钢板—砼组合加固钢筋砼梁的研究及应用进展

张凯 邹毅松 谷志敏 王银辉

摘 要：钢板-混凝土组合加固技术是钢筋混凝土梁加固的一种的新方法。简介了目前关于钢板-混凝土组合加固梁抗弯和抗剪承载力研究的成果，分析考虑界面滑移、二次受力等因素对于承载能力影响的研究现状，探讨了该加固技术试验研究方法及工程应用情况。通过对现有研究成果的归纳和总结，分析了该技术的主要特点与不足，并指出了有关钢板-混凝土组合加固方面值得进一步研究的问题。

关键词：钢筋混凝土梁 加固技术 钢板-混凝土组合加固技术 组合结构

中图分类号：U445.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0005-04

Research and Application of RC Beams Strengthened by Steel Plate-concrete Composite Technique

Zhang kai1 Zou Yisong 1 Gu Zhimin1 Wang Yinhui2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074， China；

2.Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo zhejianag，315100，China）

Abstract： Steel plate-concrete composite （SPCC） strengthening technique is a late-model method for reinforced concrete（RC） beams. The research findings about the ultimate shear and bending capacity of RC beams strengthened by SPCC technique is presented. The influence factors of the ultimate shear and bending capacity， such as secondary load and interfacial slip， is introduced. And the test methods and practical application of SPCC technique are explained. The advantages and disadvantages of this technology are suggested according to research and test results. In addition the issues which would deserve further research about the aspects of the technique are put forward.

Key Words：RC Beam； Strengthening Technology； Steel-concrete Composite（SPCC） Strengthening Technique； Combined Structure

隨着交通运输业的发展和通行荷载等级的提高，大量现役桥梁需要进行荷载提升和维修加固。目前常用的钢筋混凝土梁的加固方法有加大截面加固法、预应力加固法、粘钢加固法、FPR材料粘贴加固法以及外包钢加固法等[1]，受结构形式或材料特性的影响，这些传统加固方法均有各自的适应性和局限性。

钢板-混凝土组合加固（以下简称组合加固）是通过在钢板上焊接栓钉、在原混凝土表面植筋、在原结构及加固钢板间浇注混凝土等措施使加固部分与原混凝土结构形成整体共同工作的一种新型加固技术[2]，其加固构造如图1所示。钢板-混凝土组合加固法综合了增大截面法和粘钢加固法，充分发挥了钢板抗拉与混凝土抗压的特点，同时钢板的存在抑制了裂缝的开展，约束了混凝土变形，从而有效提高了加固构件的承载力、刚度与抗裂性，是一种简单易行、施工方便的加固方法。

1 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁承载能力研究现状

聂建国[3]教授首先提出了钢板-混凝土组合加固的思想，并对钢板-混凝土组合简支梁极限抗弯承载力、钢板剥离承载力、开裂荷载和滑移分布进行了理论分析，组合加固梁各种破坏模式对应的承载力和刚度计算公式，同时提出了钢板-混凝土组合加固梁的设计方法和构造要求，形成了一套较为成熟的理论体系。

国内其他学者也对钢板-混凝土组合加固技术做了大量的研究，主要集中在加固后结构构件的抗弯抗剪性能以及新老混凝土间抗剪连接件等方面。

一方面，王春生[4]对钢板-混凝土组合加固混凝土T梁进行抗弯承载力试验，试验结果表明：钢板-混凝土组合加固可使混凝土T梁极限抗弯承载力提高约2倍，植筋间距与原梁弯曲损伤程度对组合加固T梁的极限抗弯承载力影响约为4%。郭晓宇[5]则对植钉间距、栓钉间距和损伤程度等不同设计参数对其抗弯性能的影响进行试验研究，提出承载力简化公式。任腾先[6]通过对带损伤钢筋混凝土T梁试验研究，发现侧向钢板加固高度、凿毛与否、新老混凝土界面以及加固钢板和加固混凝土界面的剪力连接设计对试验梁的抗剪工作性能有很大影响。

另一方面，部分学者通过试验结合有限元模型对钢板-混凝土组合加固技术中滑移分布、抗剪连接件进行了系统性的研究。

赵洁[7]以组合加固梁试验中栓钉的荷载-滑移曲线为基础，提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型。并采用有限元软件ABAQUS，模拟一次加固、不同损伤加固及持载加固等加载情况下加固构件受力全过程、受弯破坏以及新老混凝土剥离破坏等破坏形态下加固试件的受力性能，分析了钢板厚度、加固部分高度及长度等参数对加固构件承载能力及刚度的影响。

杨锦辉[8]通过对实际桥梁加固中的钢板、钢筋混凝土及栓钉进行简化计算，将钢筋混凝土材料折合成一种能够承受一定拉力的材料，栓钉则简化为连接钢板与这种折合材料的螺栓，从中得到的栓钉的承载力计算公式。聂建国[9]等则通过在试验中量测钢板轴向应变，间接得到栓钉受力情况，推导栓钉抗剪承载力计算方法。同时，聂建国还通过对组合加固后构件的理论分析，建立滑移微分方程，模拟真实的边界条件，从中得到滑移沿梁跨的分布曲线。

此外，于明策[10]以陕西境内某组合加固后的钢筋混凝土连续板桥为研究对象，采用空间有限元分析方法，对该桥的静力特性、自振特性以及加固箱体内部构件受力特性进行了分析，计算结果对于评价钢板-混凝土组合加固技术处理后的桥梁的工作性能具有重要的价值。

2 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁二次受力研究现状

现有正截面抗弯加固理论研究中大多未考虑加固中二次受力的影响，高估了结构构件的承载能力。对此，国内外专家也做了大量的研究，主要集中在粘钢加固、粘贴复合材料加固、增大截面加固等方式加固的钢筋混凝土结构。通过试验研究、有限元分析以及结合钢筋混凝土结构的基本理论对加固后结构的正截面抗弯性能进行研究。

二次受力下钢筋混凝土加固结构正截面抗弯承载能力计算公式的理论推导方面，马来飞[11]等基于条带法提出了考虑二次受力的外粘钢板加固钢筋混凝土梁抗弯承载力的两阶段接力计算方法。赵延飞[12]则根据钢筋混凝土梁的正截面破坏机理，分析了不同卸荷条件下二次受力对粘钢加固混凝土梁界限相对受压区高度的影响，推导出二次受力下公式的差异，并指出实际应用时应根据实际卸荷情况，同时考虑对的影响决定粘钢量。

在模型试验与有限元方法相结合开展的研究中，任伟[13]以钢筋混凝土梁缩尺模型试验为基础，采用面-面接触分析及单元“生死”分析方法，有效解决持荷情况下待加固结构与钢板不同时参与工作及钢板-混凝土界面的传力难点。席超波[14]则通过加固构件弯矩-曲率关系曲线，按照杆系结构有限元方法对加固钢筋混凝土受弯构件二次受力性能进行了非线性有限元分析。

此外，也有学者直接利用模型试验结果对不考虑二次受力的加固结构承载能力计算方法进行修正，从而得到考虑二次受力的加固结构承载能力计算方法，卜良桃[15]等开展了HPF加固足尺梁二次受力抗弯试验研究，在试验基础上提出了在一次受力抗弯承载能力公式的基础上进行局部修正的计算公式。

到目前为止，二次受力下传统钢筋混凝土叠合结构承载能力研究已取得了较为系统的成果，既说明了二次受力对叠合结构结构性能的影响不容忽视，也为特殊的钢筋混凝土叠合结构的结构性能研究提供了有效的参考。

在对二次受力下钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究中，李军[16]以钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁为研究对象，在考虑二次受力条件下，通过理论分析研究及利用非线性有限元方法，分别从这加固前弯矩、截面加固高度、加固钢板加固量、初始配筋率等四方面系统分析研究钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土抗弯承载力的发展状况。

高珊[17]则对带损伤的混凝土T梁组合加固并进行抗弯承载力试验，得到了构件破坏时的极限抗弯承载力以及受力特性，揭示了钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土T梁的弯曲破坏机理。

王春生、郭晓宇等得出考虑二次受力的抗弯承载能力公式，该公式利用在不考虑二次受力影响下抗弯承载能力计算公式的基础上引入考虑二次受力影响时加固钢板抗拉强度达不到设计值的折减系数。

吕伟龙[18]在二次受力钢筋混凝土梁滞后应变的计算中，引入误差调整系数，从而简化混凝土应力-应变公式，推出一套完整的二次受力状态下钢筋混凝土加固梁加固材料滞后应变计算方法。

聂建国、赵洁[19]等提出了考虑二次受力影响加固钢板最大加固厚度的计算方法，并给出了二次受力构件滞后应变及开裂荷载的计算方法，其结果与试验良好吻合，达到工程应用精度要求。

3 钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁试验研究

目前，钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的试验研究，大多以具體的钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土矩形梁或T型梁为研究对象，通过控制除指定变化因素外其他条件对试验的影响，从新老混凝土界面粗糙程度、植筋间距、栓钉间距、剪跨比、原梁损伤程度等参数的相对变化中，分别测得加载过程中试验梁的荷载、挠度、应变、裂缝发展、受力特征以及破坏模式等，来详细研究其不同变化因素对钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的抗弯承载能力的影响。亦或者结合试验现象及结果，验证钢板-混凝土组合加固构件正截面抗弯承载力等一系列计算公式的正确性，或在已有公式的基础上做进一步修正。

聂建国、赵洁等通过10根钢板-混凝土组合加固梁和1根钢筋混凝土对比梁，研究其在弯矩和剪力作用下的破坏形态、极限受弯承载力、刚度和裂缝发展情况，新老混凝土界面的工作状况，钢板与混凝土的共同工作情况，不同损伤程度及不同持载水平对组合加固钢筋混凝土梁整体工作性能的影响等。

王春生、袁卓亚等则设计了4根钢板-混凝土组合加固混凝土T梁进行抗弯承载力试验，试件的主要设计参数包括损伤程度和植筋间距。采用荷载传感器、位移计和应变计，分别测量加载过程中试验梁的荷载、挠度、应变、裂缝的产生和发展、新老混凝土界面与钢板-加固混凝土界面的纵向滑移，采用有限元软件分析了试件的受力性能，塑性方法研究了试件的极限抗弯承载力。

此外，在对钢板-混凝土组合加固技术正常使用性能方面的研究中，王宇航[20]通过对8根组合受弯加固简支梁的等幅疲劳加载试验，研究了组合加固梁在疲劳荷载作用下的寿命及应变变化规律。在试验结果的基础上通过理论分析，提出了考虑应力水平影响的组合加固梁疲劳寿命、疲劳破坏后的残余静力承载力和残余刚度的计算方法，提出钢板-混凝土组合加固梁的疲劳设计方法。

4 钢板-混凝土组合加固技术工程应用状况

近年来，在北京、上海等城市的立交桥建设中，由于钢板-混凝土组合加固能克服传统结构加固技术的不足，大幅提高结构刚度和承载能力，同时施工快速方便，对周围环境影响小等优点，得到了广泛的应用。

2002年由清华大学建筑设计研究院采用钢板-混凝土组合加固北京紫竹桥[21]是该技术在国内桥梁加固中的首次应用。该桥为三联九孔连续箱梁桥，设计等级由原建的汽超-20级提升为城市A级。加固后该桥的承载力和刚度都得到了明显提高。其中，悬臂板加固后抗弯刚度比加固前提高了30%左右；引桥加固后抗弯刚度比加固前提高了25%左右（图2）。

建于1990年的北京三环路洋桥[22]，主跨边梁受撞击破损严重，主筋裸露并有部分钢筋折断，采用了钢板-混凝土组合加固技术对该桥进行加固，加固施工现场如图3所示。通过加固，正弯矩作用下的抗弯承载力提高了55%，此外主梁防撞能力得到显著提高。

柿子泡大桥[23]因火灾造成桥梁部分空心板底板混凝土剥落，造成梁板自身刚度下降。该桥通过在梁板底面植筋，按照植筋位置在新增钢板上钻孔，将植筋穿入钢板并固定，浇筑混凝土使结构形成整体。施工后因螺栓在钢板外侧，美观效果稍差，但施工工艺相对简单，施工难度小（图4、图5）。

在陕西某高速公路现浇箱梁桥[24]加固中，采用了钢板-混凝土组合结构与体外预应力相结合的加固方式，较好的约束了原桥裂缝的发展，使组合加固起到预应力的效果，是钢板-混凝土组合加固技术中较好的尝试（图6）。

此外，北京马甸桥、北京西南三环万柳立交桥、北京西南三环丰益桥、重庆牛儿河桥、淄博某跨铁路桥等高架桥用了钢板-混凝土组合加固技术，桥梁改造加固后，已投入使用，目前使用状况良好。

另外李砚波[25]等将钢-混凝土组合结构用在了房屋改造加固工程中，也获得了显著的效果。

5 结语

综上所述，钢板-混凝土组合加固技术可以广泛用于建筑结构和桥梁结构等领域，对比传统加固方法，具有明显的特点。其研究和应用也取得了相对比较成熟的成果。

（1）钢板-混凝土组合加固用于混凝土结构构件抗弯加固、抗剪加固的可行性得到了验证。其植钉间距、栓钉间距、凿毛程度等因素对组合加固结构承载能力的影响也进行了系统性的研究，同时得出了较为合理的加固构件抗弯承载能力计算公式。

（2）目前二次受力下钢板-混凝土组合加固梁的研究主要集中在抗弯承载能力的计算方面，总体研究相比较传统二次受力叠合结构尚有不足，还需进一步深入。

（3）在实际加固工程中，钢板-混凝土组合加固施工简便、周期短，对结构自重增加小，且在约束了原结构裂缝的同时也抑制了其内部钢筋锈蚀，对原梁抗弯承载能力有大幅度的提高，大大延长了使用寿命。

实践证明钢板-混凝土组合加固技术在桥梁加固领域具有良好的应用前景。

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