粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究

羅潤(rùn)澤 （四川省西南建科建筑工程技術(shù)有限公司，四川 成都 610000）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中取得了廣泛應(yīng)用，其材料的廉價(jià)性、結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度性以及可塑性，極大地促進(jìn)了城市的擴(kuò)張和工業(yè)文明的發(fā)展[1-2]。盡管如此，受到自然因素以及人為因素的影響，諸如化學(xué)腐蝕、混凝土老化以及人為超載等，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生開裂、老化和破損等現(xiàn)象，極大地影響著結(jié)構(gòu)的功能需求和運(yùn)營(yíng)要求[3]。大量鋼筋混凝土建筑的建設(shè)，使得目前國(guó)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)加固和整治需求巨大，呈現(xiàn)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)[4]。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程案例，采用不同的加固形式對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固和室內(nèi)試驗(yàn)，研究其受力和變形特征，以期為混凝土結(jié)構(gòu)加固工作提供借鑒。

1 工程概況

某政府地下停車場(chǎng)位于省會(huì)城市鬧市區(qū)，其中地下停車場(chǎng)修建于2002年，結(jié)構(gòu)形式為地下二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，樓面板與地下室頂板均采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。由于長(zhǎng)期的水土荷載作用，地下室頂板層大部分混凝土梁出現(xiàn)彎剪裂縫，主體結(jié)構(gòu)安全性存在風(fēng)險(xiǎn)。為確保結(jié)構(gòu)加固施工前主體結(jié)構(gòu)的安全，根據(jù)《某政府地下停車場(chǎng)（含自行車庫）安全性技術(shù)鑒定報(bào)告》《某政府地下停車場(chǎng)（含自行車庫）應(yīng)急支護(hù)方案設(shè)計(jì)》的要求，對(duì)該地下停車場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)急支撐施工，但對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的安全而言仍面臨著風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的加固和整治成為首要任務(wù)。因此，根據(jù)某省建筑科學(xué)研究院出具的卸載加固施工圖紙，對(duì)地下停車場(chǎng)的梁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固，改造加固主要內(nèi)容方法如下：對(duì)頂板層X 向10.20m 跨主梁采用新增鋼筋混凝土柱增設(shè)一個(gè)或兩個(gè)支點(diǎn)減小其跨度；對(duì)頂板層Y 向9.0m 跨主梁采用錨栓鋼板抗剪、梁底粘鋼加固（鄰車道的采用增大截面后錨栓鋼板加固）；對(duì)頂板層Y 向9.0m 跨次梁采用體外預(yù)應(yīng)力加固；對(duì)負(fù)一層部分主梁采用粘貼碳纖維布抗剪加固；對(duì)所有地下室主次梁體、樓板等進(jìn)行裂縫修復(fù)。

2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內(nèi)試驗(yàn)研究

2.1 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

為了研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的承載和變形演變特征，在室內(nèi)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了3組鋼筋混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的鋼筋混凝土梁寬度均為150mm，高度均為200mm，長(zhǎng)度均為2000mm，鋼筋保護(hù)層厚度取為25mm。鋼筋配筋率均為0.8667%。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，混凝土的彈性模量采用室內(nèi)試驗(yàn)28d養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)求得，計(jì)算方法如公式（1）～公式（2）所示。A 組鋼筋混凝土梁（梁編號(hào)為L(zhǎng)0）為無任何加固措施的對(duì)比組；B組為采用普通鋼板加固的鋼筋混凝土梁（梁編號(hào)為L(zhǎng)1），普通鋼板的厚度為2.0mm，寬度為150mm，長(zhǎng)度為1700mm，粘貼時(shí)鋼板端部距離制作距離為50mm，粘鋼率為1.0%；C 組為采用不銹鋼鋼板加固的鋼筋混凝土梁（梁編號(hào)為L(zhǎng)2），不銹鋼鋼板的厚度為2.0mm，寬度為150mm，長(zhǎng)度為1700mm，粘貼時(shí)鋼板端部距離制作距離為50mm，粘鋼率為1.0%。

式中Ec為鋼筋混凝土梁的彈性模量；αc1為混凝土棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比率；αc2為脆性折減系數(shù)；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu,k為立方體混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

試驗(yàn)時(shí)，為確保鋼筋混凝土梁處于受力純彎曲狀態(tài)，采用三點(diǎn)簡(jiǎn)支加壓的方式進(jìn)行加載，將鋼筋混凝土梁分為3 等分，上部的荷載通過千斤頂加載，反力架提供荷載并傳遞至分配梁，分配梁將荷載以等分的形式作用于鋼筋混凝土梁。試驗(yàn)加載前先進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓的荷載大小約10%Pmax，正式加載后，荷載的加載方式分兩個(gè)階段，在鋼筋混凝土梁出現(xiàn)裂縫之前，預(yù)壓的荷載增加幅度按照2%Pmax進(jìn)行加載，每個(gè)等級(jí)的荷載持續(xù)時(shí)間約10min，在鋼筋混凝土梁出現(xiàn)裂縫之后，預(yù)壓的荷載增加幅度按照5%Pmax進(jìn)行加載，直至構(gòu)件受力和變形進(jìn)入屈服狀態(tài)。在觀測(cè)荷載變化的同時(shí)，在鋼筋混凝土梁的跨中位置也布置了應(yīng)變片，用于觀測(cè)跨中撓度隨著荷載的變化，粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內(nèi)試驗(yàn)裝置

2.2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為3組不同加固方案的鋼筋混凝土梁荷載-撓度的變化曲線。從圖2（a）中可以看出，在無加固措施條件下，鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線在加載初期呈現(xiàn)線形變化的規(guī)律，當(dāng)跨中撓度發(fā)展至15mm時(shí)梁結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)；隨后鋼筋混凝土梁出現(xiàn)細(xì)微裂紋，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，隨著撓度的增加，荷載的增幅較慢，且為非線性變化，裂紋出現(xiàn)不斷擴(kuò)張的趨勢(shì)，混凝土發(fā)出劈裂聲音，跨中撓度處于20.50mm～31.20mm 范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的裂縫不斷向上發(fā)展，但仍小于0.1mm；在跨中撓度發(fā)展為39.50mm 時(shí)，鋼筋混凝土梁的承載能力達(dá)到峰值，極限承載力約90kN，裂縫擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)受壓區(qū)，寬度約為0.2mm，隨后鋼筋混凝梁的荷載隨著撓度的增加而迅速減小并區(qū)域穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)，仍具有一定的殘余承載力。A組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線為典型的鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變過程，整體為彈性階段-彈塑性階段-破壞階段的演變過程，具有明顯的延性破壞特征。

從圖2（b）中可以看出，在加入普通鋼板（Q235鋼）對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的情況下，結(jié)構(gòu)的荷載-撓度曲線出現(xiàn)了明顯的變化，在荷載加載初期（跨中撓度小于12mm）時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；而跨中撓度范圍在12mm～17mm 時(shí)，進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，荷載隨著撓度的變化呈現(xiàn)非線性，其塑性工作范圍較小，跨中撓度為17mm時(shí)，荷載達(dá)到極限承載力，大小為115kN；在跨中撓度大于17mm之后，結(jié)構(gòu)的荷載隨著撓度的增加呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，并具有小幅度的下降，在跨中撓度為38mm 時(shí)，鋼筋混凝土梁才首次出現(xiàn)裂縫，并不斷向受壓區(qū)發(fā)展；當(dāng)跨中撓度發(fā)展至52.0mm 時(shí)，結(jié)構(gòu)承載力出現(xiàn)斷崖式下跌，結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)，具有明顯的脆性破壞特征。

從圖2（c）中可以看出，在加入不銹鋼鋼板（S304鋼）對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的情況下，結(jié)構(gòu)的荷載-撓度曲線與加入普通鋼板的梁結(jié)構(gòu)荷載-撓度曲線呈現(xiàn)顯著差異。在荷載加載初期（跨中撓度小于5mm）時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；隨后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)3 條并行的裂縫，分別處于跨中位置以及分配梁支點(diǎn)位置，分配梁支點(diǎn)位置的裂縫主要在受壓區(qū)內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)張，梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性發(fā)展?fàn)顟B(tài)；在跨中撓度發(fā)展至9.8mm時(shí)；不銹鋼鋼板與梁結(jié)構(gòu)之間存在應(yīng)力集中，梁結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性剝離破壞，結(jié)構(gòu)的荷載達(dá)到極限值，約98kN。

圖2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

綜合分析可知，在無加固、普通鋼板加固以及不銹鋼鋼板3種情況下，采用普通鋼板加固可以大幅度提高梁結(jié)構(gòu)的極限承載力，且應(yīng)力應(yīng)變演變過程與普通鋼筋混凝土梁的較為相近，具有較大的彈性工作范圍，因此，在實(shí)際工程加固中可以優(yōu)先選取普通鋼板進(jìn)行加固。

3 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)分析

某政府地下停車場(chǎng)（含自行車庫）整個(gè)地下室分兩個(gè)施工大區(qū)，第一施工區(qū)域?yàn)? 軸線至5 軸線往6 軸線2m處，5軸線、6軸線余下部分至16軸線為第二施工區(qū)域。其中第一施工區(qū)域包含施工組1、施工組2、施工組3；第二施工區(qū)域包含施工組4、施工組5、施工組6、施工組7、施工組8。第一施工區(qū)域所有頂升卸載一次性同批次完成，第二施工區(qū)域分兩次進(jìn)行卸載。其中施工組4、施工組5、施工組6 為第一批次，施工組7、施工組8 為第二批次。每一施工批次各主要施工步驟安排如圖3 所示，圖中施工進(jìn)度控制線：①→②→④→⑤→⑦→⑨→⑩→?→?→?→?→?。單位區(qū)域工期51d，總計(jì)劃工期102d。

圖3 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁現(xiàn)場(chǎng)施工工期布置

粘鋼加固采用的鋼板、型鋼為Q235-B 鋼材，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)必須符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定；粘鋼用結(jié)構(gòu)膠采用武漢長(zhǎng)江生產(chǎn)的JGN 灌注型建筑結(jié)構(gòu)粘鋼膠，鋼對(duì)鋼T沖擊剝離長(zhǎng)度為0mm。粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的具體施工步驟為按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行加固鋼板的下料；待鋼板下好后，按設(shè)計(jì)尺寸及工藝要求在鋼板上鉆錨栓孔；按照設(shè)計(jì)要求，在指定的位置彈線，將需粘鋼處及鉆孔螺栓位置放樣于原混凝土結(jié)構(gòu)上，在需要螺栓固定的位置進(jìn)行鉆孔；將鋼板及角鋼緊貼于過梁面并用綴條連接固定，在其粘貼面墊2mm～3mm鐵皮或鐵絲；待鋼板安裝好后，采用水泥漿泥將鋼板邊封閉；檢驗(yàn)合格后進(jìn)行防火、防腐處理。

4 結(jié)語

以某政府地下停車場(chǎng)（含自行車庫）混凝土梁加固項(xiàng)目為例，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)3種不同加固形式的混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁施工方法進(jìn)行了分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）A 組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線為典型的鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變過程，具有明顯的延性破壞特征；B組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線具有明顯的脆性破壞特征；C 組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線呈現(xiàn)脆性剝離破壞特征；

（2）在無加固、普通鋼板加固以及不銹鋼鋼板3 種情況下，采用普通鋼板加固可以大幅度提高梁結(jié)構(gòu)的極限承載力，且應(yīng)力應(yīng)變演變過程與普通鋼筋混凝土梁的較為相近，具有較大的彈性工作范圍，因此，在實(shí)際工程加固中可以優(yōu)先選取普通鋼板進(jìn)行加固。