粘鋼加固技術的應用和研究現狀

徐永波 (安徽省建筑設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

鋼筋混凝土在建筑、水利水電、橋隧、鐵道等土木工程領域應用廣泛。隨著鋼筋混凝土結構設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構的使用年限是50年，加之我國是一個受自然災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，或因技術落后無法滿足繼續使用要求；建筑的使用功能的改變及設計、施工缺陷所帶來的混凝土結構的加固問題也日益常見[1]。根據相關資料顯示，與新建相比，改建有節約投資、縮短工期、收回投資快等優點[2]。為了保證鋼筋混凝土建筑物的安全，延長其使用壽命，鋼筋混凝土結構的加固改造越來越受到人們的重視。而通過對現有鋼筋混凝土結構采取相應的補強加固措施，可以節省大量的人力和物力，具有巨大的經濟效益和社會效益。

粘貼鋼板或纖維復合板等板材加固鋼筋混凝土結構是一個備受關注和廣泛應用的加固方法[3,4]，其中，粘鋼加固法是在混凝土構件表面用膠結劑把鋼板粘結在鋼筋混凝土結構表面，該法具有適用面廣、不影響結構外形、施工簡單快速等優點，隨著膠結劑的發展，粘鋼加固法的應用范圍越來越廣。本文對粘鋼加固法的發展應用情況進行總結，從而為鋼筋混凝土結構的補強加固提供參考。

1 粘鋼加固法的原理及優勢

1.1 粘鋼加固法的原理

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

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學性質差異很大的材料組成，由于鋼筋的拉壓性能優異，而混凝土材料抗壓性能好，抗拉性能差，因此鋼筋混凝土結構在受彎時，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構的受拉區通過粘貼鋼板，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，提供混凝土結構的承載力[5]。

由于鋼結構容易銹蝕，粘鋼加固法加固鋼筋混凝土結構時,應對外粘鋼板進行一定的防銹處理。鋼板是通過膠結劑粘貼在混凝土的表面，為了充分發揮鋼板的作用，鋼板與混凝土表面之間必須有足夠的粘結強度，能承受由于相對滑移沿鋼板與混凝土之間產生的剪應力，也稱為粘結力。加固鋼板與混凝土之間通過粘結力來傳遞應力，因此鋼板與混凝土之間的粘結力是保證粘鋼加固能正常工作的前提。

1.2 粘鋼加固法的優勢

粘鋼加固與其他傳統加固技術相比，具有如下優點[5-8]。

①膠結劑層和加固鋼板的厚度不超過10mm，加固后結構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構外觀。

②專用結構膠結劑的膠層強度高于混凝土的強度，可保證粘結的鋼板與混凝土協調工作，共同承擔荷載，較少產生應力集中的現象。

③粘貼鋼板相當于增大混凝土結構的配筋率，因而可以大大提高結構的承載能力，而且粘貼鋼板以后加強了混凝土結構的整體剛度，可有效阻止裂縫的產生及發展。

④粘鋼加固施工工藝簡單，通常不需要大的施工設備，且施工周期短，一般構件加固3天后即可受力使用，不影響混凝土結構的正常使用，適用于應急的加固工程。

⑤粘鋼加固經濟效益高。

綜上所述，粘鋼加固法從施工簡便性、美觀性、經濟效益和加固效果等方面，相對其他補強加固措施都有一定的優勢，因此粘鋼加固技術在鋼筋混凝土結構中得到廣泛應用。

2 粘鋼加固法國內外研究現狀

粘鋼加固法最早的應用出現于20世紀60年代中期的南非和法國[9]，研究人員采用環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。粘鋼加固從應用開始，就因其加固簡單、快捷、不影響結構外形、施工方便等優點，不僅在建筑的鋼筋混凝土結構加固中使用[10]，還應用在公路、橋梁中的鋼筋混凝土加固中。

2.1 國外粘鋼加固技術的應用和研究現狀

1967年，南非的King和Fleming首次將粘鋼加固技術用于素混凝土梁的加固[11]，從此，國內外開啟了粘鋼加固技術的探索之路。隨后，謝菲爾德大學的R.Jones等對少筋梁、超筋梁進行了粘鋼加固試驗研究，得到了粘鋼加固梁的破壞形態，并認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展并延伸[12]。R.N.Swamy通過對混凝土進行粘鋼加固試驗，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加固方法進行對比試驗研究，并對各種方法的優缺點做了全面的介紹[14]。在1988年，R.Jones對粘鋼加固混凝土梁的鋼板端部進行錨固試驗研究，并對鋼板、膠結劑與混凝土界面之間的相互作用進行了理論分析[15]。當采用粘鋼加固鋼筋混凝土梁時，鋼板端部容易出現應力集中的現象，鋼板易發生剝離破壞[16,17]，為此美國的T.M.Roberts等采用彈性力學和有限元方法對粘鋼加固梁進行了理論與數值分析，討論了減少鋼板端部應力集中的方法，并分析了粘鋼加固混凝土梁的正應力和剪應力在膠層的應力分布規律[16]，結果表明采用具有良好變形性能的粘結劑，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行了初探[17]，R.N.Swamy等人對在工業區暴露了12年左右的混凝土梁進行粘鋼加固，結果表明，粘鋼加固混凝土的力學性能較好[18]，隨后又探討了各種參數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上，在板端加錨栓的情況進行了研究[20]。

從以上分析可見，國外對粘鋼加固技術的優缺點、加固以后的鋼筋混凝土結構受力性能、粘鋼加固梁的粘結機理等方面進行了研究，但主要集中在室內試驗研究。

2.2 國內粘鋼加固技術的應用和研究現狀

我國于20世紀80年代開始對粘鋼加固技術進行分析和研究，法國斯貝西姆公司在1978年首次采用建筑結構膠對遼陽化工廠的一些混凝土梁進行外粘鋼板進行加固補強。隨后，中科院大連化物所研制成功了我國自己的建筑結構膠，極大促進了我國粘鋼加固技術的發展。

1989年，上海建筑科學研究所對粘鋼加固的受彎構件的受力性能和破壞形態進行了研究；顧慧娟、羅競寧等對少筋梁、適筋梁和超筋梁進行了粘鋼加固試驗，對加固梁的抗彎、抗剪及錨固性能進行了探討分析[21]；同年，四川省建筑科學研究院組織并編寫了《混凝土結構加固技術規范》。1991年，我國規范將加固使用范圍暫限定為鋼筋混凝土強度等級大于等于C20的混凝土結構構件[22]。劉祖華等根據彈性地基梁以及部分組合截面理論，推導了粘鋼加固梁鋼板與混凝土之間的剪應力解析解[23]，萬墨林、韓繼云等則通過分析混凝土加固結構的受力特征和破壞機理，提出了不同的粘鋼加固法應遵循的原則、設計構造及施工要點[7]。王天穩和廖理楊對粘鋼加固混凝土結構構件的正截面計算、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、破壞機理等進行了進一步的研究[25]。

在粘鋼加固試驗方面，1996年，同濟大學的黃勤則通過理論計算分析和試驗數據對比，探討了粘鋼加固結構的受力機理，并對RC等級、側板高度和厚度等參數對梁的強度和剛度影響進行了分析，并提出了在工程應用中建議[26]；吳耀輝通過粘鋼加固梁的試驗進行了粘鋼加固梁的粘貼滑移、早期破壞、錨固長度等方面進行了研究[27]；朱海峰通過粘鋼加固梁試驗對混凝土梁的受彎構件的短期剛度、撓度以及裂縫開展進行了研究[28]。梁叢中在2000年通過對兩個框架構件進行了低周反復荷載試驗，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合加固鋼筋混凝土梁的正截面破壞形態[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生在粘貼鋼板端部區域和彎曲、剪切裂縫附近[31]。2010年，彭德喜、李大慶等人對預應力粘鋼加固混凝土做了試驗研究，探索了預應力粘鋼加固對混凝土正常使用階段受力狀態的影響[32]。

近年來，通過大量的試驗研究和工程實踐，粘鋼加固技術在土木工程的加固補強上得到普遍認可，相應的粘鋼加固技術的實驗研究和理論分析也取得了不錯的進展。然而，鋼板與混凝土梁之間的粘結剝離問題是粘鋼加固的重要保證，因此還需要進一步研究。

3 粘鋼加固法的應用前景

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

隨著科技的發展，現代土木工程對安全性、使用壽命等方面提出了更高的要求，而當前土木工程結構仍然以鋼筋混凝土結構為主，可以推斷，未來粘鋼加固法依然有廣泛的應用前景。針對粘鋼加固法的鋼板與混凝土之間的剝離問題還需進一步研究，另外，還應對粘鋼加固法所用的膠結劑、二次受力、結構非線性及抗震性能等問題進行研究，從而使粘鋼加固技術趨于完善。

4 結 論

隨著土木工程結構物的不斷老化和規范的不斷提高，越來越多的鋼筋混凝土結構需要進行加固，而粘鋼加固法以其眾多優勢被廣泛應用于鋼筋混凝土結構。本文通過介紹粘鋼加固法的概念、原理、優勢及國內外研究現狀，對粘鋼加固法的應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用前景，國內外學者應針對粘鋼加固法的鋼板與混凝土的剝離問題、粘鋼加固用膠結劑、結構非線性問題、現場應用情況監測及抗震性能進行研究，使粘鋼加固技術趨于完善。

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