密封膠粘接加固受損鋼筋混凝土梁的影響分析

陳雙 莫憂 張琴

摘 要：建筑安全性為發展的重點，建筑結構工程鋼筋混凝土梁加固設計和建筑穩定程度具有密切關系，并且和建筑安全性相關。鋼筋混凝土梁在受損后的加固工作對建筑修復至關重要，關系著建筑經濟效益和安全性。在損傷后進行修復和加固的使用質量、壽命等具有密切關系。所以，國內外對鋼筋混凝土梁損傷進行了大量研究。研究分析了密封膠粘加固損傷鋼筋混凝土梁的性能，對損傷鋼筋混凝土梁密封膠粘加固的性能進行分析。從而能夠為鋼筋混凝土梁的損傷加固提供針對性建議。

關鍵詞：鋼筋混凝土梁；密封膠；粘結性能

中圖分類號：TQ436+.6

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0004-05

Effect analysis of damaged reinforced concrete beams strengthened with sealed adhesive

CHEN Shuang1，MO You2，ZHANG Qin1

（ 1.Guangan Vacational & Technical College，Guangan 638000，Sichuan China;2.Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China

）

Abstract：Aiming at the safety problem in the construction process，the test of reinforced concrete beam sealing adhesive reinforcement performance was proposed.ANSYS software was used to create the bond reinforcement model，simulate the process of the reinforced concrete beam from the beginning to the structural damage， and select raw materials for testing.We discussed the influence of the size on the bearing capacity of the beam tilt surface. The test results show that the plasticity of reinforced concrete is good，and the deformation ability of the concrete beam will be affected by the strength of the concrete，and it is easy to use，and can be applied in various construction projects.

Key words：reinforced concrete beam; sealant; adhesion property

加固鋼筋混凝土損傷能夠使建筑安全性得到增強，使建筑使用壽命延長，并且節約資源，使經濟效益得到提高［1］。密封膠材料裝修中的粘合力比較強，并且使用方便，不會損傷到墻面，備受建筑領域青睞。混凝土熱膨脹系數比較高，所以建筑留有接縫，接縫處密封材料的選擇為混凝土工程主要問題［2］。大部分混凝土工程將聚氨酯、瀝青、聚硫膠等作為接縫密封材料，但是此種材料容易流淌、脆裂，導致出現開裂、脫粘等情況。密封膠的耐老化性能和抗位移能力良好，在鋼筋混凝土梁加固工作中使用比較廣泛。在加固鋼筋混凝土過程中，混凝土材料為密封膠的受用對象，屬于多微孔和堿性的材料，對比石材、金屬和玻璃幕墻存在差別，所以對密封膠材料具有較高的要求。鋼筋混凝土梁具有較大的尺寸，所以對于密封膠變形適應能力與粘結力的要求比較高。另外，鋼筋混凝土和密封膠的粘接性能能夠保證加固作用。因此，本文對損傷鋼筋混凝土梁密封膠粘加固性能進行分析，針對此方面的研究具有重要作用［3］。

1 鋼筋混凝土梁加固對密封膠的要求

1.1 水密和氣密性能

在鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠的時候，氣密性和水密性的性能尤為重要。在鋼筋混凝土損傷加固過程中，如果具有較差氣密性與水密性，就會導致滲漏情況的出現，外界因素也會對鋼筋混凝土梁質量造成影響。只有使用良好氣密性和水密性的密封膠，才能夠在鋼筋混凝土梁損傷加固中實現連續不滲透層的創建，對損傷鋼筋混凝土梁進行修復與保護，使建筑安全性得到提高［4］。

1.2 蠕變性和力學性能

鋼筋混凝土梁在受到溫度、荷載和收縮等因素影響的時候，就會出現位移。另外，粘接面因為拉伸受力影響，密封膠在鋼筋混凝土梁損傷加固過程中具有一定蠕變性和彈性，受到外界因素影響會出現位移，密封膠也不會直接開裂導致粘接破壞，滿足位移變化需求，自由伸縮。還能夠恢復，在外界影響消失或者減弱的時候恢復原狀［5］。

1.3 耐候性

部分建筑鋼筋混凝土結構常見在外部環境中暴漏，會受到溫度、空氣和水分等影響。所以，在鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠的時候，就會長時間暴漏在陽光下，受到風雨雷電、紫外線等影響。另外，具有熱脹冷縮原理，會對密封膠造成傷害。在損傷鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠，此因素會傷害到密封膠。所以，密封膠在實現損傷鋼筋混凝土梁加固過程中要具備耐久性和耐候性，使其壽命得到延長［6］。

1.4 粘接性

密封膠在鋼筋混凝土梁損傷加固的過程中，粘接性能尤為重要，能夠對密封膠好壞進行評價。在加固鋼筋混凝土梁損傷過程中，使用密封膠的性能良好，實現修復、防水等作用。其粘接性能如果不好，就無法實現密封防水作用，還會導致鋼筋混凝土梁損傷效果降低。另外，多種因素都會對密封膠粘結性造成影響，鋼筋混凝土具有較大的孔洞，對于密封膠粘接性能會有所影響［7］。

2 粘接加固有限元模型創建

2.1 加固試驗梁的有限元模型

鋼筋混凝土有限元模型包括整體式與分離式，本文使用分離式模型模擬。將鋼筋和混凝土使用不同單元處理，鋼筋和混凝土在小單元中劃分，通過二者剛度矩陣求解。因為是對稱結構，將一半的梁作為研究體。混凝土使用Slid65單元，外粘鋼板使用Solid45單元，梁內鋼筋使用Link8單元，將輔助網絡定義為Mesh200單元。使用結構膠實現混凝土與鋼結構的粘接，粘接良好［8］。

2.2 有限元基本假設

（1）在梁受彎之后，梁內混凝土、鋼筋、鋼板要滿足平截面假設；

（2）將雙線性等向強化模型應用到鋼筋中，鋼板具備理想化彈塑性本構關系。混凝土的本構關系具備多線性的特點，為了充分展現出混凝土的行為，要關閉混凝土壓碎選項，裂縫的張開和閉合剪力傳遞系數分別設置為0.4和1；

（3）鋼筋和混凝土充分粘接，并沒有滑移，能夠滿足變形協調方程需求［9］。

2.3 網格劃分

混凝土使用Soid65單元，此單元為8點6面體，在劃分單元過程中使用混凝土剖面網格劃分之后，根據梁的跨度方向拉伸構成混凝土體單元。鋼筋使用Link8單元，在混凝土模型中應用，在合并節點和壓縮之后，使混凝土、鋼板與鋼筋的單元節點重合。鋼板使用實體建設，為了更好收斂使用自由化分網格。鋼板與混凝土利用接觸向導實現接觸單元常數的設置，使接觸單元和目標單元區分［10］。

2.4 有限元加固梁模型參數

鋼筋混凝土梁跨度為2 000 mm，凈跨度為1 800 mm，設置斷面尺寸為（120×200）mm，支座范圍為100 mm，使用HPB235級鋼筋。混凝土強度等級設計C35，混凝土保護層厚度設置為20 mm，表1為各材料的特性。

3 原材料和試驗方法

3.1 原材料

堿激發劑：使用水玻璃，工業生產模數設置2.79，波美度為46.5，含固量為36.8%。

偏高嶺土：在770 ℃將高品位天然高嶺土煅燒10 h，冷卻之后使用球磨機磨45 min。

石膏：化學試劑，分析純；粉煤灰：I級底蓋粉煤灰；

硅灰：Elken凝聚態硅灰；

玻璃纖維布：彈性模量設置為100 GPa，拉伸模量設置2 800 MPa。

3.2 試驗方法

3.2.1 確定凝結時間

根據相關標準對凝結時間進行測定，固定固相比例為10∶1，使石膏產量改變，根據相應的標準調整用水量，從而制作凝結時間測定試樣。每隔5 min測定初凝時間，每隔15 min測定終凝時間，最終得出凝結時間的改變曲線［11］。

3.2.2 面內剪切強度

以試驗和相應的理論，在承受荷載的時候，混凝土界面和FRP受力為剪切狀態，最終破壞形式為剪力破壞。所以，對混凝土界面和FRP中面內剪切性能為研究基礎。

設置玻璃纖維布與混凝土的粘接面積為70×80 mm，利用混凝土試件開展試驗，養護混凝土28 d，實現面內剪切制作，在設置溫濕度中進行養護，然后進行混凝土的強度測試。

3.2.3 鋼筋混凝土梁加固試驗

鋼筋混凝土梁在設置加固試件尺寸中為（100×150×1 100）mm，加載跨長度為900 mm。設置混凝土梁底2條鋼筋，玻璃纖維尺寸設置（80×800）mm，設置兩層加固層數，在常壓、常溫下養護7 d開展加載試驗［12］。

4 試驗結果和分析

4.1 試驗現象和分析

在疲勞荷載作用下，4根試驗梁存在相似破壞過程：（1）初始加載到最大疲勞載荷的時候，試驗梁加載點存在多條裂縫，裂縫指的是試驗梁原本的損傷裂縫，并且裂縫形態為兩邊窄，中間寬，表示使用的材料對試驗梁底部的混凝土存在約束作用；（2）加載到試驗梁疲勞壽命的時候，加載現場就會出現劇烈噼啪聲；（3）在疲勞試驗的過程中，裂縫狀態為一張一合，還會產生新的裂縫。主要裂縫在加載點附近出現，并且裂縫寬度隨著加載次數增加不斷的增大，在到達一定數值的時候，主裂縫根部兩側材料存在可視剝離，在加載次數不斷增加的過程中，朝著兩端發展［13］。

各個試驗梁的破壞模式為：其（1）JGL-1梁的加載次數為100萬次的時候，2個加載點底部存在交叉狀斜裂縫，最大的裂縫寬度為1 mm，CFRP布存在局部可視剝離，剝離的長度為382 mm。加載次數為142萬次的時候，能夠完全剝離；其（2），JGL-2梁在加載119.3萬次的時候，2個加載點存在裂縫，最大裂縫的寬度為1.2 mm，存在局部可視剝離。玻璃快速的朝著兩端發展，并且存在噼啪聲；其（3），JGL-3梁在加載50萬次的時候，試驗梁底部具備交叉狀斜裂縫，最大為1.02 mm；其（4），JGL-4梁在加載到3.98萬次的時候，距離試驗梁跨中40 cm處的裂縫增加到0.8 mm，存在局部可視剝離［14］。

4.2 材料屬性和本構關系

4.2.1 混凝土單元

ANSYS中默認混凝土本構關系為線彈性，也就是在壓碎之前的應力為線性應變關系，無法使鋼筋混凝土結構從受到荷載作用到破壞的分析需求得到滿足。所以，將能夠反應本構關系的特性添加到材料中。本文使用多線性隨動強化模型對混凝土應力應變關系進行定義，結果如圖1。混凝土強度準則使用SOLID65進行定義，張開裂縫剪切傳遞系數設置0.4，閉合裂縫剪切傳遞系數設置1。因為ANSYS軟件實現鋼筋混凝土梁非線性有限元計算，假如對混凝土壓碎破壞進行考慮，即便是達不到壓碎應力，也無法實現計算收斂。所以，在正常使用過程中計算，并不會對混凝土壓碎破壞進行考慮，也就是將單軸抗壓強度選項關閉［15］。

4.2.2 鋼筋單元

利用雙折線隨動強化模型定義鋼筋應力應變關系，圖2為主筋應力應變關系。

4.2.3 墊塊單元

在對鋼筋混凝土梁開展有限元分析的過程中，由于加載點與支點混凝土出現壓碎、開裂等情況，導致分析提前終止，模擬不爭功。在創建有限元模型時，將彈性墊塊設置到加載點或者支點中，以此避免出現集中的應力。彈性墊塊通過3D實體單元設置，利用SOLID45單元實現分析，避免出現集中應力。利用3D單元設置彈性墊塊，根據SOLID45單元實現分析，設置泊松比0.3，彈性模量為3.3×104? MPa。

通過分析表示，加固梁加載在鋼筋屈服中，曲線不同于普通鋼筋混凝土梁，并且沒有混凝土開裂第一拐點。在承載力設置為150～160 kN的時候，荷載-擾度和荷載-碳纖維布的應變曲線存在拐點［16］。在有限元分析過程中使用混凝土、鋼筋單元的共用節點，對兩者進行建模，利用碳纖維布的作用將其轉變成為鋼筋作用。結果表示，鋼筋屈服后使用碳纖維加固后梁承載力通過碳纖維布和鋼筋承擔。使用碳纖維布能夠對鋼筋受力狀態進行改善，并且因為鋼筋通過加載屈服之后卸載，能夠強化鋼筋，提高屈服強度［17］。

4.3 承載力分析

表3為試驗梁試驗結果。

由表3可知，試驗梁抗彎與抗剪加固之后，能夠提高極限荷載與開裂荷載。抗彎加固梁L2與L3在加固之后的開裂荷載比與對照梁L1對比，有所提高。極限荷載也有所提高，以此表示CFRP加固層數越多，抗彎加固之后混凝土梁的極限荷載與開裂荷載的提高幅度也在不斷的增加，但是提高程度和加固層數并不是正比關系。此和研究結果中CFRP抗彎加固混凝土梁試驗結果是一樣的，所以在加固過程中要多經濟、加固率等要求結合，對加固層數合理選擇。預裂梁L4在抗彎加固之后，極限荷載與開裂荷載也有所提高，以此表示，在加固之后能夠對預裂梁初始裂縫擴展進行約束，使承載力得到提高。但是和相同參數梁對比，極限荷載與開裂荷載有所降低。以此表示，預裂梁抗彎加固之后的極限承載力也有所降低［18］。

4.4 疲勞加載次數變化

在試驗加載疲勞幅度小于0.5的時候，加載點CFRP布的應變隨著加載次數變化劃分成為3個階段：其（1），CFRP布-混凝土界面粘接性能退化與初始剝離裂縫構成階段，在CFRP布應變隨著加載次數不斷增加的過程中，也在不斷的增長；其（2），此階段屬于剝離裂縫穩定發展的階段，CFRP布應變在加載次數增加速度中逐漸變換；其（3），剝離破壞階段。在此過程中，CFRP布在加載次數不斷增加過程中逐漸增大，在達到剝離破壞的時候，CFRP布的最大應變為0.007。

在試驗加載疲勞幅值比0.5要大的時候，第1個階段并不明顯，只是展現出后兩個階段的剝離破壞，在玻璃破壞時候的CFRP最大應變為0.011 1。另外，在加載次數相同的時候，JGL-1梁的CFRP布要比JGL-2梁小。比如，在加載到10萬次的時候，JGL-1梁的CFRP布應變為0.001 7，JGL-2為0.007 0。以此表示，在相同疲勞幅值作用下，試驗梁損傷的程度越小，說明加固之后的CFRP布應變就會越小。JGL-4梁的CFRP布比JGL-3梁要大，比如加載次數為1萬次的時候，應變為0.038。以此可以看出來，假如試驗梁的損傷程度相同，在加載次數相同的時候，所施加疲勞幅值越大，表示CFRP布的應變就會越大。也就是說，疲勞幅值大小會對CFRP布加固試驗梁疲勞壽命具有一定的影響［19］。

4.5 載荷-應變分析

對每級加載荷載的混凝土與碳纖維布應變進行記錄，抗彎加固梁梁底黏貼CFRP加固之后在相同荷載水平，混凝土最大壓變出現降低。以此表示，抗彎加固能夠對混凝土變形和加固梁擾度進行降低。主要是因為抗彎加固之后的CFRP和試驗梁變形分擔部分應力，增加剛度。抗彎梁在對CFRP加固之后，具有明顯的約束效果。預裂抗彎加固梁的梁底黏貼CFRP，降低了混凝土最大應變，但是和剛開始加載時候的相同參數梁并沒有明顯的差別。在架在你后期，因為初始裂縫影響，變形發展速度比較快。針對抗剪加固梁，對照梁混凝土最大壓應變改變不大。但是在逐漸破壞的時候，混凝土的強度越大，就會使擾度變化和壓縮應變縮小。在試驗梁進行抗剪加固后，在最開始加載的時候并不會影響到混凝土壓應變。但是，在鋼筋屈服后能夠使抗剪加固混凝土應變得到降低，梁側使用CFRP加固之后并不會對混凝土強度梁最大混凝土應變造成影響。

在抗彎加固梁加載初期，能夠對混凝土變形進行抑制，促進應變增長，但是應變增長趨勢并沒有太大的差別。在加載后期，抗彎加固梁的CFRP應變比其他梁要小，說明加固層數越多，就會使碳纖維使用率得到降低。在預裂抗彎加固梁過程中，由于原始損傷會導致CFR應變增長比較快，說明加固梁原始狀態對于纖維布和加固效果的利用率具有較高的影響［20］。

5 結語

鋼筋混凝土的可塑性良好，并且使用方便，在各建筑工程中使用。由于受到建筑設計、施工與使用等因素影響，國內外研究學者對鋼筋混凝土結構質量問題越來越重視。另外，在損傷后進行修復和建筑的使用質量、壽命等具有密切關系。所以，國內外對鋼筋混凝土梁損傷進行了大量研究。本文分析了密封膠粘加固損傷鋼筋混凝土梁的性能，從而能夠為鋼筋混凝土梁的損傷加固提供針對性建議。

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