粘钢加固技术的应用和研究现状

徐永波 (安徽省建筑设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

钢筋混凝土在建筑、水利水电、桥隧、铁道等土木工程领域应用广泛。随着钢筋混凝土结构设计理论与方法的不断深入研究，我国的钢筋混凝土建筑物在安全性、适用性和耐久性方面提出了更高的要求。由于普通的钢筋混凝土结构的使用年限是50年，加之我国是一个受自然灾害影响较频繁的国家，因此随着时间的推移，很多钢筋混凝土建筑物会因为劣化、损坏而造成使用性能下降，或因技术落后无法满足继续使用要求；建筑的使用功能的改变及设计、施工缺陷所带来的混凝土结构的加固问题也日益常见[1]。根据相关资料显示，与新建相比，改建有节约投资、缩短工期、收回投资快等优点[2]。为了保证钢筋混凝土建筑物的安全，延长其使用寿命，钢筋混凝土结构的加固改造越来越受到人们的重视。而通过对现有钢筋混凝土结构采取相应的补强加固措施，可以节省大量的人力和物力，具有巨大的经济效益和社会效益。

粘贴钢板或纤维复合板等板材加固钢筋混凝土结构是一个备受关注和广泛应用的加固方法[3,4]，其中，粘钢加固法是在混凝土构件表面用胶结剂把钢板粘结在钢筋混凝土结构表面，该法具有适用面广、不影响结构外形、施工简单快速等优点，随着胶结剂的发展，粘钢加固法的应用范围越来越广。本文对粘钢加固法的发展应用情况进行总结，从而为钢筋混凝土结构的补强加固提供参考。

1 粘钢加固法的原理及优势

1.1 粘钢加固法的原理

粘钢加固法是指用胶结剂把薄钢板粘贴在混凝土结构表面，使薄钢板与混凝土协同工作的一种加固方法。由于粘钢加固用的钢板很薄，粘钢加固构件的二次受力特征不明显，这是其他加固方法不具有的优势。

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种力学性质差异很大的材料组成，由于钢筋的拉压性能优异，而混凝土材料抗压性能好，抗拉性能差，因此钢筋混凝土结构在受弯时，只要在适筋范围，梁截面配筋率越大，梁截面残余受压的混凝土越多，梁的抗弯性能越好。而粘钢加固法就是在钢筋混凝土结构的受拉区通过粘贴钢板，利用钢板的抗拉性能，代替部分混凝土受拉，从而使更多的混凝土受压，提供混凝土结构的承载力[5]。

由于钢结构容易锈蚀，粘钢加固法加固钢筋混凝土结构时,应对外粘钢板进行一定的防锈处理。钢板是通过胶结剂粘贴在混凝土的表面，为了充分发挥钢板的作用，钢板与混凝土表面之间必须有足够的粘结强度，能承受由于相对滑移沿钢板与混凝土之间产生的剪应力，也称为粘结力。加固钢板与混凝土之间通过粘结力来传递应力，因此钢板与混凝土之间的粘结力是保证粘钢加固能正常工作的前提。

1.2 粘钢加固法的优势

粘钢加固与其他传统加固技术相比，具有如下优点[5-8]。

①胶结剂层和加固钢板的厚度不超过10mm，加固后结构的荷载和截面尺寸增加非常小，可忽略不计，同时不会影响混凝土结构外观。

②专用结构胶结剂的胶层强度高于混凝土的强度，可保证粘结的钢板与混凝土协调工作，共同承担荷载，较少产生应力集中的现象。

③粘贴钢板相当于增大混凝土结构的配筋率，因而可以大大提高结构的承载能力，而且粘贴钢板以后加强了混凝土结构的整体刚度，可有效阻止裂缝的产生及发展。

④粘钢加固施工工艺简单，通常不需要大的施工设备，且施工周期短，一般构件加固3天后即可受力使用，不影响混凝土结构的正常使用，适用于应急的加固工程。

⑤粘钢加固经济效益高。

综上所述，粘钢加固法从施工简便性、美观性、经济效益和加固效果等方面，相对其他补强加固措施都有一定的优势，因此粘钢加固技术在钢筋混凝土结构中得到广泛应用。

2 粘钢加固法国内外研究现状

粘钢加固法最早的应用出现于20世纪60年代中期的南非和法国[9]，研究人员采用环氧树脂将钢板粘贴在混凝土梁的受拉面上，从而提高其抗弯承载力。粘钢加固从应用开始，就因其加固简单、快捷、不影响结构外形、施工方便等优点，不仅在建筑的钢筋混凝土结构加固中使用[10]，还应用在公路、桥梁中的钢筋混凝土加固中。

2.1 国外粘钢加固技术的应用和研究现状

1967年，南非的King和Fleming首次将粘钢加固技术用于素混凝土梁的加固[11]，从此，国内外开启了粘钢加固技术的探索之路。随后，谢菲尔德大学的R.Jones等对少筋梁、超筋梁进行了粘钢加固试验研究，得到了粘钢加固梁的破坏形态，并认为破坏裂缝若开始于粘贴钢板的端部，裂缝将沿着受拉钢筋方向向梁跨中发展并延伸[12]。R.N.Swamy通过对混凝土进行粘钢加固试验，对比分析了不同钢板厚度、加固形式、混凝土强度等级和卸载与不卸载加固对比，表明粘钢加固可增加混凝土梁的强度和刚度，且钢板对裂缝有抑制作用，不同程度的卸载对加固后混凝土梁的受力性能基本无影响[12,13]。I.A.Basumbal等人在1990年对粘钢加固和其他传统加固方法进行对比试验研究，并对各种方法的优缺点做了全面的介绍[14]。在1988年，R.Jones对粘钢加固混凝土梁的钢板端部进行锚固试验研究，并对钢板、胶结剂与混凝土界面之间的相互作用进行了理论分析[15]。当采用粘钢加固钢筋混凝土梁时，钢板端部容易出现应力集中的现象，钢板易发生剥离破坏[16,17]，为此美国的T.M.Roberts等采用弹性力学和有限元方法对粘钢加固梁进行了理论与数值分析，讨论了减少钢板端部应力集中的方法，并分析了粘钢加固混凝土梁的正应力和剪应力在胶层的应力分布规律[16]，结果表明采用具有良好变形性能的粘结剂，减小钢板厚度，使钢板端部尽量靠近简支梁端部，可以减轻钢板端部应力集中的问题。Oehles和Deric John则对粘钢加固梁的早期剥离问题进行了初探[17]，R.N.Swamy等人对在工业区暴露了12年左右的混凝土梁进行粘钢加固，结果表明，粘钢加固混凝土的力学性能较好[18]，随后又探讨了各种参数对粘钢加固混凝土抗剪性能的影响[19]。G..Arslan等人则对粘钢加固混凝土进行了不同钢板长度对承载力的影响研究，并在粘贴钢板加固混凝土梁的基础上，在板端加锚栓的情况进行了研究[20]。

从以上分析可见，国外对粘钢加固技术的优缺点、加固以后的钢筋混凝土结构受力性能、粘钢加固梁的粘结机理等方面进行了研究，但主要集中在室内试验研究。

2.2 国内粘钢加固技术的应用和研究现状

我国于20世纪80年代开始对粘钢加固技术进行分析和研究，法国斯贝西姆公司在1978年首次采用建筑结构胶对辽阳化工厂的一些混凝土梁进行外粘钢板进行加固补强。随后，中科院大连化物所研制成功了我国自己的建筑结构胶，极大促进了我国粘钢加固技术的发展。

1989年，上海建筑科学研究所对粘钢加固的受弯构件的受力性能和破坏形态进行了研究；顾慧娟、罗竞宁等对少筋梁、适筋梁和超筋梁进行了粘钢加固试验，对加固梁的抗弯、抗剪及锚固性能进行了探讨分析[21]；同年，四川省建筑科学研究院组织并编写了《混凝土结构加固技术规范》。1991年，我国规范将加固使用范围暂限定为钢筋混凝土强度等级大于等于C20的混凝土结构构件[22]。刘祖华等根据弹性地基梁以及部分组合截面理论，推导了粘钢加固梁钢板与混凝土之间的剪应力解析解[23]，万墨林、韩继云等则通过分析混凝土加固结构的受力特征和破坏机理，提出了不同的粘钢加固法应遵循的原则、设计构造及施工要点[7]。王天稳和廖理杨对粘钢加固混凝土结构构件的正截面计算、裂缝宽度、挠度验算及粘贴长度验算等问题进行了讨论[24]，李文盛等于2002年对粘钢加固梁的抗弯承载力、早期破坏的分类、破坏机理等进行了进一步的研究[25]。

在粘钢加固试验方面，1996年，同济大学的黄勤则通过理论计算分析和试验数据对比，探讨了粘钢加固结构的受力机理，并对RC等级、侧板高度和厚度等参数对梁的强度和刚度影响进行了分析，并提出了在工程应用中建议[26]；吴耀辉通过粘钢加固梁的试验进行了粘钢加固梁的粘贴滑移、早期破坏、锚固长度等方面进行了研究[27]；朱海峰通过粘钢加固梁试验对混凝土梁的受弯构件的短期刚度、挠度以及裂缝开展进行了研究[28]。梁丛中在2000年通过对两个框架构件进行了低周反复荷载试验，并分析了粘钢加固的框架在地震作用下的抗震性能[29]。2006年，卢亦焱、周婷通过试验得出了碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁的正截面破坏形态[30]。杜青等人通过试验和有限元模拟，得出了粘钢加固钢筋混凝土梁的剥离破坏主要发生在粘贴钢板端部区域和弯曲、剪切裂缝附近[31]。2010年，彭德喜、李大庆等人对预应力粘钢加固混凝土做了试验研究，探索了预应力粘钢加固对混凝土正常使用阶段受力状态的影响[32]。

近年来，通过大量的试验研究和工程实践，粘钢加固技术在土木工程的加固补强上得到普遍认可，相应的粘钢加固技术的实验研究和理论分析也取得了不错的进展。然而，钢板与混凝土梁之间的粘结剥离问题是粘钢加固的重要保证，因此还需要进一步研究。

3 粘钢加固法的应用前景

当前,粘钢加固在工程中主要应用于混凝土柱和梁，其应用范围包括：①原设计要求低、已接近使用年限或在各种灾害条件下遭受破坏的建筑物；②设计阶段由于设计错误或者配筋不足造成局部破坏的结构；③施工阶段由于不当操作造成的混凝土强度不足或保护层厚度偏大的结构；④需要进行改造的混凝土结构，如结构加层、功能改变等。

随着科技的发展，现代土木工程对安全性、使用寿命等方面提出了更高的要求，而当前土木工程结构仍然以钢筋混凝土结构为主，可以推断，未来粘钢加固法依然有广泛的应用前景。针对粘钢加固法的钢板与混凝土之间的剥离问题还需进一步研究，另外，还应对粘钢加固法所用的胶结剂、二次受力、结构非线性及抗震性能等问题进行研究，从而使粘钢加固技术趋于完善。

4 结 论

随着土木工程结构物的不断老化和规范的不断提高，越来越多的钢筋混凝土结构需要进行加固，而粘钢加固法以其众多优势被广泛应用于钢筋混凝土结构。本文通过介绍粘钢加固法的概念、原理、优势及国内外研究现状，对粘钢加固法的应用前景及研究趋势提出了展望。

鉴于未来粘钢加固法仍有广泛的应用前景，国内外学者应针对粘钢加固法的钢板与混凝土的剥离问题、粘钢加固用胶结剂、结构非线性问题、现场应用情况监测及抗震性能进行研究，使粘钢加固技术趋于完善。

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