粘鋼加固混凝土梁承載性能分析

付春梅，任永明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

粘鋼加固混凝土梁承載性能分析

付春梅，任永明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

針對粘鋼加固混凝土梁的研究現(xiàn)狀，探討了粘鋼加固混凝土梁承載力提高的方法，規(guī)范公式、圖表的制作方法,可以簡化橋梁粘鋼加固過程、節(jié)約資金和縮短工期。

橋梁工程；粘鋼加固；混凝土梁；二次受力；承載性能

0 引言

國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，通常橋梁在建成投入使用20～30年后，將愈來愈多地面臨耐久性降低和安全性不足等問題，且越是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家所面臨的問題越突出。采用適當(dāng)?shù)募庸淘O(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)，對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行維修加固，提高其承載力，改善其行車性能，延長其使用年限，使其繼續(xù)為現(xiàn)代交通運(yùn)輸服務(wù)，是交通工程中的重要課題。

目前，工程界針對混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的加固方法主要有以下幾種：加大截面加固法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、外部粘鋼加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等［1］。其中，粘鋼加固是指用結(jié)構(gòu)膠將薄鋼板粘貼于混凝土構(gòu)件表面（一般在受拉區(qū)），使薄鋼板與混凝土構(gòu)件共同工作的一種加固方法。與其他加固方法相比，粘鋼加固技術(shù)具有不增加構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的荷載，施工方便，周期短，節(jié)約成本（粘鋼加固一般可節(jié)約10～30%的費(fèi)用）等特殊的優(yōu)點(diǎn)［2］。近年來，粘鋼加固方法被廣泛應(yīng)用于橋梁加固工程，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

從1978年遼陽石油化纖廠首先采用粘鋼技術(shù)對鋼筋混凝土梁進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)至今［3］，我國進(jìn)行了大量粘鋼技術(shù)研究。例如，鮑安紅研究了粘鋼鋼筋混凝土的承載力［4］；羅臻分析了粘鋼鋼筋混凝土梁的延性性能，并提出了延性的計(jì)算方法［3］；雷開貴、鄧子辰等定義了“剝離應(yīng)力”與“剝離載荷”，提出了加固鋼板厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值計(jì)算方法［5］；黃加坡、李大慶等提出了預(yù)應(yīng)力粘鋼加固梁產(chǎn)生適筋破壞時(shí)受壓區(qū)高度和所需加固鋼板截面積的計(jì)算式［6］；陳志龍對靜力條件下鋼筋混凝土梁進(jìn)行了力學(xué)性能的數(shù)值模擬分析研究［2］。李玉提出了在受壓區(qū)采用粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的短期剛度的計(jì)算方法［7］；李劍清列舉了粘鋼加固鋼筋混凝土梁式橋梁的成功應(yīng)用案例［8］。

通過對國內(nèi)粘鋼加固技術(shù)研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，有關(guān)粘鋼加固技術(shù)研究不少，但是研究結(jié)果不具有通用性，而且研究內(nèi)容不夠全面。國內(nèi)在役梁橋中，大部分是鋼筋混凝土梁橋，以后梁橋加固工作將接踵而至，為了簡化橋梁粘鋼加固工作設(shè)計(jì)過程、節(jié)約資金和縮短工期，研究出一套具有通用性、方便好用的粘鋼加固鋼筋混凝土梁承載力提高幅度公式或圖表是很有必要的。

1 粘鋼加固梁結(jié)構(gòu)受力特征

在橋梁加固時(shí)，為了達(dá)到最好的加固效果，在粘貼鋼板前，應(yīng)對被加固橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全卸載。但在實(shí)際工程中，因受結(jié)構(gòu)形式、荷載類型及使用要求等條件的限制，不可能對被加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全卸載。因此，粘貼鋼板加固施工前，加固構(gòu)件承受著原構(gòu)件自重及其他荷載；粘貼鋼板加固后，加固構(gòu)件承受著原構(gòu)件自重、二期恒載及汽車、人群等可變作用。故鋼筋混凝土梁橋加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)［9］。即加固前，原結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受荷載（即第一階段受力）；加固后，新加部分并不立即承擔(dān)荷載，而是在新增荷載（二期恒載和可變作用），即第二次加載情況下，才開始受力（即第二階段受力）。可見，粘鋼加固的橋梁在第二階段受力過程中，新加部分鋼板的應(yīng)力、應(yīng)變總是滯后于加固結(jié)構(gòu)原材料的應(yīng)力、應(yīng)變。因此，橋梁結(jié)構(gòu)采用粘鋼加固時(shí)，如果鋼板粘貼的數(shù)量較多，就有可能出現(xiàn)，加固結(jié)構(gòu)的原材料破壞時(shí)，新粘貼的鋼板還沒有達(dá)到屈服。

2 粘鋼加固梁正截面承載力計(jì)算公式

2.1 基本假定

采用粘貼鋼板對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行抗彎加固，按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，應(yīng)符合下列假定［10］：（1）應(yīng)變符合平截面假定；（2）受壓區(qū)混凝土應(yīng)力計(jì)算圖為矩形；（3）不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度；（4）鋼板應(yīng)力σsp=εspEsp，且小于鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；（5）必須采取可靠的錨固措施，避免發(fā)生鋼板與混凝土之間的剝離破壞。

2.2 矩形截面梁粘鋼加固正截面承載力計(jì)算公式

由文獻(xiàn)［10］可知，粘鋼矩形截面梁的正截面抗彎承載力計(jì)算公式為

其適用條件為：2a′s≤x≤ξbh0。 （3）

加固后的橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用的情況下，原材料和新加鋼板一般都不會(huì)達(dá)到材料強(qiáng)度。正常使用時(shí)的承載力可利用公式（1）和公式（2）求得。在構(gòu)件破壞時(shí)，構(gòu)件的原材料達(dá)到材料強(qiáng)度，或新加的鋼板達(dá)到材料強(qiáng)度，或者原材料和新加的鋼板均達(dá)到材料強(qiáng)度。以上3種破壞模式中，構(gòu)件的原材料和新加鋼板均達(dá)到材料強(qiáng)度的破壞模式既能充分利用材料，又可以降低造價(jià)，是相對比較理想的一種破壞模式。故在后面的極限承載力計(jì)算中，認(rèn)為構(gòu)件原材料和新加的鋼板均達(dá)到材料強(qiáng)度。對這種破壞模式，公式（1）和公式（2）可簡寫成下面形式。

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；Md為第二階段彎矩組合設(shè)計(jì)值；fcd1為原構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；x為混凝土受壓區(qū)高度；b、h分別為原構(gòu)件截面寬度和高度；fsd、f′sd分別為原構(gòu)件縱向普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Esp為加固鋼板的彈性模量；εsp為加固鋼板的拉應(yīng)變；fsp為加固鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asp為加固鋼板的截面面積；As、A′s分別為原構(gòu)件受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積；as、a′s分別為受拉區(qū)、受壓區(qū)普通的鋼筋合力點(diǎn)至受拉區(qū)邊緣、受壓區(qū)邊緣的距離；h0為原構(gòu)件截面有效高度，h0=h-as；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C50及以下時(shí)，取εcu＝0.0033；ξb為相對界限受壓區(qū)高度。

3 粘鋼加固梁承載力計(jì)算

在實(shí)際工程中，由于不同的橋梁結(jié)構(gòu)所用材料不同、尺寸不同、作用效應(yīng)也不同，故采用的加固鋼板數(shù)量也就不同。為了說明鋼筋混凝土梁承載力提高幅度與加固鋼板厚度、數(shù)量之間的關(guān)系，本文給定一個(gè)算例，按照算例給出的條件，進(jìn)行鋼筋混凝土梁加固前、后正截面極限承載力提高幅度和破壞模式分析。通過算例分析，簡單說明粘鋼加固鋼筋混凝土梁承載力提高幅度公式或圖表的制作過程。

3.1 計(jì)算條件

某鋼筋混凝土單筋矩形截面簡支梁截面尺寸為250mm×500mm（b×h），采用 C25混凝土（fcd＝11.5 M P a），主筋為HRB335，設(shè)置了配筋率為ρ＝1.0%主筋（as＝40mm，fsd＝280MΡa），未發(fā)現(xiàn)銹蝕，跨中彎矩組合設(shè)計(jì)值γ0Md＝180 kN·m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1。

3.2 原梁極限承載力計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［11～12］，計(jì)算該鋼筋混凝土單筋矩形截面簡支梁跨中截面受壓區(qū)高度x。得出，x＝112 mm，其值小于ξbh0=0.56×（500-40）=257.6mm。所以，滿足要求。然后，求該梁的最大抗彎承載力Mu＝130.1 kN·m。通過比較Mu與γ0Md可知，該梁不滿足承載力要求。

3.3 加固后梁承載力

若用粘貼Q235鋼板（fsp＝215MPa）對該梁進(jìn)行加固，選擇的鋼板寬度為200mm，厚度為4mm至12mm，滿足構(gòu)造要求［10］，具體如表1所示。加固后，該梁的抗彎極限承載力可根據(jù)公式（4）和公式（5）進(jìn)行計(jì)算。鋼筋混凝土梁在粘貼不同厚度的鋼板后，鋼筋混凝土梁的破壞模式及其承載力提高幅度的分析結(jié)果如表1和圖1所示。

由表1和圖1可以看出，鋼筋混凝土梁粘貼鋼板后，承載力有較大幅度的提高。在粘鋼寬度相同的情況下，粘貼鋼板厚度或面積較小時(shí)，承載提高幅度較大，隨著粘貼鋼板厚度或面積的增大，逐漸承載力提高幅度增幅減小。針對算例，當(dāng)鋼板厚度大于10 mm時(shí)，粘鋼加固對梁承載力提高的影響很小。這是由于鋼板厚度小于10mm時(shí)，混凝土梁的破壞模式是適筋梁破壞，而大于等于10mm時(shí)，梁的破壞模式是超筋梁破壞。在承載力計(jì)算中，適筋梁破壞，受壓區(qū)高度取實(shí)際高度，而超筋梁破壞，受壓區(qū)高度取界限受壓區(qū)高度ξbh0。所以，采用粘鋼加固技術(shù)時(shí)，粘鋼量不宜過大。

表1 粘鋼加固梁的破壞模式與抗彎極限承載力提高幅度Table 1 Failure mode of reinforcing beam and improvementrange of ultimate flexural resistance

圖1 加固鋼板厚度與承載力提高幅度之間的關(guān)系Fig.1 Relation curves of reinforcing steel plate thickness and bearing capacity im provement range

通過以上分析，建議橋梁加固的粘貼鋼板不宜太厚。原因有兩點(diǎn)：（1）在寬度相同時(shí)，鋼板太厚可能造成超筋破壞，浪費(fèi)鋼材；（2）當(dāng)鋼板太厚時(shí)，施工不方便，不容易粘貼，可能造成鋼板在自重下剝落。另外，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果分析，得出了算例中給定的鋼筋混凝土梁粘貼鋼板厚度與梁跨中正截面抗彎承載力提高幅度的回歸關(guān)系式（相關(guān)系數(shù)為0.9955）：y=-0.6621x2+17.534x-24.216 （1）式中：y為鋼筋混凝土梁跨中抗彎承載力提高幅度，%；x為加固鋼板厚度，mm。

4 結(jié)語

（1）采用粘鋼技術(shù)對混凝土橋梁構(gòu)件進(jìn)行加固是一種簡單有效、快速經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)加固手段。但是，由于二次受力特征及鋼板與原結(jié)構(gòu)的共同工作情況，橋梁加固構(gòu)件不能按常規(guī)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析。

（2）粘鋼加固能大幅提高梁的承載力。隨著粘貼鋼板厚度的增加，鋼筋混凝土梁的承載力提高幅度逐漸增大，后趨于穩(wěn)定，梁的破壞模式也發(fā)生了變化，由適筋梁變成了超筋梁。

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

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1008-486X（2015）02-0021-03

2014-05-21

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金項(xiàng)目：纖維水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性研究（2013QNKY018）；黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目：橋梁結(jié)構(gòu)粘鋼加固技術(shù)研究與受力特性分析（2014KXJS019）。

付春梅（1981-），女，山東單縣人，講師，碩士，主要從事道路、橋梁和建筑材料等方面的教學(xué)與科研工作。