值及試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比圖

3.4.2 裂縫寬度擴(kuò)展規(guī)律

一次受力中的表現(xiàn)是以基體發(fā)生裂縫及受力鋼筋發(fā)生屈服為發(fā)展起始的三種擴(kuò)展階段，并且與深度擴(kuò)展相同[12]?？梢?jiàn)，通過(guò)增加纖維編織網(wǎng)的層能夠有效的抑制裂縫寬度的擴(kuò)展，特別是寬度擴(kuò)展的后期階段中，表現(xiàn)最為明顯，且使用TRC在抑制裂縫深度擴(kuò)展的表現(xiàn)中效果最好。

二次受力中，使用TRC加固的試件裂縫寬度及深度的擴(kuò)展過(guò)程均較為相似[13]。試件前期受力歷史會(huì)對(duì)TRC抑制裂縫寬度擴(kuò)展產(chǎn)生影響，即試件前期受力歷史越大，其裂縫寬度擴(kuò)展的表現(xiàn)就越弱，不過(guò)次影響表現(xiàn)將會(huì)伴隨受力歷史的增加而降低。另外，裂縫寬度的擴(kuò)展變化主要是發(fā)生在受力后期，因而前期受力對(duì)于抑制裂縫寬度的影響較小。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)試驗(yàn)分析TRC加固水工偏心受壓結(jié)構(gòu)的抗裂性能表現(xiàn)，并對(duì)裂縫擴(kuò)展全過(guò)程理論進(jìn)行解析，結(jié)果顯示：應(yīng)用TRC可對(duì)偏心受壓結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫的深度、寬度擴(kuò)展情況起到較好的抑制作用，通過(guò)本次研究希望能偶為今后相關(guān)工程裂縫的控制提供一定的參考。