不同鋼板加固方式對銹蝕鋼筋混凝土梁承載性能的影響

唐皇 彭建新 王晗

摘 要：為了研究不同鋼板加固方式對銹蝕鋼筋混凝土梁承載性能的影響，探索不同鋼板加固方式的加固效果，通過靜力荷載試驗對比研究了鋼板抗彎加固、抗剪加固和抗彎抗剪組合加固銹蝕RC梁在承載力、變形、破壞模式和延性等方面的特點，分析了不同加固方式的優(yōu)缺點。研究結(jié)果表明：組合加固效果最明顯，其極限承載力比銹蝕梁提高了107.7%;對于抗彎加固銹蝕梁，鋼板厚度分別為3、4、5 mm時，厚度每增加1 mm，其極限承載力增加7～18 kN;組合加固銹蝕梁的抗變形能力最強，其次是抗彎加固銹蝕梁，且鋼板厚度增加對抗彎加固銹蝕梁的抗變形能力有積極作用;組合加固較其他兩種加固方式能更有效地提高銹蝕梁的延性，其延性相比銹蝕梁提高了320.4%，其次是抗剪加固銹蝕梁;抗彎加固銹蝕梁的延性比其他兩種加固梁小，且隨著鋼板厚度增加，其延性先增加后減小。評價抗彎和抗剪加固銹蝕梁的加固效果時，需綜合考慮抗變形能力和延性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁;銹蝕;承載力;鋼板;加固

中圖分類號：TU375.1 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）06-0103-09

Abstract： In order to explore the influence of different steel plate strengthening methods on the bearing capacity of corroded RC beams， the strengthening effect of different strengthening schemes is explored. The characteristics in the bearing capacity， deformation， failure mode and ductility of corroded RC beams strengthening by steel plate with flexural strengthening schemes， shear strengthening scheme， and flexure-shear combination strengthening scheme are compared， respectively， and the advantages and disadvantages of different strengthening schemes are analyzed. The results show that for the flexure-strengthened corroded beam which steel plate thickness are 3 mm， 4 mm and 5 mm， respectively， the ultimate bearing capacity increased by 7～18 kN with 1 mm increases of steel plate thickness. The effect of combined strengthening is most significant， and the ultimate bearing capacity increased by 107.7% compared with corroded beams. Combined strengthened corroded beams have the strongest deformation resistance， the following is flexure-strengthened corroded beams， and the increases of steel plate thickness has a positive effect on the deformation resistance of flexure-strengthened corroded beam. The combined strengthening scheme is more effective in improving the ductility of corroded beam than the other two strengthening schemes， the ductility of which is improved by 320.4% compared with corroded beam， followed by shear strengthened corroded beams. The ductility of flexure-strengthened corroded beam is smaller than other two kinds of strengthened beams， and it increases in the begining and then decreases with the increases of steel plate thickness. The deformation resistance and ductility should be considered comprehensively when evaluating the strengthening effect of flexural and shear-strengthened corroded beams.

Keywords：reinforced concrete beam; corrosion; load-carrying capacity; steel plate; strengthening

唐皇，等：不同鋼板加固方式對銹蝕鋼筋混凝土梁承載性能的影響鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)承載性能退化的主要原因之一。中國現(xiàn)有公路橋梁中，超過15%的RC橋梁由于鋼筋銹蝕導致了保護層剝落、混凝土開裂和鋼筋斷裂等病害[1]。因此，需要合理的維修加固方式對橋梁進行加固處理，以保持其服役性能。

作為一種施工方便、經(jīng)濟和效果明顯的加固方法，鋼板加固已經(jīng)在RC結(jié)構(gòu)加固工程中廣泛應(yīng)用，其中，主要加固方式分為抗彎加固、抗剪加固和抗彎抗剪組合加固。學者們對于抗彎加固、抗剪加固和抗彎抗剪組合加固不銹蝕RC梁的承載力、破壞模式和變形性能等力學指標進行了一系列研究[2-8]，獲得了許多有意義的成果。Aykac等[2]通過試驗研究了外貼鋼板組合加固RC梁的抗彎性能，分析了鋼板厚度、錨釘錨固和側(cè)貼鋼板錨固對試驗梁性能的影響。Chang等[3]提出了基于應(yīng)變局部化機理的新加固體系來解決鋼板抗彎加固后脫落的問題。吳振麗等[4]以4根側(cè)面錨固鋼板加固RC梁（BSP梁）受剪性能試驗研究為基礎(chǔ)，基于有限元軟件Opensees建立了BSP梁的非線性有限元模型，模擬了構(gòu)件加載全過程和受剪破壞時的受力性能。劉陽等[5]采用U形預(yù)應(yīng)力鋼板箍對T形截面RC梁進行受剪加固，研究U形鋼板箍間距和預(yù)應(yīng)力水平對加固RC梁受剪性能的影響。上述研究都未考慮鋼筋銹蝕對加固效應(yīng)的影響，然而鋼板加固往往是在鋼筋銹蝕引起承載性能退化后進行，對RC結(jié)構(gòu)銹蝕后加固的力學性能研究是有意義的[9]。Peng等[9]通過試驗研究了錨貼鋼板抗彎加固銹蝕RC梁承載性能，分析了保護層厚度、鋼板厚度和銹蝕率對極限承載力和撓度的影響。張建仁等[10-11]利用桁架原理和微元法建立了鋼板抗彎加固銹蝕RC梁的極限承載力和荷載撓度曲線的理論計算方法。Tang等[12]和張建仁等[13]研究了二次銹蝕對于抗剪加固銹蝕RC梁承載性能的影響。上述研究主要針對單一加固方式對銹蝕RC梁加固后承載性能的影響，沒有對比分析不同加固方式之間的加固效果。對比不同加固方式的銹蝕RC梁的力學性能，揭示不同加固方式的優(yōu)缺點，可為實際工程中橋梁加固方案選擇和設(shè)計提供依據(jù)。

筆者通過靜力荷載試驗研究銹蝕RC梁在不同鋼板加固方式作用下的承載性能，對比分析了抗彎、抗剪和抗彎抗剪組合加固銹蝕RC梁的破壞模式、裂縫分布、撓度、承載力和延性等力學指標，比較了不同加固方式的優(yōu)缺點。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

共設(shè)計8片RC梁，其設(shè)計參數(shù)如表1所示。表中梁P1為不銹蝕梁，P2為銹蝕梁，梁PSC-1、PSC-2和PSC-3為抗彎加固銹蝕梁，梁PUC為抗剪加固銹蝕梁，梁PSU為抗彎抗剪組合加固銹蝕梁。所有梁的混凝土設(shè)計抗壓強度均為30 MPa，通過混凝土抗壓強度標準實驗獲得實際抗壓強度為30.2 MPa。梁保護層厚度均為25 mm。加固鋼板采用Q235級鋼板。試驗梁制作時，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）[14]，梁內(nèi)鋼筋采用HRB335級鋼筋，試驗梁極限承載力和變形滿足規(guī)范要求。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[15]，建議鋼筋混凝土橋梁不再使用HRB335級鋼筋，而使用HRB400級鋼筋，不會影響試驗梁的加固效果。通過材料性能試驗，試驗梁中的箍筋、架立筋和受拉鋼筋的屈服強度分別為335、334.8、334 MPa。試驗梁配筋圖如圖1所示。試驗采用實驗室電化學快速腐蝕方法使所有試驗梁的受拉縱向鋼筋銹蝕，腐蝕裝置如圖2所示。3種加固方式如圖3所示。

1.2 試驗梁加載程序

試驗梁制作完畢后，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d，然后利用500 kN千斤頂進行加載。試驗中，分別在梁支座、1/4點處和跨中處安裝百分表測量試驗梁撓度。混凝土應(yīng)變由沿梁高粘貼的6個電阻應(yīng)變片測得，應(yīng)變片間距為50 mm。鋼板的應(yīng)變由兩錨釘之間的應(yīng)變片測得。試驗梁加載如圖4所示。加載開始后，加載荷載每級2 kN，直到試驗梁出現(xiàn)裂縫。當試驗梁開裂后，荷載調(diào)至10 kN一級，每一級測量裂縫寬度，用簽字筆描繪裂縫發(fā)展情況，并記錄應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

所有試驗梁的試驗結(jié)果見表2。表中Pcf、Pcd和Pu分別表示出現(xiàn)彎曲裂縫時的荷載、出現(xiàn)斜裂縫時的荷載和極限荷載，Pul為試驗梁理論極限荷載，Du為極限荷載對應(yīng)的跨中極限撓度。依據(jù)文獻[1]中鋼板抗剪和組合加固銹蝕RC梁承載力計算方法，以及文獻[11]中鋼板抗彎加固銹蝕RC梁承載力計算模型，獲得了各加固梁的承載力理論值，對比梁的承載力理論值采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[16]中的計算方法。文獻[1，11]中的計算模型根據(jù)試驗梁的破壞模式進行受力分析，由于篇幅有限，僅列出抗彎加固銹蝕RC梁的計算方法，見式（1）。另外，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》[17]中鋼板加固RC梁抗彎和抗剪承載力計算公式，反推了極限荷載值。在規(guī)范中并沒有考慮鋼筋的銹蝕，銹蝕鋼筋截面積和屈服強度采用文獻[11]中的理論模型。

對于梁PUC和梁PSU，文獻[1]中極限荷載計算模型是根據(jù)《混凝土加固設(shè)計規(guī)范》[17]抗彎承載力計算方法改進而來，并考慮U型箍對抗彎承載力的作用。梁PUC抗彎極限荷載規(guī)范值比Pul小，這是因為規(guī)范值沒有考慮U型箍對抗彎性能的影響。梁PSU極限荷載計算模型還考慮了支座處由于鋼筋銹蝕導致混凝土提前破壞時的鋼板受力情況，但規(guī)范中并沒有考慮，因此，表2中的規(guī)范計算值比Pul大。

從表2中可以看出，文獻[1，11]中的理論模型能夠更精確地預(yù)測加固梁的極限荷載。加固梁的極限荷載試驗值和理論值之間比值在0.94～1.01之間，說明3種加固方式的加固效果達到了理論預(yù)期。

2.1 破壞模式

圖5展示了部分試驗梁的破壞模式。從圖5可以看出，梁P1和梁P2的破壞模式是由受拉鋼筋屈服和頂部混凝土壓碎所引起的受彎破壞，屬于正常的普通簡支梁破壞模式?？箯澕庸塘篜SC-0、PSC-1、PSC-2和PSC-3的破壞模式為斜拉破壞，而且抗彎加固銹蝕梁鋼板邊緣處受拉區(qū)混凝土與鋼板一起脫落。此破壞模式由以下原因造成：在鋼板邊緣與支座之間存在未加固區(qū)域，底面鋼板加固顯著增強了梁的抗彎性能，這可以從表2中的抗彎和抗剪極限荷載看出，抗彎和抗剪承載力差值較大導致加固鋼板與未加固區(qū)域邊緣容易出現(xiàn)斜裂縫，在未加固區(qū)抗剪能力沒有增強的情況下，鋼板抑制了彎曲裂縫的發(fā)展。對于未銹蝕梁PSC-0，斜裂縫出現(xiàn)后，斜裂縫迅速向斜上方約45°發(fā)展，最終導致了斜拉破壞。對于銹蝕加固梁PSC-1、PSC-2和PSC-3而言，鋼筋銹蝕導致鋼筋與受拉區(qū)混凝土之間的粘結(jié)作用降低，斜裂縫沿著縱向鋼筋與混凝土接觸面發(fā)展，最終導致混凝土隨鋼板脫落。

結(jié)合荷載撓度分析結(jié)果可以看出，雖然同一荷載下，梁PUC的抗變形能力低于梁PSU和梁PSC-3，但其整體延性比梁PSC-3要大。另外，鋼板厚度的增加對抗彎加固銹蝕梁的抗變形能力有積極作用，但整體延性卻是隨鋼板厚度增加先增后減。因此可以表明，對于抗變形能力弱的抗剪加固銹蝕梁，其整體延性并不一定比其他加固梁弱，鋼板厚度增加并不能始終有利于抗彎加固銹蝕梁的承載性能，評價其加固效果時需綜合考慮抗變形能力和延性。

3 結(jié)論

通過靜力荷載試驗對比分析了鋼板抗彎加固、抗剪加固和抗彎抗剪組合加固銹蝕RC梁在承載力、變形、破壞模式和延性等方面的特點，分析了不同加固方式的優(yōu)缺點，根據(jù)試驗和分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1）與銹蝕梁和不銹蝕梁相比，鋼板加固能有效提高梁的極限承載力。

組合加固效果最明顯，其極限承載力比銹蝕梁提高了107.7%。抗彎加固銹蝕梁鋼板厚度分別為3、4、5 mm時，厚度每增加1 mm，其極承載力增加7～18 kN。

2）每種加固方式都能提高銹蝕梁的抗變形性能，組合加固銹蝕梁的抗變形能力最強，其次是抗彎加固銹蝕梁，同時，鋼板厚度的增加對抗彎加固銹蝕梁的抗變形能力有積極作用。

3）組合加固比其他兩種加固方式能更有效地提高銹蝕梁的延性，相比銹蝕梁延性提高達320.4%，其次是抗剪加固銹蝕梁。抗彎加固銹蝕梁的延性相比前兩種梁都要小，并且隨著鋼板厚度的增加先增加后減小。評價抗彎和抗剪加固銹蝕梁的加固效果時需綜合考慮抗變形能力和延性。參考文獻：

[1] 唐皇. 鋼板加固銹蝕RC梁承載性能試驗研究和理論分析 [D]. 長沙， 長沙理工大學， 2017.

TANG H. Experimental research and theoretical analysis of bearing capacity of corroded RC beams strengthened by steel plate [D]. Changsha： Changsha University of Science and Technology， 2017. （in Chinese）

[2] AYKAC S， KALKAN I， AYKAC B， et al. Strengthening and repair of reinforced concrete beams using external steel plates [J]. Journal of Structural Engineering， 2013， 139（6）： 929-939.

[3] CHANG X， WU Y F. An analytical model for predicting the response of RC beams strengthened with strain localized steel plate [J]. Construction and Building Materials， 2015， 74： 140-150.

[4] 吳振麗， 陸洲導， 李凌志， 等. 梁側(cè)錨固鋼板法加固混凝土梁的非線性有限元分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2019， 47（7）： 906-913.

WU Z L， LU Z D， LI L Z，et al. Non-linear finite element analysis of bolted side-plated beams [J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2019， 47（7）： 906-913. （in Chinese）

[5] 劉陽， 陳海， 郭子雄， 等. U形預(yù)應(yīng)力鋼板箍加固T形截面鋼筋混凝土梁受剪性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2019， 40（9）： 113-121.

LIU Y， CHEN H， GUO Z X， et al. Experimental study on shear performance of T-shaped RC beams strengthened with U-shaped prestressed steel jackets[J]. Journal of Building Structures， 2019， 40（9）： 113-121. （in Chinese）

[6] 任偉， 賀拴海， 趙小星， 等. 黏貼鋼板加固持荷鋼筋混凝土T型梁模型試驗[J]. 中國公路學報， 2008， 21（3）： 64-68.

REN W， HE Q H， ZHAO X X，et al. Model test on preloaded RC T-beam strengthened by bonded steel plates [J]. China Journal of Highway and Transport， 2008， 21（3）： 64-68. （in Chinese）

[7] 林于東， 宗周紅， 陳宏磊. 粘鋼加固混凝土梁受剪性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2011， 32（8）： 90-98.

LIN Y D， ZONG Z H， CHEN H L. Experimental study on shear performance of concrete beams strengthened with steel plates [J]. Journal of Building Structures， 2011， 32（8）： 90-98. （in Chinese）

[8] 劉來君， 秦煜， 張艷， 等. 二次受力對粘貼鋼板加固梁承載力的影響[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2011， 31（1）： 46-50.

LIU L J， QIN Y， ZHANG Y， et al. Effects of re-force on steel-strengthened reinforced beams capacity [J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2011， 31（1）： 46-50.（in Chinese）

[9] PENG J X， TANG H， ZHANG J R. Structural behavior of corroded reinforced concrete beams strengthened with steel plate [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2017， 31（4）： 04017013.

[10] 張建仁， 唐皇， 彭建新， 等. 鋼板加固銹蝕RC梁短期撓度計算方法和試驗[J]. 中國公路學報， 2015， 28（10）： 41-50.

ZHANG J R， TANG H， PENG J X， et al. Calculating method and test research of short-term deflection of corroded RC beam strengthened by steel plate [J]. China Journal of Highway and Transport， 2015， 28（10）： 41-50.（in Chinese）

[11] 張建仁， 唐皇， 彭建新， 等. 錨貼鋼板加固RC銹蝕梁承載力計算方法與試驗研究[J]. 工程力學， 2015， 32（3）： 97-103.

ZHANG J R， TANG H， PENG J X， et al. Calculation method and experimental study on corroded RC beams strengthened by steel plant anchored with stud [J]. Engineering Mechanics， 2015， 32（3）： 97-103. （in Chinese）

[12] TANG H， PENG J X， ZHANG J R. Influence of further corrosion on structural behavior of corroded reinforced-concrete beam strengthened with steel plate using different strengthening schemes [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2020， 34（2）： 04019117.

[13] 張建仁， 肖林發(fā)， 彭建新， 等. U型箍加固銹蝕RC梁的抗彎性能試驗研究及數(shù)值分析[J]. 工程力學， 2018， 35（8）： 111-121.

ZHANG J R， XIAO L F， PENG J X， et al. Experimental study and numerical analysis of corroded RC beams strengthened with U-shaped plate [J]. Engineering Mechanics， 2018， 35（8）： 111-121.（in Chinese）

[14] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范： JTG D 62—2004[S]. 北京： 人民交通出版社， 2004.

Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts： JTG D 62-2004 [S]. Beijing： China Communications Press， 2004. （in Chinese）

[15] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范： JTG 3362—2018[S]. 北京： 人民交通出版社， 2018.

Specifications for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts： JTG 3362-2018 [S]. Beijing： China Communications Press， 2018.（in Chinese）

[16] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范： GB 50010—2010[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

Code for design of concrete structures： GB 50010-2010[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2011. （in Chinese）

[17] 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范： GB 50367—2013[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

Code for design of strengthening concrete structure： GB 50367-2013[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2014. （in Chinese）

[18] KHEYRODDIN A， NADERPOUR H. Plastic hinge rotation capacity of reinforced concrete beams [J]. International Journal of Civil Engineering， 2007， 5（1）： 30-47.

（編輯 胡英奎）