粘貼鋼板加固的研究進(jìn)展

□ 潘 陽(yáng)（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)經(jīng)過(guò)大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)，建筑業(yè)經(jīng)過(guò)蓬勃的發(fā)展，到現(xiàn)在也帶來(lái)了一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)規(guī)范的更新、建筑物耐久性和使用功能的改變等等，舊建筑物的維修、改造和加固成為建筑行業(yè)的主導(dǎo)，我國(guó)對(duì)已有工業(yè)與民用建筑進(jìn)行鑒定和加固的要求也日益迫切。

所謂粘貼鋼板加固是采用高性能的結(jié)構(gòu)粘接劑將鋼板粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面，使鋼板與混凝土形成統(tǒng)一的整體，通過(guò)粘鋼膠將作用在混凝土構(gòu)件上面的荷載傳遞給粘貼的鋼板，以達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。鋼板和其他的鋼材通過(guò)結(jié)構(gòu)粘接劑粘結(jié)于混凝土結(jié)構(gòu)外邊面產(chǎn)生三相材料混凝土—建筑結(jié)構(gòu)膠—鋼板的復(fù)合系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)膠的性能指標(biāo)直接影響著鋼板和混凝土的整體性，結(jié)構(gòu)膠介質(zhì)作用的發(fā)揮依賴(lài)于膠體傳遞應(yīng)力的能力，而這種能力反過(guò)來(lái)又取決于混凝土和膠體與鋼板的粘結(jié)及界面剪應(yīng)力，以及膠體的剛度、柔度和粘性。在結(jié)構(gòu)膠的施工工藝能夠符合工程要求，結(jié)構(gòu)膠性能得以保證時(shí)，粘貼鋼板加固法是一種行之有效的加固方法。

1 粘鋼加固梁的破壞特征

加固構(gòu)件的早期破壞。加固鋼板與原混凝土構(gòu)件能夠共同受力，是通過(guò)結(jié)構(gòu)粘結(jié)膠或者錨栓等其他的附加錨固措施。而在實(shí)際受損加固構(gòu)件工作中，鋼板跨中集中力位置以及端板會(huì)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，如果鋼板和加固構(gòu)件之間缺乏可靠的錨固措施時(shí)，鋼板極易在這些位置提前剝離，不能充分發(fā)揮鋼板的承載效力，出現(xiàn)構(gòu)件的脆性破壞，這種破壞具有突發(fā)性，并且加固破壞后的實(shí)際承載力遠(yuǎn)低于破壞承載力理論值，因此，加固構(gòu)件的早期破壞是應(yīng)該采取措施避免的。鋼板和混凝土粘結(jié)效果很好，同時(shí)錨固措施充分。

粘鋼加固構(gòu)件在荷載作用下，鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎，而粘貼鋼板未屈服。該構(gòu)件破壞時(shí)，加固材料沒(méi)有得到充分的利用，發(fā)生這種破壞現(xiàn)象一般是在加固材料用量較大時(shí)出現(xiàn)，類(lèi)似于普通鋼筋混凝土構(gòu)件的超筋破壞，是一種脆性破壞形式，應(yīng)該避免這種破壞形式的發(fā)生。

當(dāng)鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，同時(shí)粘貼鋼板也屈服，這種破壞形式類(lèi)似于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常破壞，屬于延性破壞，同時(shí)也充分發(fā)揮了加固鋼板的承載力，材盡其用。這是加固所希望出現(xiàn)的破壞形式。

當(dāng)鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，加固鋼板也出現(xiàn)屈服，而混凝土并沒(méi)有被壓碎，類(lèi)似于普通混凝土結(jié)構(gòu)的少筋破壞，這種情況是在加固構(gòu)件的配鋼率較小，鋼板的使用量較小時(shí)發(fā)生的，破壞時(shí)鋼筋和鋼板的強(qiáng)度已經(jīng)得到充分利用，是一種脆性破壞形式，應(yīng)該避免這種破壞形式的發(fā)生。

2 粘鋼加固研究現(xiàn)狀

2.1 粘貼鋼板用量研究

通過(guò)粘貼鋼板滿(mǎn)足加固的要求，鋼板的存在形式作為關(guān)鍵的因素。通過(guò)對(duì)改變粘鋼位置、鋼板寬厚比和粘鋼量等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明梁底比梁側(cè)粘鋼更能提高承載能力，在粘鋼面積相同的情況下，鋼板越薄寬厚比越大，梁的承載能力越好。

R.N.Swamy等人的試驗(yàn)驗(yàn)證了粘貼鋼板加固能夠顯著提高鋼筋混凝土梁的承載能力，并且在一定厚度范圍內(nèi)，承載力增強(qiáng)幅度隨著鋼板厚度增加而增大，但是，隨著鋼板厚度的增加，鋼板剛性增強(qiáng)，變形能力降低，加固鋼筋混凝土梁的會(huì)出現(xiàn)鋼板的提前剝離破壞，為了充分發(fā)揮鋼板的加固效果，建議鋼板的寬厚比b/t>50。Jones等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)粘有6mm厚的鋼板的梁會(huì)過(guò)早地破壞(內(nèi)部鋼筋剪斷、膠層開(kāi)裂、鋼筋和鋼板均為屈服)僅達(dá)到理論抗彎強(qiáng)度的70%，且梁還表現(xiàn)為突發(fā)的脆性破壞，這在結(jié)構(gòu)上是不允許的，粘貼鋼板的厚度應(yīng)控制在6mm以?xún)?nèi)。

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50367-2006）》中指出，粘貼鋼板的加固量，對(duì)受拉區(qū)和受壓區(qū)，分別不應(yīng)超過(guò)3層和2層，且鋼板總厚度≤10mm。在《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范（TG/TJ22-2008）》中指出采用直接涂膠粘貼的鋼板厚度≤5mm；鋼板厚度＞5mm時(shí)，應(yīng)采用壓力注膠粘結(jié)。同時(shí)還設(shè)定鋼板的寬厚比≤50。在建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ116—2009）中關(guān)于采用粘貼鋼板加固梁柱時(shí)，鋼板厚度宜采用2～5mm。

2.2 錨固方法和早期破壞的研究

粘貼鋼板加固中，端部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，梁端部應(yīng)力過(guò)高而引起的鋼板的剝落，導(dǎo)致粘鋼加固提前失效，這在設(shè)計(jì)中是不允許的，因而需要在構(gòu)件應(yīng)力集中位置設(shè)置有效約束，以保證鋼板和構(gòu)件在使用狀態(tài)中協(xié)同工作。Jones、T.M.Roberts等人的試驗(yàn)和理論分析結(jié)果表明采用錨栓錨固鋼板能夠防止鋼板的完全剝離。但是需有足夠的錨固長(zhǎng)度，在錨固長(zhǎng)度不足時(shí)，端部采用螺栓加強(qiáng)并不能提高太多的承載力。單靠膨脹螺栓不能提供可靠的錨固效果，應(yīng)在梁側(cè)面粘貼鋼板，防止梁產(chǎn)生脆性剪切粘接破壞。同等條件下加固效果，螺栓和膠粘復(fù)合錨固的能夠有效限制鋼板的提前剝離，膠粘加固方式次之，以栓錨最弱。

2.3 剛度和裂縫的定性影響

結(jié)構(gòu)膠把鋼板和原構(gòu)件粘結(jié)成一個(gè)整體，使鋼板和原構(gòu)件一起承擔(dān)荷載作用；同時(shí)粘貼的鋼板約束了混凝土的變形，改善了混凝土的抗拉性能，阻止并限制了混凝土裂縫的開(kāi)展。與普通的混凝土梁相比，粘鋼加固梁的裂縫的出現(xiàn)的比較晚，開(kāi)裂荷載比未粘鋼梁提高約60%以上。其中，粘鋼加固后的裂縫的發(fā)展緩慢，由于，鋼板參與混凝土的抗拉，加固能夠有效限制裂縫的擴(kuò)展，增加混凝土的受壓區(qū)面積，同時(shí)，鋼板對(duì)構(gòu)件表面的混凝土有著約束作用，使原混凝土保護(hù)層對(duì)裂縫的影響程度降低，減小了裂縫的間距，使裂縫細(xì)而密。

R.N.Swamy等進(jìn)行了粘鋼板加固混凝土梁的試驗(yàn)研究，對(duì)不同加固形式、鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行了比較。此后，R.N.Swamy等人又對(duì)經(jīng)荷載作用而損壞的混凝土梁進(jìn)行卸載和不卸載加固方法的對(duì)比。研究結(jié)果表明：粘貼鋼板可增加梁的強(qiáng)度和剛度，鋼板對(duì)裂縫起制約作用，不同卸載情況對(duì)加固后的梁的受力性能影響很小。Raithby、Swamy的試驗(yàn)研究表明，鋼筋混凝土梁在粘貼鋼板加固后，其承載能力有明顯的提高，其抗彎剛度也顯著提高，且加固后梁的延性與未加固梁的延性較為接近。

3 粘鋼加固研究中存在的問(wèn)題

工程結(jié)構(gòu)的功能要求，構(gòu)件具有安全性、使用性和耐久性，雖然裂縫和剛度問(wèn)題，不涉及結(jié)構(gòu)的安全，但在設(shè)計(jì)中是不能回避裂縫和剛度問(wèn)題的?，F(xiàn)有加固規(guī)范及研究主要是考慮提高混凝土構(gòu)件的極限承載能力，以提高構(gòu)件的安全性為主，對(duì)構(gòu)件的使用性和耐久性，因影響因素較多，現(xiàn)有的研究較少涉及，盡管部分研究針對(duì)構(gòu)件的剛度和裂縫進(jìn)行研究，但這些研究也只是在加固后對(duì)剛度和裂縫的定性分析，對(duì)剛度和裂縫寬度進(jìn)行定量的分析計(jì)算的還是比較少的。

4 結(jié)論與展望

鋼板的剛度較大，加工不宜，對(duì)構(gòu)件的形狀有一定的要求，采用復(fù)合加固的方法，不僅能夠在提高承載力的同時(shí)也改變其延性性能，單一的加固方式，受材料的特性影響比較大，而采用復(fù)合的加固方法，可以充分利用材料的特性，可以彌補(bǔ)單一材料的不足，并且采用粘鋼加固，規(guī)范規(guī)定，不應(yīng)提高承載力不超過(guò)40%，并且采用復(fù)合加固，材料能夠相互約束限制，對(duì)于結(jié)構(gòu)，特別是承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)，可以形成可靠的加固效果，這也是復(fù)合加固的優(yōu)勢(shì)。

加固結(jié)構(gòu)受力后的裂縫和剛度的問(wèn)題，雖然有很多研究成果，但還不夠成熟，加上正常使用極限狀態(tài)方面的影響因素太多、太復(fù)雜，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，對(duì)加固結(jié)構(gòu)受力后的裂縫和剛度問(wèn)題沒(méi)有給出明確的計(jì)算方法，還需要進(jìn)一步研究。