錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁試驗研究

摘要：

為了研究銹蝕鋼筋混凝土梁采用鋼板錨貼加固后的力學性能，設計了12根鋼筋混凝土梁，以設計銹蝕率為10%進行電化學快速銹蝕。在錨貼鋼板加固前進行預壓試驗，裂縫寬度控制為02 mm。按保護層厚度分為3組，每組1根對比梁，其余3根分別按鋼板厚度3、4、5 mm進行錨貼鋼板加固。加載對比試驗研究表明：錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁的跨中截面應變基本符合平截面假定，正常使用性能得到明顯改善，且極限承載力亦有明顯提高。錨貼鋼板有效地減小了銹蝕鋼筋混凝土梁的裂縫寬度和裂縫延伸高度，在相同保護層和銹蝕率相近時，鋼板厚度增加3～5 mm導致其撓度減小，且減小幅度為13%～51%。保護層厚度對加固梁的極限承載力影響不明顯。

關鍵詞：

鋼筋混凝土梁；鋼板；加固；裂縫；撓度；承載力

中圖分類號：

TU3751

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2015）01008808

Experimental analysis of strengthening effect of corroded reinforced concrete beams strengthened with bolted steel plates

Peng Jianxin，Li Ju，Tang Huang，Zhang Jianren

（Key Lab for Safety Control of Bridge Engineering by Hunan Province and Ministry of Education， Changsha University of Science Technology， Changsha 410114， P R China）

Abstract：

In order to study the mechanical behavior of corroded reinforced concrete beams strengthened with bolted steel plates， this paper designed 12 reinforced concrete beams. These beams were corroded by using accelerated electrochemical corrosion method with a designed corrosion ratio of 10%. The precompression experiments were performed for all RC beams before strengthening and the maximum crack width was controlled as 02 mm. According to the thickness of concrete cover， the beams were divided into 3 groups. Each group was composed of one comparative beam and three tested beams strengthened by steel plates bolted with study according to the thickness of steel plates which were 3 mm， 4 mm and 5 mm， respectively. It was shown that the strain distributions along the height of the strengthened beams at middlespan were in good agreement with the plain section assumption basically. The serviceability performances of corroded RC beams were significantly improved and these ultimate bearing capacities increased obviously. The steel plate bolted with stud effectively reduced the crack width and the extension height of reinforced concrete beams. It was indicated that an increase of steel plates with 35 mm resulted in a decrease of deflection by 13%51% when beams had the same thickness of concrete cover and corrosion ratio. Influence of the thickness of concrete cover on the ultimate bearing capacity was not obvious.

Key words：

corroded reinforced concrete beam；steel plate；strengthening；crack；deflection；bearing capacity

在橋梁長期運行過程中，車輛軸重的增加、雨水的侵蝕都會導致鋼筋的銹蝕、混凝土的開裂，使得橋梁承載力降低、耐久性不足。學者們在鋼筋混凝土梁的銹蝕和加固方面做了大量研究。牛荻濤等[1]認為鋼筋銹蝕程度對梁的承載力有明顯影響，鋼筋銹蝕率越大，承載力越小。金偉良等[2]給出了銹蝕鋼筋混凝土梁（以下簡稱銹蝕RC梁）受彎承載力計算模型，通過試驗數據驗證了模型的正確性。張建仁等[3]結合48片鋼筋混凝土梁的抗彎試驗數據，探討了不同銹蝕率的鋼筋混凝土矩形梁極限抗彎承載力的變化規律，推導出了銹蝕鋼筋混凝土正截面抗彎承載力的計算公式。Goitseone等[4]通過試驗研究了銹蝕RC梁在不同持續荷載下的結構行為。

目前鋼筋混凝土梁加固方法主要有加大截面法、外粘型鋼法、粘貼纖維復合材法、粘貼鋼板法和錨貼鋼板法，研究較多的主要是后兩種加固方法。已有試驗研究[511]通過對加固梁的裂縫、應變、破壞模式和鋼板寬厚比等因素進行分析，發現梁底粘貼鋼板不僅能明顯提高梁的極限抗彎承載力，而且可以明顯減小構件的撓度和裂縫寬度。而梁底錨貼鋼板是通過錨栓固定鋼板使得梁除了具有粘剛加固的特點外，還能有效地防止鋼板脫落[1214]。Sabahattin等[15]對13根梁進行了錨貼鋼板加固的試驗研究，研究表明加固梁的極限承載力有顯著提高，其延性隨著鋼板厚度的減小而增加。宋一凡等[16]的研究表明錨貼鋼板加固法可明顯提高RC梁的承載力、改善抗變形能力，通過理論分析，提出了錨貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的計算方法。

彭建新，等：錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁試驗研究

由于目前關于錨貼鋼板加固的研究大部分都是在梁未銹蝕的情況下進行的，銹蝕RC梁加固后的力學行為以及加固效果的報道相對較少。因此，筆者在考慮銹蝕的條件下進行錨貼鋼板加固的對比試驗研究，通過對裂縫、破壞模式、鋼板厚度等來驗證錨貼鋼板法對銹蝕RC梁的加固效果。

1試驗概況

11試驗設計

采用的12根試驗梁按保護層厚度不同分為3組，混凝土強度為C25，每組中1根梁只銹蝕不加固。12根梁的尺寸以及配筋均相同，其中截面尺寸為300 mm×150 mm，長度為18 m。梁底主筋配2根直徑22 mm的螺紋鋼筋，架立筋直徑為14 mm，箍筋直徑為8 mm，箍筋間距100 mm，如圖1所示。實測梁底所配受拉鋼筋的屈服強度（fy）為335 MPa，極限屈服強度441 MPa，彈性模量為20×105MPa。銹蝕后的鋼筋強度也可由此換算得到。由標準試塊試驗測得混凝土軸心抗壓強度（fc）為18～258 MPa。試驗中縱向受拉鋼筋的銹蝕采用電化學腐蝕方法，先將鋼筋混凝土梁浸泡在濃度5%的NaCl溶液中，以不銹鋼板作為陰極，鋼筋作為陽極，用恒定的直流電源通電腐蝕到設計的銹蝕率10%，電流密度為02 mA/cm2，通電時間按法拉第定律計算。待試驗全部完成后，從試驗梁中取出銹蝕鋼筋，用稀鹽酸除去鋼筋表面的鐵銹，測定鋼筋的實際銹蝕率。為了模擬實際工程中銹蝕RC梁受荷載作用存在裂縫的受力狀態，在鋼筋銹蝕后對梁進行預壓試驗。采用單點加載方式，以最大裂縫寬度不超過02 mm來加以控制。卸載后對梁進行加固，加固鋼板為Q235，長1 400 mm，寬100 mm，厚度分別為3、4、5 mm，加固所用鋼板的屈服強度為235 MPa。錨栓采用固特邦公司的JNS錨栓，參數如表1所示，結構膠采用固特邦公司的JN建筑結構膠。加固情況如表2所示。試驗所測參數及試驗梁的其他參數列入表3。

圖1試驗梁尺寸及配筋圖（單位：mm）

Fig.1The dimension and reinforcing bars of test beams

表1錨栓的參數

Table 1Parameters of anchor bolts

螺桿尺寸螺桿應截面積/mm2設計抗拉力/kN設計抗剪力/kN破壞錨固力/kN孔徑直徑D/mm鉆孔深度h/mm最大安裝厚度t/mm

M12×16084.317.417.8≥43.81411025

表2試驗梁的加固參數

Table 2The situation of test beams strengthening

試驗分組梁號保護層厚度/mm設計銹蝕率/%加固鋼板厚度/mm實際銹蝕率/%

第1組

B1251039.60

B22510411.20

B32510511.60

BX2510012.10

第2組

B4301037.43

B53010410.30

B63010510.94

BY301009.20

第3組

B7351039.15

B83510410.35

B93510510.40

BZ3510010.93

表3試驗梁參數

Table 3The parameters of test beams

梁號h0/mmx/mmfc/MPafyc/MPafyp/MPaAsc/mm2Ayp/mm2

B126496.5219332.3235687300

B2264101.3519331.7235674.9400

B3264105.1120331.6235671.8500

B425998.8718332.9235703.5300

B5259106.8518332235681.7400

B6259115.3718331.8235676.9500

B725477.5225.8332.4235690.5300

B825499.8120332.1235681.3400

B9254111.0319332235681500

12銹蝕梁的加固及加載方案

使用的錨貼鋼板加固方法是將事先鉆孔的鋼板在梁底就位，用電鉆對準鋼板孔并垂直梁底面往混凝土中打孔，接著清除孔內灰塵，將玻璃管錨固包推入孔底，為了防止鋼板脫落以及鋼板與混凝土產生滑移，用建筑結構膠將鋼板粘結在RC銹蝕梁上，最后用錨栓將鋼板固定，使得RC銹蝕梁、鋼板和錨栓三者成為一個整體。其施工快捷、方便，施工質量容易得到保證。

實驗梁采用單點分級加載，先進行的是對比梁的加載。首先以規范[17]計算出的未銹蝕梁的開裂荷載和極限荷載為依據對對比梁的兩值進行預估，然后將對比梁加載至預壓開裂值，隨即以5 kN一級加載至極限荷載預測值的80%，再以25 kN一級加載至梁體破壞。加固梁的加載以加固前梁的預壓試驗的開裂荷載為控制點，加固后每5 kN為一級加載到加固前的開裂荷載值，然后采用2 kN一級加載直到開裂，裂縫出現后每級增量為5 kN加載到對比梁的極限荷載的80%，隨即以每級增量不超過25 kN加載，直至梁最終破壞。在梁跨中的側面布置6個應變片測量混凝土應變，在鋼板上布置12個應變片測量鋼板應變，在梁的兩端支座、跨中加載點以及梁的1/4和3/4位置各布置1個百分表測量梁的撓度。

試驗重點測量以下內容：跨中混凝土的應變、鋼板的應變、各級荷載下撓度、裂縫的發展情況，采用裂縫觀測儀測定裂縫的寬度等。加載裝置及儀表布置如圖2所示。

圖2加載裝置及儀表布置

Fig.2Loading fixture and instruments collocation

2試驗結果及分析

21加固前后荷載的對比

從表4中可以看出，加固后梁的開裂荷載比加固前的要大，達到控制裂縫寬度的荷載提高了43%～98%。由此可知，該加固方法可以有效地改善銹蝕RC梁的正常使用性能，并且能很好地抑制裂縫的擴展。

表4加固前后的荷載

Table 4The load before and after strengthening

梁號加固前

開裂荷載/kN裂縫0.2 mm時的荷載/kN加固后

開裂荷載/kN裂縫0.2 mm時的荷載/kN加固后的破壞荷載Pu/kN

B1156325110165

B2206435100155

B3177030100160

BX207085

B4207035120170

B5226730125160

B6307330110175

BY1870142

B7207530110160

B8306545115145

B9206350125175

BZ2575137

22試驗梁破壞特征分析

221保護層影響破壞時未加固梁BX是支座附近的斜裂縫擴展導致的斜拉破壞，主要是由于其保護層厚度較小，對梁的保護作用小，而銹蝕會造成混凝土脫落，導致梁的截面積和抗剪能力減小，而梁截面減小對抗剪能力的影響大于銹蝕對梁抗彎能力的影響。如圖3（a）所示，BY和BZ頂部混凝土被壓碎，是典型的適筋受彎破壞，加固后的梁均為斜裂縫迅速變寬導致的斜拉破壞。如圖3（b），B5和B6的斜拉破壞都是支座處的斜裂縫導致的破壞。如圖3（c），其余的加固梁與B8一樣都是位于鋼板端部對應位置的斜裂縫導致的破壞。鋼板厚度相同時，保護層越厚的梁的臨界斜裂縫的寬度越寬，破壞時的承載力卻無很大差別。

圖3部分試件梁的破壞特征

Fig.3The failure features of part of test beams

222鋼板影響保護層厚度相同時，加固鋼板越厚的梁自臨界斜裂縫出現后到梁破壞，能承受加載的時間更久，撓度越小，即抗變形能力更大，破壞斜裂縫沿水平方向的延伸越長。鋼板加固改變了銹蝕RC梁的破壞模式是因為隨著荷載的增加，臨界斜裂縫迅速往荷載墊板方向伸展，左右兩端對稱的臨界斜裂縫寬度急劇增大，使梁體混凝土裂通，將梁與鋼板整體撕裂成兩部分，喪失承載力。梁破壞時，鋼板與錨栓均未脫落與移動，說明此種加固方法通過結構膠和錨栓將鋼板與混凝土梁有效地凝結為了一個整體。同時為了防止斜拉破壞以及使鋼板更有效地與混凝土的協同工作，建議以后的研究中在彎剪區進行U型箍加固。

23裂縫分析

與對比梁相比，加固梁側面的裂縫出現得較晚且發展緩慢，錨貼鋼板加固梁的開裂荷載比未加固梁提高了50%～150%。由圖4可知，構件開裂后在同一荷載作用下，加固梁的裂縫寬度和裂縫延伸高度比對比梁的小，說明鋼板加固能很好地抑制裂縫的擴展。加固后梁的垂直裂縫基本在預裂裂縫基礎上發展，裂縫沿梁長分布較均勻。在加載后期，斜裂縫出現且發展迅速，使得少許垂直裂縫的寬度變窄甚至消失不見。由于是采用單點加載方式，梁的所有裂縫都有向加載點傾斜延伸的趨勢。保護層厚度相同且銹蝕率相近時，加固所用鋼板厚度越小的銹蝕RC梁，裂縫越細密，表明鋼板對梁的箍緊作用越明顯。錨貼鋼板加固銹蝕RC梁不僅可以提高構件的開裂荷載，還可以有效地減緩裂縫的擴展，彌補了銹蝕對裂縫的不利影響。因此，加固所用的鋼板不宜太厚，寬厚比要適中。

圖4試驗梁裂縫分布圖

Fig.4Cracking distributions of test beams

24加固效果影響參數分析

241鋼板厚度對加固效果的影響由于梁的實際銹蝕率與設計值有偏差，對梁的極限承載力與撓度均有影響，因此在分析中著重對比銹蝕率最相近的梁。由圖5可以看出，與相應的對比梁相比可知，同一荷載作用下，加固梁的平均撓度明顯小于對比梁，即加固梁具有更好的抵抗變形的能力。

1）保護層厚度為25 mm的加固梁的極限撓度有明顯減小，平均減小幅度為22%。保護層厚度為30 mm的加固梁，極限撓度減小幅度為26%～35%，平均減小29%。保護層厚度為35 mm的加固梁極限撓度減小幅度為13%～51%，平均減小32%。

2）由圖5分析可知，在加載初期，鋼板與混凝土協調變形，撓度曲線呈線彈性增長；在正常使用階段，加固梁的撓度基本呈線性增長，發展平緩；加固梁的鋼板及鋼筋屈服時，曲線有明顯的拐點。保護層厚度相同且銹蝕率相近時，同一荷載作用下，加固梁的撓度明顯小于對比梁，有效地提高了梁的剛度，但加固梁的延性卻降低了，加固鋼板越厚的梁降低幅度越大。隨著鋼板厚度的增加，加固梁的跨中撓度越小，剛度增大，極限承載力增大。由此表明，錨貼鋼板加固可以有效提高銹蝕RC梁的抗彎性能，亦要選擇厚度適宜的鋼板以便保證其得到充分利用。

圖5荷載撓度曲線

Fig.5Load versus midspan deflection curves of specimens

242保護層對加固效果的影響由圖6可知，鋼板厚度為3 mm的梁的極限承載力相差很??；鋼板厚度為4 mm的梁，從初始到加載至100 kN時，梁的撓度曲線基本一致，100 kN以后，保護層厚度越大的梁撓度略小一些；鋼板厚度為5 mm的梁加載到90 kN時，撓度曲線基本一致，隨著荷載的增加，保護層厚度越大，撓度越小，抗彎剛度更大，但極限承載力亦相差不大。由此可見，鋼板厚度相同且銹蝕率相近的情況下，保護層厚度越大，加固梁的開裂荷載越高，極限承載力相差較小。表明保護層厚度對梁的正常使用性能影響較大，但對極限承載力影響較小，主要是因為加固梁的銹蝕率對承載力的影響大于保護層對承載力的影響。

圖6荷載撓度曲線

Fig.6Load versus midspan deflection curves of specimens

25應變分析

由圖7可知，加固梁與對比梁的跨中截面應變隨著荷載的增加，沿梁截面高度基本呈線性分布，符合平截面假定。隨著荷載的增加，對比梁的中性軸上升較快；加固梁由于先進行了預壓試驗，因此加固后梁帶裂縫工作，初始加載階段，荷載主要由鋼筋承擔，中性軸上升較快；荷載增大，鋼板開始與混凝土協同工作，一起承擔荷載，使得中性軸有所下移。隨后裂縫寬度增大與延伸，鋼板得到更多的利用，梁有了更大的變形能力，造成中性軸的上移，受壓區減小。在加載后期，由于斜裂縫的擴展以及鋼板的局部屈服，曲線逐漸變得不規則，鋼板與梁的協調性也慢慢變差。

圖7試驗梁跨中沿截面高度應變的變化

Fig.7Strain profile at midspan crosssection of specimens

26承載力分析

已有研究表明，鋼筋銹蝕使鋼筋截面面積減小，削弱鋼筋與混凝土間的粘結，從而對結構的承載能力產生顯著影響。由表4可知，較對比梁而言，銹蝕RC梁加固后的承載力有了明顯的提高。保護層為25 mm的梁極限承載力明顯提高，B1、B2和B3提高幅度分別為94%、82%和88%，B1的承載力比B2和B3的大是因為B1的實際銹蝕率相對小一些；保護層30 mm的梁極限承載力提高13%～23%，保護層35 mm的梁極限承載力的提高幅度為6%～28%。鋼板越厚的加固梁，極限承載力提升越多，而不同保護層的梁的極限承載力大致相同。

由于錨栓的橫截面積滿足要求且受壓區高度未超過界限受壓高度，鋼板和受拉縱筋能達到屈服強度，因此錨貼鋼板加固銹蝕RC梁受彎承載力可以采用類似文獻[17]的計算方法，其中，由于架立筋主要是用來定位受拉主筋的位置以及混凝土強度滿足要求，不考慮其受力。而試驗加入了銹蝕因素，銹蝕鋼筋與混凝土的協同作用減弱，需要對銹蝕鋼筋強度的利用率進行折減，因此引入文獻[1819]的銹蝕鋼筋強度利用參數來模擬鋼筋因銹蝕導致作用的減弱。由試驗結果可知，混凝土梁的變形符合平截面假定。此外，為了公式的推導，作如下假定：1）不考慮混凝土的抗拉強度；2）鋼板和鋼筋均為理想彈塑性材料；3）鋼板、結構膠和混凝土變形協調，未發生相對滑移。按文獻[17]計算簡圖可以表示圖8。

圖8承載力計算簡圖

Fig.8Calculation of bearing capacity

由平衡條件可得

αscfycAsc+fypAyp=α1fcbx（1）

Mu=α1fcbxh-x2+tp2-αscfycAscas+tp2（2）

式中：αsc為銹蝕鋼筋的強度利用系數；tp為鋼板厚度；as為鋼筋截面重心到受拉邊緣的距離；fyc和fyp分別為銹蝕鋼筋和加固鋼板的抗拉強度設計值；Asc和Ayp分別為銹蝕鋼筋和鋼板的截面面積。

由文獻[18]可得，銹蝕鋼筋的強度利用系數αsc可分3種方式確定。由于試驗結果所測得的鋼筋銹蝕深度大于03 mm，故取第2種方式。

αsc=1449-1822β0c，（β0c≤0444）

0922-0634β0c，（β0c>0444） （3）

式中：當αsc計算大于10時，取10。

銹蝕鋼筋混凝土梁的截面配筋指標由文獻[19]得到為

β0c=fycAscfcbh0（4）

其中：Asc=1-δAs（5）

fyc=1-1077δ1-δfy（6）

式中δ為鋼筋銹蝕率。

計算結果及試驗值以及兩者的比值在表5列出。由表5可知，計算值與試驗值符合良好。

表5試驗結果

Table 5The tested results

梁號銹蝕鋼筋強度利用系數αsc受壓區高度x/mmPu/kNPu提高幅度/%試驗值Msu/（kN·m）計算值Mju/（kN·m）Msu/Mju極限撓度/mm極限撓度減小幅度/%破壞模式

B10.8996.5216594.16661.901.079.8221.3斜拉破壞

B20.9101.3515582.36264.920.969.7721.7斜拉破壞

B30.94105.1116088.26470.800.909.5923.1斜拉破壞

BX8512.48斜拉破壞

B40.8498.8717019.76858.941.159.4526.2斜拉破壞

B50.86106.8516012.76463.341.018.3434.8斜拉破壞（支座）

B60.86115.3717523.27067.821.039.3127.3斜拉破壞（支座）

BY14212.80受彎適筋破壞

B71.0077.5216016.86467.920.9411.3213.5斜拉破壞

B80.9199.811455.85863.560.927.3450.7斜拉破壞

B90.88111.0317527.77068.511.0210.1330.9斜拉破壞

BZ13714.88受彎適筋破壞

3結論

根據試驗結果和數據分析，可以得出以下結論：

1）錨貼鋼板加固銹蝕RC梁可以有效地提高極限承載力，提高幅度可達6%～94%，幅度跨度大的原因是對比梁BX的銹蝕率超出設計銹蝕率21%，導致其極限承載力明顯比BY和BZ的小。極限撓度明顯減小，減小幅度為13%～51%。

2）加固梁至始至終沒有發生鋼板剝離破壞，而是發生的斜拉破壞，說明錨栓與結構膠共同錨貼鋼板能夠很好地保證鋼板與梁的協同作用。梁破壞時沒有明顯的預兆，加固梁的延性較差。

3）錨貼鋼板加固銹蝕RC梁的跨中截面應變隨荷載的增加仍基本符合平截面假定。

4）保護層厚度相同且銹蝕率相近時，鋼板厚度越大，加固梁的承載力越高，但提高幅度不大，故需選擇合適厚度的鋼板以保證其有效利用；同一荷載下，鋼板厚度越大，梁撓度越小。銹蝕率較大且鋼板厚度相同時，保護層厚度對加固后的銹蝕RC梁影響不大。

5）給出了錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力計算方法。另外，為了保證鋼板能更有效地與混凝土協同工作，建議以后研究中在梁彎剪區用U型鋼板箍加固。

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（編輯胡英奎）