粘鋼加固技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

徐永波 (安徽省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

鋼筋混凝土在建筑、水利水電、橋隧、鐵道等土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的不斷深入研究，我國的鋼筋混凝土建筑物在安全性、適用性和耐久性方面提出了更高的要求。由于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限是50年，加之我國是一個受自然災(zāi)害影響較頻繁的國家，因此隨著時間的推移，很多鋼筋混凝土建筑物會因為劣化、損壞而造成使用性能下降，或因技術(shù)落后無法滿足繼續(xù)使用要求；建筑的使用功能的改變及設(shè)計、施工缺陷所帶來的混凝土結(jié)構(gòu)的加固問題也日益常見[1]。根據(jù)相關(guān)資料顯示，與新建相比，改建有節(jié)約投資、縮短工期、收回投資快等優(yōu)點(diǎn)[2]。為了保證鋼筋混凝土建筑物的安全，延長其使用壽命，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固改造越來越受到人們的重視。而通過對現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，可以節(jié)省大量的人力和物力，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

粘貼鋼板或纖維復(fù)合板等板材加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一個備受關(guān)注和廣泛應(yīng)用的加固方法[3,4]，其中，粘鋼加固法是在混凝土構(gòu)件表面用膠結(jié)劑把鋼板粘結(jié)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面，該法具有適用面廣、不影響結(jié)構(gòu)外形、施工簡單快速等優(yōu)點(diǎn)，隨著膠結(jié)劑的發(fā)展，粘鋼加固法的應(yīng)用范圍越來越廣。本文對粘鋼加固法的發(fā)展應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，從而為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固提供參考。

1 粘鋼加固法的原理及優(yōu)勢

1.1 粘鋼加固法的原理

粘鋼加固法是指用膠結(jié)劑把薄鋼板粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面，使薄鋼板與混凝土協(xié)同工作的一種加固方法。由于粘鋼加固用的鋼板很薄，粘鋼加固構(gòu)件的二次受力特征不明顯，這是其他加固方法不具有的優(yōu)勢。

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性質(zhì)差異很大的材料組成，由于鋼筋的拉壓性能優(yōu)異，而混凝土材料抗壓性能好，抗拉性能差，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在受彎時，只要在適筋范圍，梁截面配筋率越大，梁截面殘余受壓的混凝土越多，梁的抗彎性能越好。而粘鋼加固法就是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)通過粘貼鋼板，利用鋼板的抗拉性能，代替部分混凝土受拉，從而使更多的混凝土受壓，提供混凝土結(jié)構(gòu)的承載力[5]。

由于鋼結(jié)構(gòu)容易銹蝕，粘鋼加固法加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時,應(yīng)對外粘鋼板進(jìn)行一定的防銹處理。鋼板是通過膠結(jié)劑粘貼在混凝土的表面，為了充分發(fā)揮鋼板的作用，鋼板與混凝土表面之間必須有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，能承受由于相對滑移沿鋼板與混凝土之間產(chǎn)生的剪應(yīng)力，也稱為粘結(jié)力。加固鋼板與混凝土之間通過粘結(jié)力來傳遞應(yīng)力，因此鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力是保證粘鋼加固能正常工作的前提。

1.2 粘鋼加固法的優(yōu)勢

粘鋼加固與其他傳統(tǒng)加固技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)[5-8]。

①膠結(jié)劑層和加固鋼板的厚度不超過10mm，加固后結(jié)構(gòu)的荷載和截面尺寸增加非常小，可忽略不計，同時不會影響混凝土結(jié)構(gòu)外觀。

②專用結(jié)構(gòu)膠結(jié)劑的膠層強(qiáng)度高于混凝土的強(qiáng)度，可保證粘結(jié)的鋼板與混凝土協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)荷載，較少產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

③粘貼鋼板相當(dāng)于增大混凝土結(jié)構(gòu)的配筋率，因而可以大大提高結(jié)構(gòu)的承載能力，而且粘貼鋼板以后加強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的整體剛度，可有效阻止裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展。

④粘鋼加固施工工藝簡單，通常不需要大的施工設(shè)備，且施工周期短，一般構(gòu)件加固3天后即可受力使用，不影響混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，適用于應(yīng)急的加固工程。

⑤粘鋼加固經(jīng)濟(jì)效益高。

綜上所述，粘鋼加固法從施工簡便性、美觀性、經(jīng)濟(jì)效益和加固效果等方面，相對其他補(bǔ)強(qiáng)加固措施都有一定的優(yōu)勢，因此粘鋼加固技術(shù)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

2 粘鋼加固法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

粘鋼加固法最早的應(yīng)用出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代中期的南非和法國[9]，研究人員采用環(huán)氧樹脂將鋼板粘貼在混凝土梁的受拉面上，從而提高其抗彎承載力。粘鋼加固從應(yīng)用開始，就因其加固簡單、快捷、不影響結(jié)構(gòu)外形、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅在建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固中使用[10]，還應(yīng)用在公路、橋梁中的鋼筋混凝土加固中。

2.1 國外粘鋼加固技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

1967年，南非的King和Fleming首次將粘鋼加固技術(shù)用于素混凝土梁的加固[11]，從此，國內(nèi)外開啟了粘鋼加固技術(shù)的探索之路。隨后，謝菲爾德大學(xué)的R.Jones等對少筋梁、超筋梁進(jìn)行了粘鋼加固試驗研究，得到了粘鋼加固梁的破壞形態(tài)，并認(rèn)為破壞裂縫若開始于粘貼鋼板的端部，裂縫將沿著受拉鋼筋方向向梁跨中發(fā)展并延伸[12]。R.N.Swamy通過對混凝土進(jìn)行粘鋼加固試驗，對比分析了不同鋼板厚度、加固形式、混凝土強(qiáng)度等級和卸載與不卸載加固對比，表明粘鋼加固可增加混凝土梁的強(qiáng)度和剛度，且鋼板對裂縫有抑制作用，不同程度的卸載對加固后混凝土梁的受力性能基本無影響[12,13]。I.A.Basumbal等人在1990年對粘鋼加固和其他傳統(tǒng)加固方法進(jìn)行對比試驗研究，并對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了全面的介紹[14]。在1988年，R.Jones對粘鋼加固混凝土梁的鋼板端部進(jìn)行錨固試驗研究，并對鋼板、膠結(jié)劑與混凝土界面之間的相互作用進(jìn)行了理論分析[15]。當(dāng)采用粘鋼加固鋼筋混凝土梁時，鋼板端部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，鋼板易發(fā)生剝離破壞[16,17]，為此美國的T.M.Roberts等采用彈性力學(xué)和有限元方法對粘鋼加固梁進(jìn)行了理論與數(shù)值分析，討論了減少鋼板端部應(yīng)力集中的方法，并分析了粘鋼加固混凝土梁的正應(yīng)力和剪應(yīng)力在膠層的應(yīng)力分布規(guī)律[16]，結(jié)果表明采用具有良好變形性能的粘結(jié)劑，減小鋼板厚度，使鋼板端部盡量靠近簡支梁端部，可以減輕鋼板端部應(yīng)力集中的問題。Oehles和Deric John則對粘鋼加固梁的早期剝離問題進(jìn)行了初探[17]，R.N.Swamy等人對在工業(yè)區(qū)暴露了12年左右的混凝土梁進(jìn)行粘鋼加固，結(jié)果表明，粘鋼加固混凝土的力學(xué)性能較好[18]，隨后又探討了各種參數(shù)對粘鋼加固混凝土抗剪性能的影響[19]。G..Arslan等人則對粘鋼加固混凝土進(jìn)行了不同鋼板長度對承載力的影響研究，并在粘貼鋼板加固混凝土梁的基礎(chǔ)上，在板端加錨栓的情況進(jìn)行了研究[20]。

從以上分析可見，國外對粘鋼加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、加固以后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力性能、粘鋼加固梁的粘結(jié)機(jī)理等方面進(jìn)行了研究，但主要集中在室內(nèi)試驗研究。

2.2 國內(nèi)粘鋼加固技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

我國于20世紀(jì)80年代開始對粘鋼加固技術(shù)進(jìn)行分析和研究，法國斯貝西姆公司在1978年首次采用建筑結(jié)構(gòu)膠對遼陽化工廠的一些混凝土梁進(jìn)行外粘鋼板進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。隨后，中科院大連化物所研制成功了我國自己的建筑結(jié)構(gòu)膠，極大促進(jìn)了我國粘鋼加固技術(shù)的發(fā)展。

1989年，上海建筑科學(xué)研究所對粘鋼加固的受彎構(gòu)件的受力性能和破壞形態(tài)進(jìn)行了研究；顧慧娟、羅競寧等對少筋梁、適筋梁和超筋梁進(jìn)行了粘鋼加固試驗，對加固梁的抗彎、抗剪及錨固性能進(jìn)行了探討分析[21]；同年，四川省建筑科學(xué)研究院組織并編寫了《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》。1991年，我國規(guī)范將加固使用范圍暫限定為鋼筋混凝土強(qiáng)度等級大于等于C20的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件[22]。劉祖華等根據(jù)彈性地基梁以及部分組合截面理論，推導(dǎo)了粘鋼加固梁鋼板與混凝土之間的剪應(yīng)力解析解[23]，萬墨林、韓繼云等則通過分析混凝土加固結(jié)構(gòu)的受力特征和破壞機(jī)理，提出了不同的粘鋼加固法應(yīng)遵循的原則、設(shè)計構(gòu)造及施工要點(diǎn)[7]。王天穩(wěn)和廖理楊對粘鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正截面計算、裂縫寬度、撓度驗算及粘貼長度驗算等問題進(jìn)行了討論[24]，李文盛等于2002年對粘鋼加固梁的抗彎承載力、早期破壞的分類、破壞機(jī)理等進(jìn)行了進(jìn)一步的研究[25]。

在粘鋼加固試驗方面，1996年，同濟(jì)大學(xué)的黃勤則通過理論計算分析和試驗數(shù)據(jù)對比，探討了粘鋼加固結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，并對RC等級、側(cè)板高度和厚度等參數(shù)對梁的強(qiáng)度和剛度影響進(jìn)行了分析，并提出了在工程應(yīng)用中建議[26]；吳耀輝通過粘鋼加固梁的試驗進(jìn)行了粘鋼加固梁的粘貼滑移、早期破壞、錨固長度等方面進(jìn)行了研究[27]；朱海峰通過粘鋼加固梁試驗對混凝土梁的受彎構(gòu)件的短期剛度、撓度以及裂縫開展進(jìn)行了研究[28]。梁叢中在2000年通過對兩個框架構(gòu)件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗，并分析了粘鋼加固的框架在地震作用下的抗震性能[29]。2006年，盧亦焱、周婷通過試驗得出了碳纖維與鋼板復(fù)合加固鋼筋混凝土梁的正截面破壞形態(tài)[30]。杜青等人通過試驗和有限元模擬，得出了粘鋼加固鋼筋混凝土梁的剝離破壞主要發(fā)生在粘貼鋼板端部區(qū)域和彎曲、剪切裂縫附近[31]。2010年，彭德喜、李大慶等人對預(yù)應(yīng)力粘鋼加固混凝土做了試驗研究，探索了預(yù)應(yīng)力粘鋼加固對混凝土正常使用階段受力狀態(tài)的影響[32]。

近年來，通過大量的試驗研究和工程實踐，粘鋼加固技術(shù)在土木工程的加固補(bǔ)強(qiáng)上得到普遍認(rèn)可，相應(yīng)的粘鋼加固技術(shù)的實驗研究和理論分析也取得了不錯的進(jìn)展。然而，鋼板與混凝土梁之間的粘結(jié)剝離問題是粘鋼加固的重要保證，因此還需要進(jìn)一步研究。

3 粘鋼加固法的應(yīng)用前景

當(dāng)前,粘鋼加固在工程中主要應(yīng)用于混凝土柱和梁，其應(yīng)用范圍包括：①原設(shè)計要求低、已接近使用年限或在各種災(zāi)害條件下遭受破壞的建筑物；②設(shè)計階段由于設(shè)計錯誤或者配筋不足造成局部破壞的結(jié)構(gòu)；③施工階段由于不當(dāng)操作造成的混凝土強(qiáng)度不足或保護(hù)層厚度偏大的結(jié)構(gòu)；④需要進(jìn)行改造的混凝土結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)加層、功能改變等。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代土木工程對安全性、使用壽命等方面提出了更高的要求，而當(dāng)前土木工程結(jié)構(gòu)仍然以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，可以推斷，未來粘鋼加固法依然有廣泛的應(yīng)用前景。針對粘鋼加固法的鋼板與混凝土之間的剝離問題還需進(jìn)一步研究，另外，還應(yīng)對粘鋼加固法所用的膠結(jié)劑、二次受力、結(jié)構(gòu)非線性及抗震性能等問題進(jìn)行研究，從而使粘鋼加固技術(shù)趨于完善。

4 結(jié) 論

隨著土木工程結(jié)構(gòu)物的不斷老化和規(guī)范的不斷提高，越來越多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加固，而粘鋼加固法以其眾多優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文通過介紹粘鋼加固法的概念、原理、優(yōu)勢及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對粘鋼加固法的應(yīng)用前景及研究趨勢提出了展望。

鑒于未來粘鋼加固法仍有廣泛的應(yīng)用前景，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)針對粘鋼加固法的鋼板與混凝土的剝離問題、粘鋼加固用膠結(jié)劑、結(jié)構(gòu)非線性問題、現(xiàn)場應(yīng)用情況監(jiān)測及抗震性能進(jìn)行研究，使粘鋼加固技術(shù)趨于完善。

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