既有荷载下钢筋混凝土梁粘钢加固试验研究——正截面承载力提升效果及施工应用

葛春雷，许 力

(广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007)

0 前 言

《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2006)中明确要求在施工前应对被加固结构进行卸载，众多工程实践也表明，施工前进行充分卸载可以有效提升加固效果。但在实际施工过程中，由于受到结构类型、荷载布局及使用要求等诸多条件的限制，通常只能进行部分卸载，最常见的做法就是移除掉部分活荷载，在保留部分无法移除的活荷载及结构自身恒荷载的情况下进行加固作业。这就意味着，加固前原结构已承受荷载(第一次受力)，原结构内钢筋和压区的混凝土均已具备一定的应力水平，加固用的钢板、碳纤维等材料只有在结构新增加荷载的作用下才开始出现应力及应变(原结构第二次受力)。相比之下，原结构内的钢筋、混凝土应力超前，而加固用的钢板、碳纤维等材料应力滞后，新旧结构之间的应力、应变存在不同步现象。为了研究二次受力影响下结构加固后的理论计算值与实际承载力之间差距，本文以既有荷载作用下的钢筋混凝土梁为例，通过试验对比方法研究加固后对正截面承载力的提高效果，并在此基础上提出了切实可行的施工建议。

1 方案设计

制作了3根截面尺寸为150 mm×300 mm、长度为2 400 mm的钢筋混凝土梁，采用C30普通混凝土。其中1根为对比梁(未加固)，另外2根在承受一定荷载作用下分别采用3 mm和6 mm的钢板进行加固，钢板采用Q235钢，试验采用三点对称加载(如图1所示)。

图1 试验加载方案(单位：mm)

用于对比的未加固梁，从零开始分级加载直到破坏。2根加固梁先从零加载到设计值，然后在不卸载的情况下进行粘钢施工，待养护到规定时间后再接着加载直到破坏。

2 试验过程

1)对比梁：当荷载达到16 kN时，试件梁的两侧出现部分细微裂缝，并随着荷载的增加而不断线上延伸，同时新的裂缝也不断出现；当加载到92 kN时，跨中最大的一条裂缝宽度达到了0.75 mm，试件也随即进入了不稳定阶段；再接着加载时发现裂缝迅速扩展，挠度急剧增加，受压区混凝土破碎。此时认为试件已达到其极限承载能力，最大裂缝宽度达到了2.34 mm(如图2所示)。

2)3 mm钢板加固梁：当竖向荷载达到28 kN时，试件两侧出现了14条裂缝，最大一条裂缝宽度为0.07 mm。此时停止加载，待荷载稳定后开始在不卸载情况下进行加固施工。操作过程中，由于底部支撑的作用，使得部分原先张开的裂缝在一定程度上又重新闭合，施工完毕后让试件在室温条件下进行无扰动养护。重新加载到97 kN时，裂缝最大宽度达到了0.15 mm，且沿截面高度方向缓慢发展，同时新裂缝也不断出现；当荷载达到120 kN时，粘贴面出现轻微的“噼啪”响声，此时最大裂缝宽达到了0.36 mm；再继续加载时发现试件一端的钢板和梁底混凝土出现脱离，端部的锚固螺栓被拉倾斜，同时梁的挠度剧增，裂缝迅速开展，荷载急剧下降，加固已失效，试件达到了极限承载能力(如图3所示)。

(a)

(b)

(a)

(b)

3)6 mm钢板加固梁：整个试验过程与3 mm加固梁类似，当荷载达到28 kN时，裂缝最大宽度为0.04 mm。停止加载，施工、养护，按规定养护之后接着加载。当荷载达到135 kN时裂缝宽度也发展到了0.36 mm，同时试件中部和靠近左端支座附近分别有两条主裂缝发展较迅速，压区混凝土破碎，挠度剧增，试件最终破坏(如图4所示)。

(a)

(b)

3 结果分析

从试验结果可以看出，二次受力条件下，在梁底采用粘贴钢板的方式对钢筋混凝土梁进行抗弯加固，对于试件正截面抗弯承载能力具有比较明显的提高作用。表1为正截面承载力试验结果

表1 正截面承载力试验结果

1)相对于未加固的对比梁，2个加固梁的荷载力分别提高了30.4%和46.7%，正截面承载力提高效果明显。

2)增加钢板厚度在一定程度上可以持续提高正面承载力，但提高效果与钢板厚度并不成正比例关系，本次试验中钢板从3 mm提高到6 mm，承载力仅提高了12.5%。众多研究结果表明，粘贴用钢量过大时构件易出现超筋破坏，破坏时钢板通常尚未进入屈服阶段。

3)在试验过程中，加固钢板两侧的锚固螺栓均出现变形、甚至被拔出，表明在加载过程中，钢板端部存在着较大的应力，为防止从端部出现早起剥离破坏，在施工时要注意锚固方式选择及施工质量问题。

4)由于在加固前结构内已经具有一定的应力水平，通常会在弯剪区段内存在着受拉裂缝。在第二次受力过程中，由于结构胶的作用，加固钢板和结构之间会产生较大的剥离拉应力，会促使原有裂缝进一步扩展，从而导致粘结失效，钢板剥离脱落，此时加固钢板尚未进入屈服状态，最终因压区混凝土破碎而导致结构失效，破坏时的极限承载力远低于预期值，且具有极强的突然性，这其实就是在加固工程中极易出现的早期剥离破坏。在本次试验中，L3发生的其实就是早期剥离破坏，其破坏时的承载力只有理论值的61.3%，虽然在两端使用了膨胀螺栓作为锚固，但效果并不理想，未能有效阻止钢板的滑移和脱落，导致结构突然破坏。

4 施工建议

从整个试验过程来看，施工质量对二次受力作用下粘钢加固效果具有十分明显的影响。为确保能够达到预期的加固效果，在施工中尤其要注意以下问题。

1)作为增大截面加固法的一种，粘钢加固属于被动加固施工，其加固效果与原结构中的应力水平有直接关系，一般都存在新加部分应力滞后的问题，为此就要考虑二次受力的影响，而其根本就是要在施工施工前想办法降低原结构内的应力水平。目前在实践中对结构卸载的方法很多，最简单的做法就是移除掉全部或部分活荷载，操作简便、成本低，但效果一般，仅适用于对加固效果要求不高的项目；反之，若对加固效果具有较高要求，则可采用千斤顶反向加载的方式进行精确卸载，并精心组织，严格控制施工荷载。

2)为确保工程质量，加固所使用的结构胶、锚固螺栓、环氧树脂、植筋胶等主要材料，首先应对其规格、型号、数量等常规参数进行复核，查验质量保证书、合格证、产品使用说明书、材料性能及成分检测报告等是否齐全，确保各项技术指标及要求均符合设计要求。而对于钢板、钢板焊接接头等后加工材料，要在现场按规范要求进行抽检复核，确保其抗拉、抗剪强度等力学指标试验值满足设计要求后方可投入使用。对于结构胶等粘结剂除要求厂家提供产品合格证等质量证明外，还要在现场进行抗拉、抗剪等力学试验，并经现场抽样送检，待各项指标符合设计及规范要求后方可使用。

3)为了提高钢板和结构之间贴合程度，保证二者之间能够协同受力，在正式粘贴施工前一定要对结合面做细致处理。一是针对原混凝土结构，首先应将表面的抹灰及装饰层剔除掉，暴露出结构层，并其将表面的油污、污物等清理干净；然后使用砂纸、砂轮机等工具对结构表层进行打磨，深度一般控制在1～2 mm，之后使用压缩空气将浮沉清理干净，而对于尺寸或深度较大的凹坑处，应使用与粘贴钢板同类的结构胶进行修补，最后再使用丙酮溶液将整个粘贴面擦拭干净，并保持干燥；二是针对加固用的钢板，首先要根据原有结构的实际形状及挠度进行“塑形”，确保能够无缝贴合；其次是要通过喷砂、砂纸或砂轮机等工具或工艺对粘结面进行处理，一是可以去除钢板表面的浮锈；二是可以在表面形成与钢板受力方向垂直的粗糙纹路，以此来增加钢板和结构之间的粘结能力，打磨时一定要确保钢板露出明亮的金属光泽，纹路越粗糙越好；最后再用丙酮溶液擦拭干净，保持干燥备用。

4)粘结剂自身及配制质量会直接决定结构胶的性能，也会直接决定后期的加固效果，为此在入场时一定要按照相关的技术标准严格查验其质量检验合格证明。在配制和使用时也一定要严格按照其提供的比例、方法进行，比如容器内要干燥清洁，搅拌时要按照同一个方向进行，不得中途混入雨水等。另外，根据实际情况，一次的搅拌量不宜过多，一般控制在40～50 min用完较为合适。

5)施工时，首先用抹刀等工具将配制好的结构胶涂抹在已经处理好的粘贴面上，厚度一般控制在2 mm左右，形状宜为中间厚、边缘薄的条饼状，然后将钢板粘贴到结构表面，并确保结合面均已粘贴到位后，随后立即用夹具或支撑结构进行固定，并通过传力系统逐步加压，使多余的胶从边缘挤出，若发现有缺胶、镂空等部位时，要及时补充填满。粘贴完成后宜采用千斤顶、垫板、顶杆(或螺栓、角钢、垫板等有效组合)所组成的加压系统对加固部位进行加压固定。在常温下，加压固定时间一般不小于24 h，正常养护时间不小于72 h方可投入使用。

6)试验表明，两端的锚固措施对后期正截面承载力的提高具有明显作用，是防止加固钢板发生早期剥离破坏的有效途径，为此在制定加固方案时，要根据实际情况选用合适的锚固措施，并加强施工监管。

7)养护结束，拆除下部支撑后，应采用小锤轻轻敲击钢板表面，通过声音进行判断钢板和结构之间是否严密贴合，是否存在明显的空贴、气泡等问题，一般应达到锚固区有效粘结面积不少于90%，非锚固区有效粘结面积不少于70%，否则应剥离钢板，重新粘贴。对于重要或要求较高的构件可采用分级加载至正常载荷的方式进行精确检验，结果直观、可靠，精度较高，但需要千斤顶、传感器、配重(常用沙袋、混凝土块)、百分表等仪器设备，工艺繁杂，费用较高。

5 结 语

在既有荷载作用下采用在构件底部粘贴钢板进行加固，对正截面承载力具有明显的提高作用。具体加固效果不仅与所选钢板、结构胶等材料有关之外，更主要的是会受到原结构卸载程度、粘贴面处理、锚固措施、临时支撑及养护等施工质量影响。基于上述因素，在实际工程施工中，首先应尽可能对原结构进行卸载，尽量降低应力水平；其次是要合理选用加固材料，比如钢板，可以采用薄而多层的粘贴放式，不能一味追求钢板厚度；再次就是提高施工质量，在基层处理、粘贴施工、锚固、支撑养护等方面要提高施工的规范性。

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