鋼板—砼組合加固鋼筋砼梁的研究及應(yīng)用進(jìn)展

張凱 鄒毅松 谷志敏 王銀輝

摘 要：鋼板-混凝土組合加固技術(shù)是鋼筋混凝土梁加固的一種的新方法。簡介了目前關(guān)于鋼板-混凝土組合加固梁抗彎和抗剪承載力研究的成果，分析考慮界面滑移、二次受力等因素對于承載能力影響的研究現(xiàn)狀，探討了該加固技術(shù)試驗(yàn)研究方法及工程應(yīng)用情況。通過對現(xiàn)有研究成果的歸納和總結(jié)，分析了該技術(shù)的主要特點(diǎn)與不足，并指出了有關(guān)鋼板-混凝土組合加固方面值得進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁 加固技術(shù) 鋼板-混凝土組合加固技術(shù) 組合結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0005-04

Research and Application of RC Beams Strengthened by Steel Plate-concrete Composite Technique

Zhang kai1 Zou Yisong 1 Gu Zhimin1 Wang Yinhui2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074， China；

2.Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo zhejianag，315100，China）

Abstract： Steel plate-concrete composite （SPCC） strengthening technique is a late-model method for reinforced concrete（RC） beams. The research findings about the ultimate shear and bending capacity of RC beams strengthened by SPCC technique is presented. The influence factors of the ultimate shear and bending capacity， such as secondary load and interfacial slip， is introduced. And the test methods and practical application of SPCC technique are explained. The advantages and disadvantages of this technology are suggested according to research and test results. In addition the issues which would deserve further research about the aspects of the technique are put forward.

Key Words：RC Beam； Strengthening Technology； Steel-concrete Composite（SPCC） Strengthening Technique； Combined Structure

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和通行荷載等級的提高，大量現(xiàn)役橋梁需要進(jìn)行荷載提升和維修加固。目前常用的鋼筋混凝土梁的加固方法有加大截面加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法、FPR材料粘貼加固法以及外包鋼加固法等[1]，受結(jié)構(gòu)形式或材料特性的影響，這些傳統(tǒng)加固方法均有各自的適應(yīng)性和局限性。

鋼板-混凝土組合加固（以下簡稱組合加固）是通過在鋼板上焊接栓釘、在原混凝土表面植筋、在原結(jié)構(gòu)及加固鋼板間澆注混凝土等措施使加固部分與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體共同工作的一種新型加固技術(shù)[2]，其加固構(gòu)造如圖1所示。鋼板-混凝土組合加固法綜合了增大截面法和粘鋼加固法，充分發(fā)揮了鋼板抗拉與混凝土抗壓的特點(diǎn)，同時鋼板的存在抑制了裂縫的開展，約束了混凝土變形，從而有效提高了加固構(gòu)件的承載力、剛度與抗裂性，是一種簡單易行、施工方便的加固方法。

1 鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁承載能力研究現(xiàn)狀

聶建國[3]教授首先提出了鋼板-混凝土組合加固的思想，并對鋼板-混凝土組合簡支梁極限抗彎承載力、鋼板剝離承載力、開裂荷載和滑移分布進(jìn)行了理論分析，組合加固梁各種破壞模式對應(yīng)的承載力和剛度計算公式，同時提出了鋼板-混凝土組合加固梁的設(shè)計方法和構(gòu)造要求，形成了一套較為成熟的理論體系。

國內(nèi)其他學(xué)者也對鋼板-混凝土組合加固技術(shù)做了大量的研究，主要集中在加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎抗剪性能以及新老混凝土間抗剪連接件等方面。

一方面，王春生[4]對鋼板-混凝土組合加固混凝土T梁進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼板-混凝土組合加固可使混凝土T梁極限抗彎承載力提高約2倍，植筋間距與原梁彎曲損傷程度對組合加固T梁的極限抗彎承載力影響約為4%。郭曉宇[5]則對植釘間距、栓釘間距和損傷程度等不同設(shè)計參數(shù)對其抗彎性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出承載力簡化公式。任騰先[6]通過對帶損傷鋼筋混凝土T梁試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)向鋼板加固高度、鑿毛與否、新老混凝土界面以及加固鋼板和加固混凝土界面的剪力連接設(shè)計對試驗(yàn)梁的抗剪工作性能有很大影響。

另一方面，部分學(xué)者通過試驗(yàn)結(jié)合有限元模型對鋼板-混凝土組合加固技術(shù)中滑移分布、抗剪連接件進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

趙潔[7]以組合加固梁試驗(yàn)中栓釘?shù)暮奢d-滑移曲線為基礎(chǔ)，提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型。并采用有限元軟件ABAQUS，模擬一次加固、不同損傷加固及持載加固等加載情況下加固構(gòu)件受力全過程、受彎破壞以及新老混凝土剝離破壞等破壞形態(tài)下加固試件的受力性能，分析了鋼板厚度、加固部分高度及長度等參數(shù)對加固構(gòu)件承載能力及剛度的影響。

楊錦輝[8]通過對實(shí)際橋梁加固中的鋼板、鋼筋混凝土及栓釘進(jìn)行簡化計算，將鋼筋混凝土材料折合成一種能夠承受一定拉力的材料，栓釘則簡化為連接鋼板與這種折合材料的螺栓，從中得到的栓釘?shù)某休d力計算公式。聶建國[9]等則通過在試驗(yàn)中量測鋼板軸向應(yīng)變，間接得到栓釘受力情況，推導(dǎo)栓釘抗剪承載力計算方法。同時，聶建國還通過對組合加固后構(gòu)件的理論分析，建立滑移微分方程，模擬真實(shí)的邊界條件，從中得到滑移沿梁跨的分布曲線。

此外，于明策[10]以陜西境內(nèi)某組合加固后的鋼筋混凝土連續(xù)板橋?yàn)檠芯繉ο螅捎每臻g有限元分析方法，對該橋的靜力特性、自振特性以及加固箱體內(nèi)部構(gòu)件受力特性進(jìn)行了分析，計算結(jié)果對于評價鋼板-混凝土組合加固技術(shù)處理后的橋梁的工作性能具有重要的價值。

2 鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁二次受力研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有正截面抗彎加固理論研究中大多未考慮加固中二次受力的影響，高估了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。對此，國內(nèi)外專家也做了大量的研究，主要集中在粘鋼加固、粘貼復(fù)合材料加固、增大截面加固等方式加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)研究、有限元分析以及結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論對加固后結(jié)構(gòu)的正截面抗彎性能進(jìn)行研究。

二次受力下鋼筋混凝土加固結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力計算公式的理論推導(dǎo)方面，馬來飛[11]等基于條帶法提出了考慮二次受力的外粘鋼板加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力的兩階段接力計算方法。趙延飛[12]則根據(jù)鋼筋混凝土梁的正截面破壞機(jī)理，分析了不同卸荷條件下二次受力對粘鋼加固混凝土梁界限相對受壓區(qū)高度的影響，推導(dǎo)出二次受力下公式的差異，并指出實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)實(shí)際卸荷情況，同時考慮對的影響決定粘鋼量。

在模型試驗(yàn)與有限元方法相結(jié)合開展的研究中，任偉[13]以鋼筋混凝土梁縮尺模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用面-面接觸分析及單元“生死”分析方法，有效解決持荷情況下待加固結(jié)構(gòu)與鋼板不同時參與工作及鋼板-混凝土界面的傳力難點(diǎn)。席超波[14]則通過加固構(gòu)件彎矩-曲率關(guān)系曲線，按照桿系結(jié)構(gòu)有限元方法對加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件二次受力性能進(jìn)行了非線性有限元分析。

此外，也有學(xué)者直接利用模型試驗(yàn)結(jié)果對不考慮二次受力的加固結(jié)構(gòu)承載能力計算方法進(jìn)行修正，從而得到考慮二次受力的加固結(jié)構(gòu)承載能力計算方法，卜良桃[15]等開展了HPF加固足尺梁二次受力抗彎試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了在一次受力抗彎承載能力公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修正的計算公式。

到目前為止，二次受力下傳統(tǒng)鋼筋混凝土疊合結(jié)構(gòu)承載能力研究已取得了較為系統(tǒng)的成果，既說明了二次受力對疊合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能的影響不容忽視，也為特殊的鋼筋混凝土疊合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能研究提供了有效的參考。

在對二次受力下鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能研究中，李軍[16]以鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁為研究對象，在考慮二次受力條件下，通過理論分析研究及利用非線性有限元方法，分別從這加固前彎矩、截面加固高度、加固鋼板加固量、初始配筋率等四方面系統(tǒng)分析研究鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土抗彎承載力的發(fā)展?fàn)顩r。

高珊[17]則對帶損傷的混凝土T梁組合加固并進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)，得到了構(gòu)件破壞時的極限抗彎承載力以及受力特性，揭示了鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土T梁的彎曲破壞機(jī)理。

王春生、郭曉宇等得出考慮二次受力的抗彎承載能力公式，該公式利用在不考慮二次受力影響下抗彎承載能力計算公式的基礎(chǔ)上引入考慮二次受力影響時加固鋼板抗拉強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計值的折減系數(shù)。

呂偉龍[18]在二次受力鋼筋混凝土梁滯后應(yīng)變的計算中，引入誤差調(diào)整系數(shù)，從而簡化混凝土應(yīng)力-應(yīng)變公式，推出一套完整的二次受力狀態(tài)下鋼筋混凝土加固梁加固材料滯后應(yīng)變計算方法。

聶建國、趙潔[19]等提出了考慮二次受力影響加固鋼板最大加固厚度的計算方法，并給出了二次受力構(gòu)件滯后應(yīng)變及開裂荷載的計算方法，其結(jié)果與試驗(yàn)良好吻合，達(dá)到工程應(yīng)用精度要求。

3 鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

目前，鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究，大多以具體的鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土矩形梁或T型梁為研究對象，通過控制除指定變化因素外其他條件對試驗(yàn)的影響，從新老混凝土界面粗糙程度、植筋間距、栓釘間距、剪跨比、原梁損傷程度等參數(shù)的相對變化中，分別測得加載過程中試驗(yàn)梁的荷載、撓度、應(yīng)變、裂縫發(fā)展、受力特征以及破壞模式等，來詳細(xì)研究其不同變化因素對鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力的影響。亦或者結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，驗(yàn)證鋼板-混凝土組合加固構(gòu)件正截面抗彎承載力等一系列計算公式的正確性，或在已有公式的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步修正。

聶建國、趙潔等通過10根鋼板-混凝土組合加固梁和1根鋼筋混凝土對比梁，研究其在彎矩和剪力作用下的破壞形態(tài)、極限受彎承載力、剛度和裂縫發(fā)展情況，新老混凝土界面的工作狀況，鋼板與混凝土的共同工作情況，不同損傷程度及不同持載水平對組合加固鋼筋混凝土梁整體工作性能的影響等。

王春生、袁卓亞等則設(shè)計了4根鋼板-混凝土組合加固混凝土T梁進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)，試件的主要設(shè)計參數(shù)包括損傷程度和植筋間距。采用荷載傳感器、位移計和應(yīng)變計，分別測量加載過程中試驗(yàn)梁的荷載、撓度、應(yīng)變、裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、新老混凝土界面與鋼板-加固混凝土界面的縱向滑移，采用有限元軟件分析了試件的受力性能，塑性方法研究了試件的極限抗彎承載力。

此外，在對鋼板-混凝土組合加固技術(shù)正常使用性能方面的研究中，王宇航[20]通過對8根組合受彎加固簡支梁的等幅疲勞加載試驗(yàn)，研究了組合加固梁在疲勞荷載作用下的壽命及應(yīng)變變化規(guī)律。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上通過理論分析，提出了考慮應(yīng)力水平影響的組合加固梁疲勞壽命、疲勞破壞后的殘余靜力承載力和殘余剛度的計算方法，提出鋼板-混凝土組合加固梁的疲勞設(shè)計方法。

4 鋼板-混凝土組合加固技術(shù)工程應(yīng)用狀況

近年來，在北京、上海等城市的立交橋建設(shè)中，由于鋼板-混凝土組合加固能克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的不足，大幅提高結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，同時施工快速方便，對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

2002年由清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院采用鋼板-混凝土組合加固北京紫竹橋[21]是該技術(shù)在國內(nèi)橋梁加固中的首次應(yīng)用。該橋?yàn)槿?lián)九孔連續(xù)箱梁橋，設(shè)計等級由原建的汽超-20級提升為城市A級。加固后該橋的承載力和剛度都得到了明顯提高。其中，懸臂板加固后抗彎剛度比加固前提高了30%左右；引橋加固后抗彎剛度比加固前提高了25%左右（圖2）。

建于1990年的北京三環(huán)路洋橋[22]，主跨邊梁受撞擊破損嚴(yán)重，主筋裸露并有部分鋼筋折斷，采用了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)對該橋進(jìn)行加固，加固施工現(xiàn)場如圖3所示。通過加固，正彎矩作用下的抗彎承載力提高了55%，此外主梁防撞能力得到顯著提高。

柿子泡大橋[23]因火災(zāi)造成橋梁部分空心板底板混凝土剝落，造成梁板自身剛度下降。該橋通過在梁板底面植筋，按照植筋位置在新增鋼板上鉆孔，將植筋穿入鋼板并固定，澆筑混凝土使結(jié)構(gòu)形成整體。施工后因螺栓在鋼板外側(cè)，美觀效果稍差，但施工工藝相對簡單，施工難度?。▓D4、圖5）。

在陜西某高速公路現(xiàn)澆箱梁橋[24]加固中，采用了鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)與體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的加固方式，較好的約束了原橋裂縫的發(fā)展，使組合加固起到預(yù)應(yīng)力的效果，是鋼板-混凝土組合加固技術(shù)中較好的嘗試（圖6）。

此外，北京馬甸橋、北京西南三環(huán)萬柳立交橋、北京西南三環(huán)豐益橋、重慶牛兒河橋、淄博某跨鐵路橋等高架橋用了鋼板-混凝土組合加固技術(shù)，橋梁改造加固后，已投入使用，目前使用狀況良好。

另外李硯波[25]等將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)用在了房屋改造加固工程中，也獲得了顯著的效果。

5 結(jié)語

綜上所述，鋼板-混凝土組合加固技術(shù)可以廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，對比傳統(tǒng)加固方法，具有明顯的特點(diǎn)。其研究和應(yīng)用也取得了相對比較成熟的成果。

（1）鋼板-混凝土組合加固用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗彎加固、抗剪加固的可行性得到了驗(yàn)證。其植釘間距、栓釘間距、鑿毛程度等因素對組合加固結(jié)構(gòu)承載能力的影響也進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，同時得出了較為合理的加固構(gòu)件抗彎承載能力計算公式。

（2）目前二次受力下鋼板-混凝土組合加固梁的研究主要集中在抗彎承載能力的計算方面，總體研究相比較傳統(tǒng)二次受力疊合結(jié)構(gòu)尚有不足，還需進(jìn)一步深入。

（3）在實(shí)際加固工程中，鋼板-混凝土組合加固施工簡便、周期短，對結(jié)構(gòu)自重增加小，且在約束了原結(jié)構(gòu)裂縫的同時也抑制了其內(nèi)部鋼筋銹蝕，對原梁抗彎承載能力有大幅度的提高，大大延長了使用壽命。

實(shí)踐證明鋼板-混凝土組合加固技術(shù)在橋梁加固領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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