粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究

羅潤澤 （四川省西南建科建筑工程技術有限公司，四川 成都 610000）

鋼筋混凝土結構在現代建筑中取得了廣泛應用，其材料的廉價性、結構的高強度性以及可塑性，極大地促進了城市的擴張和工業文明的發展[1-2]。盡管如此，受到自然因素以及人為因素的影響，諸如化學腐蝕、混凝土老化以及人為超載等，使得鋼筋混凝土結構在設計使用年限范圍內會產生開裂、老化和破損等現象，極大地影響著結構的功能需求和運營要求[3]。大量鋼筋混凝土建筑的建設，使得目前國內的混凝土結構加固和整治需求巨大，呈現日益增長的趨勢[4]。本文嘗試結合實際工程案例，采用不同的加固形式對鋼筋混凝土梁進行加固和室內試驗，研究其受力和變形特征，以期為混凝土結構加固工作提供借鑒。

1 工程概況

某政府地下停車場位于省會城市鬧市區，其中地下停車場修建于2002年，結構形式為地下二層鋼筋混凝土框架結構。基礎采用筏板基礎，樓面板與地下室頂板均采用鋼筋混凝土現澆板。由于長期的水土荷載作用，地下室頂板層大部分混凝土梁出現彎剪裂縫，主體結構安全性存在風險。為確保結構加固施工前主體結構的安全，根據《某政府地下停車場（含自行車庫）安全性技術鑒定報告》《某政府地下停車場（含自行車庫）應急支護方案設計》的要求，對該地下停車場進行了應急支撐施工，但對于地下結構的安全而言仍面臨著風險，對梁體結構的加固和整治成為首要任務。因此，根據某省建筑科學研究院出具的卸載加固施工圖紙，對地下停車場的梁體結構進行改造加固，改造加固主要內容方法如下：對頂板層X 向10.20m 跨主梁采用新增鋼筋混凝土柱增設一個或兩個支點減小其跨度；對頂板層Y 向9.0m 跨主梁采用錨栓鋼板抗剪、梁底粘鋼加固（鄰車道的采用增大截面后錨栓鋼板加固）；對頂板層Y 向9.0m 跨次梁采用體外預應力加固；對負一層部分主梁采用粘貼碳纖維布抗剪加固；對所有地下室主次梁體、樓板等進行裂縫修復。

2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內試驗研究

2.1 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁試驗材料及試驗方法

為了研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的承載和變形演變特征，在室內試驗中設計了3組鋼筋混凝土梁進行試驗，試驗采用的鋼筋混凝土梁寬度均為150mm，高度均為200mm，長度均為2000mm，鋼筋保護層厚度取為25mm。鋼筋配筋率均為0.8667%。混凝土強度等級為C35，混凝土的彈性模量采用室內試驗28d養護標準立方體抗壓強度實測求得，計算方法如公式（1）～公式（2）所示。A 組鋼筋混凝土梁（梁編號為L0）為無任何加固措施的對比組；B組為采用普通鋼板加固的鋼筋混凝土梁（梁編號為L1），普通鋼板的厚度為2.0mm，寬度為150mm，長度為1700mm，粘貼時鋼板端部距離制作距離為50mm，粘鋼率為1.0%；C 組為采用不銹鋼鋼板加固的鋼筋混凝土梁（梁編號為L2），不銹鋼鋼板的厚度為2.0mm，寬度為150mm，長度為1700mm，粘貼時鋼板端部距離制作距離為50mm，粘鋼率為1.0%。

式中Ec為鋼筋混凝土梁的彈性模量；αc1為混凝土棱柱體強度與立方體強度的比率；αc2為脆性折減系數；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值；fcu,k為立方體混凝土抗壓強度標準值。

試驗時，為確保鋼筋混凝土梁處于受力純彎曲狀態，采用三點簡支加壓的方式進行加載，將鋼筋混凝土梁分為3 等分，上部的荷載通過千斤頂加載，反力架提供荷載并傳遞至分配梁，分配梁將荷載以等分的形式作用于鋼筋混凝土梁。試驗加載前先進行預壓，預壓的荷載大小約10%Pmax，正式加載后，荷載的加載方式分兩個階段，在鋼筋混凝土梁出現裂縫之前，預壓的荷載增加幅度按照2%Pmax進行加載，每個等級的荷載持續時間約10min，在鋼筋混凝土梁出現裂縫之后，預壓的荷載增加幅度按照5%Pmax進行加載，直至構件受力和變形進入屈服狀態。在觀測荷載變化的同時，在鋼筋混凝土梁的跨中位置也布置了應變片，用于觀測跨中撓度隨著荷載的變化，粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內試驗裝置如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內試驗裝置

2.2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁試驗結果分析

圖2為3組不同加固方案的鋼筋混凝土梁荷載-撓度的變化曲線。從圖2（a）中可以看出，在無加固措施條件下，鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線在加載初期呈現線形變化的規律，當跨中撓度發展至15mm時梁結構仍處于彈性工作狀態；隨后鋼筋混凝土梁出現細微裂紋，結構進入彈塑性工作狀態，隨著撓度的增加，荷載的增幅較慢，且為非線性變化，裂紋出現不斷擴張的趨勢，混凝土發出劈裂聲音，跨中撓度處于20.50mm～31.20mm 范圍內，結構的裂縫不斷向上發展，但仍小于0.1mm；在跨中撓度發展為39.50mm 時，鋼筋混凝土梁的承載能力達到峰值，極限承載力約90kN，裂縫擴展至結構受壓區，寬度約為0.2mm，隨后鋼筋混凝梁的荷載隨著撓度的增加而迅速減小并區域穩定，結構進入破壞狀態，仍具有一定的殘余承載力。A組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線為典型的鋼筋混凝土應力應變過程，整體為彈性階段-彈塑性階段-破壞階段的演變過程，具有明顯的延性破壞特征。

從圖2（b）中可以看出，在加入普通鋼板（Q235鋼）對鋼筋混凝土梁進行補強的情況下，結構的荷載-撓度曲線出現了明顯的變化，在荷載加載初期（跨中撓度小于12mm）時，結構處于彈性工作狀態；而跨中撓度范圍在12mm～17mm 時，進入彈塑性工作狀態，荷載隨著撓度的變化呈現非線性，其塑性工作范圍較小，跨中撓度為17mm時，荷載達到極限承載力，大小為115kN；在跨中撓度大于17mm之后，結構的荷載隨著撓度的增加呈現平穩狀態，并具有小幅度的下降，在跨中撓度為38mm 時，鋼筋混凝土梁才首次出現裂縫，并不斷向受壓區發展；當跨中撓度發展至52.0mm 時，結構承載力出現斷崖式下跌，結構進入破壞狀態，具有明顯的脆性破壞特征。

從圖2（c）中可以看出，在加入不銹鋼鋼板（S304鋼）對鋼筋混凝土梁進行補強的情況下，結構的荷載-撓度曲線與加入普通鋼板的梁結構荷載-撓度曲線呈現顯著差異。在荷載加載初期（跨中撓度小于5mm）時，結構處于彈性工作狀態；隨后結構出現3 條并行的裂縫，分別處于跨中位置以及分配梁支點位置，分配梁支點位置的裂縫主要在受壓區內進行擴張，梁結構進入彈塑性發展狀態；在跨中撓度發展至9.8mm時；不銹鋼鋼板與梁結構之間存在應力集中，梁結構發生脆性剝離破壞，結構的荷載達到極限值，約98kN。

圖2 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁室內試驗結果

綜合分析可知，在無加固、普通鋼板加固以及不銹鋼鋼板3種情況下，采用普通鋼板加固可以大幅度提高梁結構的極限承載力，且應力應變演變過程與普通鋼筋混凝土梁的較為相近，具有較大的彈性工作范圍，因此，在實際工程加固中可以優先選取普通鋼板進行加固。

3 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁現場施工技術分析

某政府地下停車場（含自行車庫）整個地下室分兩個施工大區，第一施工區域為1 軸線至5 軸線往6 軸線2m處，5軸線、6軸線余下部分至16軸線為第二施工區域。其中第一施工區域包含施工組1、施工組2、施工組3；第二施工區域包含施工組4、施工組5、施工組6、施工組7、施工組8。第一施工區域所有頂升卸載一次性同批次完成，第二施工區域分兩次進行卸載。其中施工組4、施工組5、施工組6 為第一批次，施工組7、施工組8 為第二批次。每一施工批次各主要施工步驟安排如圖3 所示，圖中施工進度控制線：①→②→④→⑤→⑦→⑨→⑩→?→?→?→?→?。單位區域工期51d，總計劃工期102d。

圖3 粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁現場施工工期布置

粘鋼加固采用的鋼板、型鋼為Q235-B 鋼材，其各項技術指標必須符合規范的有關規定；粘鋼用結構膠采用武漢長江生產的JGN 灌注型建筑結構粘鋼膠，鋼對鋼T沖擊剝離長度為0mm。粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的具體施工步驟為按照設計尺寸進行加固鋼板的下料；待鋼板下好后，按設計尺寸及工藝要求在鋼板上鉆錨栓孔；按照設計要求，在指定的位置彈線，將需粘鋼處及鉆孔螺栓位置放樣于原混凝土結構上，在需要螺栓固定的位置進行鉆孔；將鋼板及角鋼緊貼于過梁面并用綴條連接固定，在其粘貼面墊2mm～3mm鐵皮或鐵絲；待鋼板安裝好后，采用水泥漿泥將鋼板邊封閉；檢驗合格后進行防火、防腐處理。

4 結語

以某政府地下停車場（含自行車庫）混凝土梁加固項目為例，采用室內試驗的方法對3種不同加固形式的混凝土梁進行試驗，并對現場粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁施工方法進行了分析，得到以下幾個結論：

（1）A 組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線為典型的鋼筋混凝土應力應變過程，具有明顯的延性破壞特征；B組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線具有明顯的脆性破壞特征；C 組鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線呈現脆性剝離破壞特征；

（2）在無加固、普通鋼板加固以及不銹鋼鋼板3 種情況下，采用普通鋼板加固可以大幅度提高梁結構的極限承載力，且應力應變演變過程與普通鋼筋混凝土梁的較為相近，具有較大的彈性工作范圍，因此，在實際工程加固中可以優先選取普通鋼板進行加固。