粘貼鋼板加固的研究進展

□ 潘 陽（河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國經過大規模的基礎建設，建筑業經過蓬勃的發展，到現在也帶來了一些問題，設計規范的更新、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的主導，我國對已有工業與民用建筑進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構粘接劑將鋼板粘結于混凝土構件的表面，使鋼板與混凝土形成統一的整體，通過粘鋼膠將作用在混凝土構件上面的荷載傳遞給粘貼的鋼板，以達到增強構件承載能力及剛度的目的。鋼板和其他的鋼材通過結構粘接劑粘結于混凝土結構外邊面產生三相材料混凝土—建筑結構膠—鋼板的復合系統。結構膠的性能指標直接影響著鋼板和混凝土的整體性，結構膠介質作用的發揮依賴于膠體傳遞應力的能力，而這種能力反過來又取決于混凝土和膠體與鋼板的粘結及界面剪應力，以及膠體的剛度、柔度和粘性。在結構膠的施工工藝能夠符合工程要求，結構膠性能得以保證時，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

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

粘鋼加固構件在荷載作用下，鋼筋屈服，受壓區混凝土被壓碎，而粘貼鋼板未屈服。該構件破壞時，加固材料沒有得到充分的利用，發生這種破壞現象一般是在加固材料用量較大時出現，類似于普通鋼筋混凝土構件的超筋破壞，是一種脆性破壞形式，應該避免這種破壞形式的發生。

當鋼筋發生屈服時，受壓區混凝土被壓碎，同時粘貼鋼板也屈服，這種破壞形式類似于普通鋼筋混凝土結構的正常破壞，屬于延性破壞，同時也充分發揮了加固鋼板的承載力，材盡其用。這是加固所希望出現的破壞形式。

當鋼筋發生屈服時，加固鋼板也出現屈服，而混凝土并沒有被壓碎，類似于普通混凝土結構的少筋破壞，這種情況是在加固構件的配鋼率較小，鋼板的使用量較小時發生的，破壞時鋼筋和鋼板的強度已經得到充分利用，是一種脆性破壞形式，應該避免這種破壞形式的發生。

2 粘鋼加固研究現狀

2.1 粘貼鋼板用量研究

通過粘貼鋼板滿足加固的要求，鋼板的存在形式作為關鍵的因素。通過對改變粘鋼位置、鋼板寬厚比和粘鋼量等參數進行試驗研究，表明梁底比梁側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等人的試驗驗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，承載力增強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，變形能力降低，加固鋼筋混凝土梁的會出現鋼板的提前剝離破壞，為了充分發揮鋼板的加固效果，建議鋼板的寬厚比b/t>50。Jones等人通過研究發現粘有6mm厚的鋼板的梁會過早地破壞(內部鋼筋剪斷、膠層開裂、鋼筋和鋼板均為屈服)僅達到理論抗彎強度的70%，且梁還表現為突發的脆性破壞，這在結構上是不允許的，粘貼鋼板的厚度應控制在6mm以內。

《混凝土結構加固設計規范（GB50367-2006）》中指出，粘貼鋼板的加固量，對受拉區和受壓區，分別不應超過3層和2層，且鋼板總厚度≤10mm。在《公路橋梁加固設計規范（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，應采用壓力注膠粘結。同時還設定鋼板的寬厚比≤50。在建筑抗震加固技術規程（JGJ116—2009）中關于采用粘貼鋼板加固梁柱時，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，端部容易出現應力集中，梁端部應力過高而引起的鋼板的剝落，導致粘鋼加固提前失效，這在設計中是不允許的，因而需要在構件應力集中位置設置有效約束，以保證鋼板和構件在使用狀態中協同工作。Jones、T.M.Roberts等人的試驗和理論分析結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度，在錨固長度不足時，端部采用螺栓加強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，應在梁側面粘貼鋼板，防止梁產生脆性剪切粘接破壞。同等條件下加固效果，螺栓和膠粘復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

結構膠把鋼板和原構件粘結成一個整體，使鋼板和原構件一起承擔荷載作用；同時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展。與普通的混凝土梁相比，粘鋼加固梁的裂縫的出現的比較晚，開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展，增加混凝土的受壓區面積，同時，鋼板對構件表面的混凝土有著約束作用，使原混凝土保護層對裂縫的影響程度降低，減小了裂縫的間距，使裂縫細而密。

R.N.Swamy等進行了粘鋼板加固混凝土梁的試驗研究，對不同加固形式、鋼板厚度、混凝土強度等級進行了比較。此后，R.N.Swamy等人又對經荷載作用而損壞的混凝土梁進行卸載和不卸載加固方法的對比。研究結果表明：粘貼鋼板可增加梁的強度和剛度，鋼板對裂縫起制約作用，不同卸載情況對加固后的梁的受力性能影響很小。Raithby、Swamy的試驗研究表明，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題

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

4 結論與展望

鋼板的剛度較大，加工不宜，對構件的形狀有一定的要求，采用復合加固的方法，不僅能夠在提高承載力的同時也改變其延性性能，單一的加固方式，受材料的特性影響比較大，而采用復合的加固方法，可以充分利用材料的特性，可以彌補單一材料的不足，并且采用粘鋼加固，規范規定，不應提高承載力不超過40%，并且采用復合加固，材料能夠相互約束限制，對于結構，特別是承受動荷載的結構，可以形成可靠的加固效果，這也是復合加固的優勢。

加固結構受力后的裂縫和剛度的問題，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方面的影響因素太多、太復雜，相關試驗數據和現場長期觀測數據較少，對加固結構受力后的裂縫和剛度問題沒有給出明確的計算方法，還需要進一步研究。