粘贴钢板加固的研究进展

□ 潘 阳（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

随着经济的快速发展，我国经过大规模的基础建设，建筑业经过蓬勃的发展，到现在也带来了一些问题，设计规范的更新、建筑物耐久性和使用功能的改变等等，旧建筑物的维修、改造和加固成为建筑行业的主导，我国对已有工业与民用建筑进行鉴定和加固的要求也日益迫切。

所谓粘贴钢板加固是采用高性能的结构粘接剂将钢板粘结于混凝土构件的表面，使钢板与混凝土形成统一的整体，通过粘钢胶将作用在混凝土构件上面的荷载传递给粘贴的钢板，以达到增强构件承载能力及刚度的目的。钢板和其他的钢材通过结构粘接剂粘结于混凝土结构外边面产生三相材料混凝土—建筑结构胶—钢板的复合系统。结构胶的性能指标直接影响着钢板和混凝土的整体性，结构胶介质作用的发挥依赖于胶体传递应力的能力，而这种能力反过来又取决于混凝土和胶体与钢板的粘结及界面剪应力，以及胶体的刚度、柔度和粘性。在结构胶的施工工艺能够符合工程要求，结构胶性能得以保证时，粘贴钢板加固法是一种行之有效的加固方法。

1 粘钢加固梁的破坏特征

加固构件的早期破坏。加固钢板与原混凝土构件能够共同受力，是通过结构粘结胶或者锚栓等其他的附加锚固措施。而在实际受损加固构件工作中，钢板跨中集中力位置以及端板会产生较大的剪切应力，如果钢板和加固构件之间缺乏可靠的锚固措施时，钢板极易在这些位置提前剥离，不能充分发挥钢板的承载效力，出现构件的脆性破坏，这种破坏具有突发性，并且加固破坏后的实际承载力远低于破坏承载力理论值，因此，加固构件的早期破坏是应该采取措施避免的。钢板和混凝土粘结效果很好，同时锚固措施充分。

粘钢加固构件在荷载作用下，钢筋屈服，受压区混凝土被压碎，而粘贴钢板未屈服。该构件破坏时，加固材料没有得到充分的利用，发生这种破坏现象一般是在加固材料用量较大时出现，类似于普通钢筋混凝土构件的超筋破坏，是一种脆性破坏形式，应该避免这种破坏形式的发生。

当钢筋发生屈服时，受压区混凝土被压碎，同时粘贴钢板也屈服，这种破坏形式类似于普通钢筋混凝土结构的正常破坏，属于延性破坏，同时也充分发挥了加固钢板的承载力，材尽其用。这是加固所希望出现的破坏形式。

当钢筋发生屈服时，加固钢板也出现屈服，而混凝土并没有被压碎，类似于普通混凝土结构的少筋破坏，这种情况是在加固构件的配钢率较小，钢板的使用量较小时发生的，破坏时钢筋和钢板的强度已经得到充分利用，是一种脆性破坏形式，应该避免这种破坏形式的发生。

2 粘钢加固研究现状

2.1 粘贴钢板用量研究

通过粘贴钢板满足加固的要求，钢板的存在形式作为关键的因素。通过对改变粘钢位置、钢板宽厚比和粘钢量等参数进行试验研究，表明梁底比梁侧粘钢更能提高承载能力，在粘钢面积相同的情况下，钢板越薄宽厚比越大，梁的承载能力越好。

R.N.Swamy等人的试验验证了粘贴钢板加固能够显著提高钢筋混凝土梁的承载能力，并且在一定厚度范围内，承载力增强幅度随着钢板厚度增加而增大，但是，随着钢板厚度的增加，钢板刚性增强，变形能力降低，加固钢筋混凝土梁的会出现钢板的提前剥离破坏，为了充分发挥钢板的加固效果，建议钢板的宽厚比b/t>50。Jones等人通过研究发现粘有6mm厚的钢板的梁会过早地破坏(内部钢筋剪断、胶层开裂、钢筋和钢板均为屈服)仅达到理论抗弯强度的70%，且梁还表现为突发的脆性破坏，这在结构上是不允许的，粘贴钢板的厚度应控制在6mm以内。

《混凝土结构加固设计规范（GB50367-2006）》中指出，粘贴钢板的加固量，对受拉区和受压区，分别不应超过3层和2层，且钢板总厚度≤10mm。在《公路桥梁加固设计规范（TG/TJ22-2008）》中指出采用直接涂胶粘贴的钢板厚度≤5mm；钢板厚度＞5mm时，应采用压力注胶粘结。同时还设定钢板的宽厚比≤50。在建筑抗震加固技术规程（JGJ116—2009）中关于采用粘贴钢板加固梁柱时，钢板厚度宜采用2～5mm。

2.2 锚固方法和早期破坏的研究

粘贴钢板加固中，端部容易出现应力集中，梁端部应力过高而引起的钢板的剥落，导致粘钢加固提前失效，这在设计中是不允许的，因而需要在构件应力集中位置设置有效约束，以保证钢板和构件在使用状态中协同工作。Jones、T.M.Roberts等人的试验和理论分析结果表明采用锚栓锚固钢板能够防止钢板的完全剥离。但是需有足够的锚固长度，在锚固长度不足时，端部采用螺栓加强并不能提高太多的承载力。单靠膨胀螺栓不能提供可靠的锚固效果，应在梁侧面粘贴钢板，防止梁产生脆性剪切粘接破坏。同等条件下加固效果，螺栓和胶粘复合锚固的能够有效限制钢板的提前剥离，胶粘加固方式次之，以栓锚最弱。

2.3 刚度和裂缝的定性影响

结构胶把钢板和原构件粘结成一个整体，使钢板和原构件一起承担荷载作用；同时粘贴的钢板约束了混凝土的变形，改善了混凝土的抗拉性能，阻止并限制了混凝土裂缝的开展。与普通的混凝土梁相比，粘钢加固梁的裂缝的出现的比较晚，开裂荷载比未粘钢梁提高约60%以上。其中，粘钢加固后的裂缝的发展缓慢，由于，钢板参与混凝土的抗拉，加固能够有效限制裂缝的扩展，增加混凝土的受压区面积，同时，钢板对构件表面的混凝土有着约束作用，使原混凝土保护层对裂缝的影响程度降低，减小了裂缝的间距，使裂缝细而密。

R.N.Swamy等进行了粘钢板加固混凝土梁的试验研究，对不同加固形式、钢板厚度、混凝土强度等级进行了比较。此后，R.N.Swamy等人又对经荷载作用而损坏的混凝土梁进行卸载和不卸载加固方法的对比。研究结果表明：粘贴钢板可增加梁的强度和刚度，钢板对裂缝起制约作用，不同卸载情况对加固后的梁的受力性能影响很小。Raithby、Swamy的试验研究表明，钢筋混凝土梁在粘贴钢板加固后，其承载能力有明显的提高，其抗弯刚度也显著提高，且加固后梁的延性与未加固梁的延性较为接近。

3 粘钢加固研究中存在的问题

工程结构的功能要求，构件具有安全性、使用性和耐久性，虽然裂缝和刚度问题，不涉及结构的安全，但在设计中是不能回避裂缝和刚度问题的。现有加固规范及研究主要是考虑提高混凝土构件的极限承载能力，以提高构件的安全性为主，对构件的使用性和耐久性，因影响因素较多，现有的研究较少涉及，尽管部分研究针对构件的刚度和裂缝进行研究，但这些研究也只是在加固后对刚度和裂缝的定性分析，对刚度和裂缝宽度进行定量的分析计算的还是比较少的。

4 结论与展望

钢板的刚度较大，加工不宜，对构件的形状有一定的要求，采用复合加固的方法，不仅能够在提高承载力的同时也改变其延性性能，单一的加固方式，受材料的特性影响比较大，而采用复合的加固方法，可以充分利用材料的特性，可以弥补单一材料的不足，并且采用粘钢加固，规范规定，不应提高承载力不超过40%，并且采用复合加固，材料能够相互约束限制，对于结构，特别是承受动荷载的结构，可以形成可靠的加固效果，这也是复合加固的优势。

加固结构受力后的裂缝和刚度的问题，虽然有很多研究成果，但还不够成熟，加上正常使用极限状态方面的影响因素太多、太复杂，相关试验数据和现场长期观测数据较少，对加固结构受力后的裂缝和刚度问题没有给出明确的计算方法，还需要进一步研究。