粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的试验研究
时间：2023-02-28 19:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
罗润泽 （四川省西南建科建筑工程技术有限公司，四川 成都 610000）
钢筋混凝土结构在现代建筑中取得了广泛应用，其材料的廉价性、结构的高强度性以及可塑性，极大地促进了城市的扩张和工业文明的发展[1-2]。尽管如此，受到自然因素以及人为因素的影响，诸如化学腐蚀、混凝土老化以及人为超载等，使得钢筋混凝土结构在设计使用年限范围内会产生开裂、老化和破损等现象，极大地影响着结构的功能需求和运营要求[3]。大量钢筋混凝土建筑的建设，使得目前国内的混凝土结构加固和整治需求巨大，呈现日益增长的趋势[4]。本文尝试结合实际工程案例，采用不同的加固形式对钢筋混凝土梁进行加固和室内试验，研究其受力和变形特征，以期为混凝土结构加固工作提供借鉴。
某政府地下停车场位于省会城市闹市区，其中地下停车场修建于2002年，结构形式为地下二层钢筋混凝土框架结构。基础采用筏板基础，楼面板与地下室顶板均采用钢筋混凝土现浇板。由于长期的水土荷载作用，地下室顶板层大部分混凝土梁出现弯剪裂缝，主体结构安全性存在风险。为确保结构加固施工前主体结构的安全，根据《某政府地下停车场（含自行车库）安全性技术鉴定报告》《某政府地下停车场（含自行车库）应急支护方案设计》的要求，对该地下停车场进行了应急支撑施工，但对于地下结构的安全而言仍面临着风险，对梁体结构的加固和整治成为首要任务。因此，根据某省建筑科学研究院出具的卸载加固施工图纸，对地下停车场的梁体结构进行改造加固，改造加固主要内容方法如下：对顶板层X 向10.20m 跨主梁采用新增钢筋混凝土柱增设一个或两个支点减小其跨度；
对顶板层Y 向9.0m 跨主梁采用锚栓钢板抗剪、梁底粘钢加固（邻车道的采用增大截面后锚栓钢板加固）；
对顶板层Y 向9.0m 跨次梁采用体外预应力加固；
对负一层部分主梁采用粘贴碳纤维布抗剪加固；
对所有地下室主次梁体、楼板等进行裂缝修复。
2.1 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁试验材料及试验方法
为了研究粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的承载和变形演变特征，在室内试验中设计了3组钢筋混凝土梁进行试验，试验采用的钢筋混凝土梁宽度均为150mm，高度均为200mm，长度均为2000mm，钢筋保护层厚度取为25mm。钢筋配筋率均为0.8667%。混凝土强度等级为C35，混凝土的弹性模量采用室内试验28d养护标准立方体抗压强度实测求得，计算方法如公式（1）～公式（2）所示。A 组钢筋混凝土梁（梁编号为L0）为无任何加固措施的对比组；
B组为采用普通钢板加固的钢筋混凝土梁（梁编号为L1），普通钢板的厚度为2.0mm，宽度为150mm，长度为1700mm，粘贴时钢板端部距离制作距离为50mm，粘钢率为1.0%；
C 组为采用不锈钢钢板加固的钢筋混凝土梁（梁编号为L2），不锈钢钢板的厚度为2.0mm，宽度为150mm，长度为1700mm，粘贴时钢板端部距离制作距离为50mm，粘钢率为1.0%。
式中Ec为钢筋混凝土梁的弹性模量；
αc1为混凝土棱柱体强度与立方体强度的比率；
αc2为脆性折减系数；
fck为混凝土轴心抗压强度标准值；
fcu,k为立方体混凝土抗压强度标准值。
试验时，为确保钢筋混凝土梁处于受力纯弯曲状态，采用三点简支加压的方式进行加载，将钢筋混凝土梁分为3 等分，上部的荷载通过千斤顶加载，反力架提供荷载并传递至分配梁，分配梁将荷载以等分的形式作用于钢筋混凝土梁。试验加载前先进行预压，预压的荷载大小约10%Pmax，正式加载后，荷载的加载方式分两个阶段，在钢筋混凝土梁出现裂缝之前，预压的荷载增加幅度按照2%Pmax进行加载，每个等级的荷载持续时间约10min，在钢筋混凝土梁出现裂缝之后，预压的荷载增加幅度按照5%Pmax进行加载，直至构件受力和变形进入屈服状态。在观测荷载变化的同时，在钢筋混凝土梁的跨中位置也布置了应变片，用于观测跨中挠度随着荷载的变化，粘贴钢板加固钢筋混凝土梁室内试验装置如图1所示。
图1 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁室内试验装置
2.2 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁试验结果分析
图2为3组不同加固方案的钢筋混凝土梁荷载-挠度的变化曲线。从图2（a）中可以看出，在无加固措施条件下，钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线在加载初期呈现线形变化的规律，当跨中挠度发展至15mm时梁结构仍处于弹性工作状态；
随后钢筋混凝土梁出现细微裂纹，结构进入弹塑性工作状态，随着挠度的增加，荷载的增幅较慢，且为非线性变化，裂纹出现不断扩张的趋势，混凝土发出劈裂声音，跨中挠度处于20.50mm～31.20mm 范围内，结构的裂缝不断向上发展，但仍小于0.1mm；
在跨中挠度发展为39.50mm 时，钢筋混凝土梁的承载能力达到峰值，极限承载力约90kN，裂缝扩展至结构受压区，宽度约为0.2mm，随后钢筋混凝梁的荷载随着挠度的增加而迅速减小并区域稳定，结构进入破坏状态，仍具有一定的残余承载力。A组钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线为典型的钢筋混凝土应力应变过程，整体为弹性阶段-弹塑性阶段-破坏阶段的演变过程，具有明显的延性破坏特征。
从图2（b）中可以看出，在加入普通钢板（Q235钢）对钢筋混凝土梁进行补强的情况下，结构的荷载-挠度曲线出现了明显的变化，在荷载加载初期（跨中挠度小于12mm）时，结构处于弹性工作状态；
而跨中挠度范围在12mm～17mm 时，进入弹塑性工作状态，荷载随着挠度的变化呈现非线性，其塑性工作范围较小，跨中挠度为17mm时，荷载达到极限承载力，大小为115kN；
在跨中挠度大于17mm之后，结构的荷载随着挠度的增加呈现平稳状态，并具有小幅度的下降，在跨中挠度为38mm 时，钢筋混凝土梁才首次出现裂缝，并不断向受压区发展；
当跨中挠度发展至52.0mm 时，结构承载力出现断崖式下跌，结构进入破坏状态，具有明显的脆性破坏特征。
从图2（c）中可以看出，在加入不锈钢钢板（S304钢）对钢筋混凝土梁进行补强的情况下，结构的荷载-挠度曲线与加入普通钢板的梁结构荷载-挠度曲线呈现显著差异。在荷载加载初期（跨中挠度小于5mm）时，结构处于弹性工作状态；
随后结构出现3 条并行的裂缝，分别处于跨中位置以及分配梁支点位置，分配梁支点位置的裂缝主要在受压区内进行扩张，梁结构进入弹塑性发展状态；
在跨中挠度发展至9.8mm时；
不锈钢钢板与梁结构之间存在应力集中，梁结构发生脆性剥离破坏，结构的荷载达到极限值，约98kN。
图2 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁室内试验结果
综合分析可知，在无加固、普通钢板加固以及不锈钢钢板3种情况下，采用普通钢板加固可以大幅度提高梁结构的极限承载力，且应力应变演变过程与普通钢筋混凝土梁的较为相近，具有较大的弹性工作范围，因此，在实际工程加固中可以优先选取普通钢板进行加固。
某政府地下停车场（含自行车库）整个地下室分两个施工大区，第一施工区域为1 轴线至5 轴线往6 轴线2m处，5轴线、6轴线余下部分至16轴线为第二施工区域。其中第一施工区域包含施工组1、施工组2、施工组3；
第二施工区域包含施工组4、施工组5、施工组6、施工组7、施工组8。第一施工区域所有顶升卸载一次性同批次完成，第二施工区域分两次进行卸载。其中施工组4、施工组5、施工组6 为第一批次，施工组7、施工组8 为第二批次。每一施工批次各主要施工步骤安排如图3 所示，图中施工进度控制线：①→②→④→⑤→⑦→⑨→⑩→⑪→⑫→⑬→⑭→⑮。单位区域工期51d，总计划工期102d。
图3 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁现场施工工期布置
粘钢加固采用的钢板、型钢为Q235-B 钢材，其各项技术指标必须符合规范的有关规定；
粘钢用结构胶采用武汉长江生产的JGN 灌注型建筑结构粘钢胶，钢对钢T冲击剥离长度为0mm。粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的具体施工步骤为按照设计尺寸进行加固钢板的下料；
待钢板下好后，按设计尺寸及工艺要求在钢板上钻锚栓孔；
按照设计要求，在指定的位置弹线，将需粘钢处及钻孔螺栓位置放样于原混凝土结构上，在需要螺栓固定的位置进行钻孔；
将钢板及角钢紧贴于过梁面并用缀条连接固定，在其粘贴面垫2mm～3mm铁皮或铁丝；
待钢板安装好后，采用水泥浆泥将钢板边封闭；
检验合格后进行防火、防腐处理。
以某政府地下停车场（含自行车库）混凝土梁加固项目为例，采用室内试验的方法对3种不同加固形式的混凝土梁进行试验，并对现场粘贴钢板加固钢筋混凝土梁施工方法进行了分析，得到以下几个结论：
（1）A 组钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线为典型的钢筋混凝土应力应变过程，具有明显的延性破坏特征；
B组钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线具有明显的脆性破坏特征；
C 组钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线呈现脆性剥离破坏特征；
（2）在无加固、普通钢板加固以及不锈钢钢板3 种情况下，采用普通钢板加固可以大幅度提高梁结构的极限承载力，且应力应变演变过程与普通钢筋混凝土梁的较为相近，具有较大的弹性工作范围，因此，在实际工程加固中可以优先选取普通钢板进行加固。
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