DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.028

闭合预应力钢丝绳加固RC梁抗剪性能试验研究

郭子雄¹，杨军民¹，叶勇¹，黄群贤¹，陈建华²，赖有泉²

(1. 华侨大学 土木工程学院，福建 泉州，362021；

2. 福建省第一公路工程公司，福建 泉州，362000)

摘要：提出2种闭合预应力钢丝绳加固RC梁的预应力张拉及锚固方式。进行6个采用闭合预应力钢丝绳加固RC梁的抗剪性能试验，通过对试件破坏形态、荷载-挠度关系曲线、箍筋和钢丝绳应变等试验结果进行分析，研究钢丝绳配绳率、预应力水平和锚固方式等参数对加固梁受剪承载力和变形能力的影响。研究结果表明：提出的2种锚固方式均可有效实现对钢丝绳进行预应力张拉和锚固连接；闭合预应力钢丝绳加固可有效抑制RC梁斜裂缝的发展，改善加固梁破坏形态和变形性能；加固梁的受剪承载力随着配绳率和预应力水平的提高而提高，但预应力水平不宜过大。在试验结果基础上提出闭合预应力钢丝绳加固RC梁的受剪承载力计算模型，计算结果与试验结果吻合良好。

关键词：抗剪加固；预应力；钢丝绳；抗剪性能；锚固形式

中图分类号：TU375.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)07-2590-07

Experimental research on shear strengthening of reinforced concrete beams using prestressed wire-rope hoops

GUO Zixiong¹, YANG Junmin¹, YE Yong¹, HUANG Qunxian¹, CHEN Jianhua², LAI Youquan²

(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China;

2. Fujian the First Highway Engineering Company, Quanzhou 362000, China)

Abstract: Two different types of prestressing and anchoring methods for wire ropes used in shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams were proposed. The shear behavior of RC beams strengthened using prestressed wire-rope hoops was investigated by testing six strengthened beams. Test parameters included the wire-rope amount, the prestressing level and anchoring method of wire ropes. The failure modes, load-deflection relationships, stirrup strains and wire-rope strains were analyzed. The results show that the proposed two anchoring methods are effective in prestressing and anchoring of wire ropes; prestressed wire-rope hoops can effectively delay the crack propagation and improve the failure mode and deformation capacity of strengthened beams; the shear capacity is enhanced with the increase of wire-rope amount and prestressing level, and the prestressing level should be moderate. A model to predict the shear capacity of RC beams strengthened using prestressed wire-rope hoops is proposed, and a good agreement is achieved between the computed and experimental results.

Key words: shear strengthening; prestress; wire rope; shear behavior; anchoring method

传统钢筋混凝土梁抗剪加固一般是在构件表面粘贴轻质高强材料，以达到提高强度或刚度的目的，现有的粘贴方法主要包括粘贴FRP或钢板等^[1-5]。由于工艺简单、施工方便等优势，表面粘贴法在工程加固中得到了较为广泛的应用。然而，加固材料与主体的剥离、端部锚固、应力滞后等问题^[6-7]，成为了表面粘贴法在实际应用中的不足以及进一步研究的主要方向。针对上述问题，研究人员提出了一些新的加固方法，如钢筋网片-聚合物砂浆加固法^[8]、高强钢绞线-聚合物砂浆加固法^[9]和钢丝绳加固法^[10-11]等。这些方法在克服表面粘贴法不足的同时提高了加固主体的承载能力和刚度。目前，国内外学者已开展了一些钢丝绳用于RC梁抗剪加固的探索研究，如Yang等^[10-11]研究了不同RC梁截面形式、钢丝绳方式、预应力水平、钢丝绳间距等参数对钢丝绳抗剪加固RC梁受力性能的影响。本文作者将钢丝绳材料与预应力技术结合，提出2种闭合预应力钢丝绳加固RC梁的预应力张拉及锚固方式，并通过5个加固试件和1个对比试件的抗剪性能试验，研究闭合预应力钢丝绳加固RC梁的受力性能，验证所提出加固方法的有效性，分析钢丝绳用量和预应力水平对加固效果的影响。

1  试验概况

1.1  试件参数及材料性能

试验梁按照受剪承载力不满足GB 50010—2010“混凝土结构设计规范”(以下简称规范)且可能发生剪切破坏进行设计。对比试件的配筋和加固试件构造分别如图1和图2所示。

主要研究参数包括钢丝绳配绳率、预应力水平和连接锚固方式，如表1所示。PWRB1为对比试件，PWRB2~PWRB6为采用闭合预应力钢丝绳加固试件。钢丝绳配绳率ρ_w的变化主要通过改变钢丝绳的间距来实现，采用100 mm和150 mm这2种间距。钢丝绳预应力水平有0.15，0.35和0.60共3种。此外，为研究不同钢丝绳连接形式对加固效果的影响，试验中采用了自行研发的2种钢丝绳连接锚固方式，即钢丝绳波浪形夹板锚具和轴承换向卡扣锚固(见图3)。其中，连接形式A通过锚具螺栓锁紧预埋于梁顶的波浪形夹板，将预应力张拉后的钢丝绳锚固(见图3(a))；连接形式B将钢丝绳两端分别绕过预埋于梁顶的钢丝绳换向滑轮，完成张拉后，采用普通钢丝绳卡扣进行锚固(见图3(b))。

图1  试验梁尺寸及配筋图

Fig. 1  Dimensions and reinforcement details of test beams

图2  试验梁加固设计图

Fig. 2  Strengthening details of test beams

表1  试验梁试件参数

Table 1  Parameters of test beams

图3  钢丝绳端部连接方式

Fig. 3  Types of wire-rope joint

试件箍筋和纵筋分别选用HPB235和HRB335钢筋。钢丝绳选用公称直径为6 mm的18×7+IWS钢丝绳，单根钢丝直径为0.32 mm。钢筋与钢丝绳的物理力学性能见表2。混凝土立方体试块28 d平均抗压强度为21.4 MPa。

1.2  钢丝绳预应力施加

采用自行设计的张拉装置对钢丝绳施加预应力，如图4所示。张拉装置主要包括台架、穿心千斤顶、力传感器和钢丝绳夹具。预应力施加可采用两端同时张拉，也可一端固定、另一端张拉。为了便于操作和控制，本试验采用第二种施加方法。

预应力施加之前，先用夹板式夹具固定钢丝绳的一端，钢丝绳穿过台架钢板，环绕梁截面至另一端，再穿过穿心千斤顶和力传感器，最后用夹板式夹具将另一端固定。在位于梁侧钢丝绳表面粘贴应变片以监测张拉过程中钢丝绳的应变变化并控制预应力。预应力施加完成后，及时对钢丝绳进行连接，然后逐级卸去荷载。

表2  钢筋与钢丝绳物理力学性能

Table 2  Properties of steel reinforcement and wire rope

图4  钢丝绳预应力张拉装置

Fig. 4  Device for wire-rope prestressing

1.3  加载装置及量测内容

试验采用四点弯曲加载方式，荷载由500 kN液压伺服作动器通过刚性分配梁传递至试件。采用荷载和位移混合控制加载。对比试件和加固试件分别在160 kN和200 kN之前采用荷载控制，每级荷载增量为20 kN；之后改用位移控制，加载速度为2 mm/min。试验量测内容包括纵筋、箍筋、钢丝绳的应变和试件支座、加载点、跨中位置的挠度。当荷载降低至最大值的85%时，终止试验。

2  试验结果与分析

2.1  破坏过程及破坏形态

试验过程中，试件共出现3种形态的破坏，如图5所示。

1) 斜拉破坏(PWRB1)，如图5(a)所示。加载初期，荷载达到40~60 kN时，在RC梁跨中出现数条弯曲裂缝，裂缝宽度较小。随着荷载增加，剪切裂缝在剪跨段出现，且迅速发展为临界斜裂缝，最终试件丧失承载力。试件破坏过程较快，破坏前挠曲不明显，跨中挠度不足10 mm，属于典型的脆性破坏。

2) 剪压破坏(PWRB2，PWRB4~PWRB6)，如图5(b)和5(d)~(f)所示。加载初期，荷载达到40~60 kN时，在RC梁跨中出现数条弯曲裂缝，裂缝宽度较小，之后剪跨段出现剪切裂缝，试件荷载仍保持较快增长，最终剪跨段内斜向主裂缝由1条发展为多条，裂缝宽度继续增加，裂缝两侧的混凝土因为相对错动和相互挤压而破碎。同时，预应力水平较大的PWRB2，PWRB4和PWRB6钢丝绳被拉断，PWRB5钢丝绳未断裂。破坏过程中，试件承载力下降平缓，破坏前挠曲明显，属于具有一定延性的破坏。

3) 弯曲破坏(PWRB3)，如图5(c)所示。加载初期，荷载达到40~60 kN时，在梁跨中出现数条弯曲裂缝，裂缝宽度较小，随着荷载的增加，剪跨段开裂并形成斜向主裂缝。由于试件钢丝绳用量较大，使得受剪承载力高于受弯承载力，斜向主裂缝形成后基本不再开展，而纯弯段弯曲裂缝开展较快，承载力下降缓慢。最终跨中纵筋屈服，受压区混凝土压碎，试件发生弯曲破坏，同时钢丝绳未拉断。破坏过程中，试件维持较高的承载力，且破坏前挠曲明显，属于延性较好的破坏。

2.2  荷载-挠度关系

图6所示为试件加载过程的荷载P与跨中挠度Δ的关系曲线，曲线主要特征点的试验结果如表3所示。可以看出，采用闭合预应力钢丝绳加固显著提高了梁的承载力和变形能力，试件的P-Δ曲线大致可分为以下3个阶段：

1) 弹性阶段。处于该阶段时，跨中挠度随荷载的增加呈线性关系，且加固试件和对比试件的曲线基本重合，表明采用闭合预应力钢丝绳不能明显提高RC梁的抗弯刚度。

2) 弹塑性阶段。随着剪切裂缝的不断开展，试验曲线出现转折，跨中挠度比弹性阶段增长加快，且随荷载的增加不再呈线性关系。由于预应力钢丝绳的约束作用，混凝土裂缝发展缓慢，同时钢丝绳承担了一部分剪力，加固试件承载力得到了提高。

图5  试验梁破坏形态

Fig. 5  Failure modes of test beams

表3  荷载-挠度曲线特征点试验结果

Table 3  Experimental results of characteristic points at load-deflection curves

图6  荷载-跨中挠度关系

Fig. 6  Curves of load-midspan deflection

3) 塑性破坏阶段。箍筋屈服后，试验曲线出现较大转折，跨中挠度随荷载增大迅速增加，钢丝绳应变快速发展，混凝土裂缝基本贯通梁高。此时加固试件承载力随荷载增加开始缓慢下降，而对比试件承载力迅速下降。由此可以看出，加固后的试件表现出了较好的延性。

配绳率最大的试件PWRB3，由于多根钢丝绳同时对剪跨段内混凝土形成有效约束，单根钢丝绳承担的拉力较小，箍筋屈服后，钢丝绳未被拉断，试件仍可维持较高的受剪承载力，最终发生延性较好的弯曲破坏。对于预应力水平较小的试件PWRB5，开裂前钢丝绳对混凝土的约束效果有限，当试件裂缝宽度较大时，钢丝绳的作用才能够完全发挥。加载后期，钢丝绳未被拉断，试件的P-Δ曲线形成了较长的水平段。由上述现象可知：保持钢丝绳不发生断裂，可使加固梁具有更好的变形性能。

2.3  箍筋及钢丝绳应变分析

加载过程中，箍筋的应变ε_s变化如图7所示。从图7可以看出：在梁达到开裂荷载之前，箍筋应变较小。初始斜裂缝出现后，箍筋承担剪力增加，应变增大，最终达到屈服。随着钢丝绳间距加密，试件PWRB3开裂后，箍筋承担的剪力相对较小，箍筋应变缓慢增长，最后纵筋先屈服，梁试件发生弯曲破坏，箍筋应变接近屈服。

图7  荷载-箍筋应变关系

Fig. 7  Curves of load-stirrup strain

图8所示为加载过程中钢丝绳应变增量Δε_w的发展情况。由图8可以看出：梁在达到开裂荷载之前，钢丝绳应变很小。试件开裂后，钢丝绳由于施加了预应力，应力滞后现象得到明显改善。随着箍筋屈服，裂缝变宽，钢丝绳应变快速增长，最终部分试件钢丝绳达到极限强度被拉断。PWRB3由于配绳率较高，加固后单根钢丝绳承担的拉力较小，应变发展相对缓慢，当梁发生弯曲破坏时，钢丝绳仍处于较低应变水平。对于预应力水平最小的PWRB5和预应力水平最大的PWRB6，两者破坏时钢丝绳的应变增量均较小。这主要是由于预应力水平较小时，钢丝绳的应变发展滞后于预应力水平较大的试件，导致试件破坏时钢丝绳的强度发挥水平较低；同时，预应力水平过大不仅使钢丝绳的剩余强度空间减小，且对梁转角处钢丝绳的损伤越大，容易造成钢丝绳提前断裂。

图8  荷载-钢丝绳应变增量关系

Fig. 8  Curves of load-strain increment of wire-rope

2.4  受剪承载力与延性分析

从表3可知：采用闭合预应力钢丝绳加固后，试件的破坏形态转变为有一定延性的剪压破坏和延性较好的弯曲破坏。与对比试件相比，加固试件的受剪承载力提高19.5%~40.6%，极限变形提高75.2%~ 261.1%。除试件PWRB2外，其余试件的位移延性系数均大于3。

2.4.1  配绳率的影响

试件PWRB2和PWRB3的钢丝绳预应力水平均为0.35，配绳率较低的PWRB2发生弯剪破坏，配绳率较高的PWRB3受剪承载力高于受弯承载力，发生弯曲破坏，且试件承载力和变形能力均比PWRB2有所提高。

2.4.2  预应力水平的影响

试件PWRB5，PWRB4和PWRB6的配绳率均为0.071%，图9所示为试件最大荷载P_m与钢丝绳预应力水平α关系曲线。由图9可以看出：试件承载力随预应力水平的提高呈现先上升后下降的趋势。这主要是由于施加的预应力使钢丝绳提前受力，克服了非预应力加固中存在的应力滞后现象。然而过高的预应力导致钢丝绳的应力增量空间减小，钢丝绳在箍筋屈服后不久被拉断，加固梁承载力和变形能力的提高幅度受到限制。

图9  最大荷载-钢丝绳预应力水平关系

Fig. 9  Curves of peak load-prestressing level of wire-rope

2.4.3  不同锚固形式的影响

试件PWRB2和PWRB4钢丝绳连接处采用不同的锚固形式，2个试件钢丝绳均在连接区域外断裂，说明2种形式均可实现对钢丝绳的有效锚固。从表3和图6可知：PWRB2的承载力和变形能力比PWRB4的低，这主要是由于试件PWRB2倒角钢片未设置妥当，存在尖角，导致钢丝绳性能充分发挥之前即发生断裂，试件承载力和变形能力的进一步提升受到限制。

3  加固梁受剪承载力计算

综合既有试验结果，当剪跨比大于0.5时，RC梁中混凝土的拱作用逐渐减小。考虑试验中梁的剪跨比较大，可忽略拱作用，采用桁架模型分析闭合预应力钢丝绳加固RC梁的受剪承载能力。为便于计算，现做以下假定：

1) 满足规范规定的受弯构件斜截面承载力计算基本假定；

2) 钢丝绳只承受拉力，且与混凝土协同工作；

3) 忽略混凝土、钢筋及钢丝绳三者的耦合作用，承载力计算仅采用三者简单相加；

4) 钢丝绳达到抗拉强度前，箍筋已经进入屈服状态。

根据上述基本假定和桁架理论基本原理，加固后RC梁的受剪承载力(V)可表示为

               (1)

式中：V_cs为按规范计算的未加固RC梁斜截面承担的剪力；V_w为钢丝绳承担的剪力。

V_w可按下式进行计算：

             (2)

式中：f_w为钢丝绳抗拉强度；h为梁高；φ₁为考虑端部锚固质量对钢丝绳强度发挥水平的折减系数，本试验中2种锚固形式的钢丝绳均发生断裂，锚固效果好，故取φ₁=1.0；φ₂为考虑配绳率和预应力水平对钢丝绳强度发挥水平的折减系数，按如下表达式计算：

      (3)

式中：a₁，b₁和c₁为待定系数。

根据试验结果进行数据回归，可得a₁=-0.026，b₁=0.262，c₁=-0.025。将式(1)计算结果与试验结果进行对比，结果如表4所示。由表4可以看出：计算结果与试验结果吻合良好。由于试件PWRB3发生弯曲破坏，钢丝绳受剪承载力未得到充分发挥，导致计算结果比试验结果偏大。

表4  计算值与试验值对比

Table 4  Comparison between calculated and experimental results

4  结论

1) 采用闭合预应力钢丝绳加固可有效抑制RC梁斜裂缝的发展，显著改善加固梁裂缝分布、破坏形态和变形性能。

2) 加固梁的受剪承载力随着配绳率的提高而提高。相同锚固方式的PWRB3不仅比PWRB2承载力有所提高，其破坏形态也由剪压破坏向弯曲破坏转变。

3) 加固梁的受剪承载力随钢丝绳预应力水平的增大而有所提高，但试验结果也揭示当预应力水平过大时，承载力出现降低现象(PWRB6)。实际应用中，钢丝绳预应力水平宜控制在0.40以内。

4) 提出的2种连接方式均可有效实现对钢丝绳进行预应力张拉和锚固连接。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-07-08；修回日期：2014-10-30

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51178197，51208219)；高校博士学科点博导科研基金资助项目(20123501110002)；福建省科技计划重大项目(2013Y4006) (Projects(51178197, 51208219) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20123501110002) supported by the Scientific Research Foundation for Doctoral Advisors in Doctoral Program of Colleges and Universities; Project(2013Y4006) supported by the Science and Technology Foundation of Fujian Province)

通信作者：郭子雄，博士，教授，从事工程结构抗震防灾研究；E-mail: guozxcy@hqu.edu.cn