葛春雷，許 力

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

0 前 言

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2006)中明確要求在施工前應(yīng)對(duì)被加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，眾多工程實(shí)踐也表明，施工前進(jìn)行充分卸載可以有效提升加固效果。但在實(shí)際施工過(guò)程中，由于受到結(jié)構(gòu)類型、荷載布局及使用要求等諸多條件的限制，通常只能進(jìn)行部分卸載，最常見(jiàn)的做法就是移除掉部分活荷載，在保留部分無(wú)法移除的活荷載及結(jié)構(gòu)自身恒荷載的情況下進(jìn)行加固作業(yè)。這就意味著，加固前原結(jié)構(gòu)已承受荷載(第一次受力)，原結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋和壓區(qū)的混凝土均已具備一定的應(yīng)力水平，加固用的鋼板、碳纖維等材料只有在結(jié)構(gòu)新增加荷載的作用下才開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力及應(yīng)變(原結(jié)構(gòu)第二次受力)。相比之下，原結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋、混凝土應(yīng)力超前，而加固用的鋼板、碳纖維等材料應(yīng)力滯后，新舊結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)力、應(yīng)變存在不同步現(xiàn)象。為了研究二次受力影響下結(jié)構(gòu)加固后的理論計(jì)算值與實(shí)際承載力之間差距，本文以既有荷載作用下的鋼筋混凝土梁為例，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比方法研究加固后對(duì)正截面承載力的提高效果，并在此基礎(chǔ)上提出了切實(shí)可行的施工建議。

1 方案設(shè)計(jì)

制作了3根截面尺寸為150 mm×300 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm的鋼筋混凝土梁，采用C30普通混凝土。其中1根為對(duì)比梁(未加固)，另外2根在承受一定荷載作用下分別采用3 mm和6 mm的鋼板進(jìn)行加固，鋼板采用Q235鋼，試驗(yàn)采用三點(diǎn)對(duì)稱加載(如圖1所示)。

圖1 試驗(yàn)加載方案(單位：mm)

用于對(duì)比的未加固梁，從零開(kāi)始分級(jí)加載直到破壞。2根加固梁先從零加載到設(shè)計(jì)值，然后在不卸載的情況下進(jìn)行粘鋼施工，待養(yǎng)護(hù)到規(guī)定時(shí)間后再接著加載直到破壞。

2 試驗(yàn)過(guò)程

1)對(duì)比梁：當(dāng)荷載達(dá)到16 kN時(shí)，試件梁的兩側(cè)出現(xiàn)部分細(xì)微裂縫，并隨著荷載的增加而不斷線上延伸，同時(shí)新的裂縫也不斷出現(xiàn)；當(dāng)加載到92 kN時(shí)，跨中最大的一條裂縫寬度達(dá)到了0.75 mm，試件也隨即進(jìn)入了不穩(wěn)定階段；再接著加載時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫迅速擴(kuò)展，撓度急劇增加，受壓區(qū)混凝土破碎。此時(shí)認(rèn)為試件已達(dá)到其極限承載能力，最大裂縫寬度達(dá)到了2.34 mm(如圖2所示)。

2)3 mm鋼板加固梁：當(dāng)豎向荷載達(dá)到28 kN時(shí)，試件兩側(cè)出現(xiàn)了14條裂縫，最大一條裂縫寬度為0.07 mm。此時(shí)停止加載，待荷載穩(wěn)定后開(kāi)始在不卸載情況下進(jìn)行加固施工。操作過(guò)程中，由于底部支撐的作用，使得部分原先張開(kāi)的裂縫在一定程度上又重新閉合，施工完畢后讓試件在室溫條件下進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)養(yǎng)護(hù)。重新加載到97 kN時(shí)，裂縫最大寬度達(dá)到了0.15 mm，且沿截面高度方向緩慢發(fā)展，同時(shí)新裂縫也不斷出現(xiàn)；當(dāng)荷載達(dá)到120 kN時(shí)，粘貼面出現(xiàn)輕微的“噼啪”響聲，此時(shí)最大裂縫寬達(dá)到了0.36 mm；再繼續(xù)加載時(shí)發(fā)現(xiàn)試件一端的鋼板和梁底混凝土出現(xiàn)脫離，端部的錨固螺栓被拉傾斜，同時(shí)梁的撓度劇增，裂縫迅速開(kāi)展，荷載急劇下降，加固已失效，試件達(dá)到了極限承載能力(如圖3所示)。

(a)

(b)

(a)

(b)

3)6 mm鋼板加固梁：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程與3 mm加固梁類似，當(dāng)荷載達(dá)到28 kN時(shí)，裂縫最大寬度為0.04 mm。停止加載，施工、養(yǎng)護(hù)，按規(guī)定養(yǎng)護(hù)之后接著加載。當(dāng)荷載達(dá)到135 kN時(shí)裂縫寬度也發(fā)展到了0.36 mm，同時(shí)試件中部和靠近左端支座附近分別有兩條主裂縫發(fā)展較迅速，壓區(qū)混凝土破碎，撓度劇增，試件最終破壞(如圖4所示)。

(a)

(b)

3 結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二次受力條件下，在梁底采用粘貼鋼板的方式對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎加固，對(duì)于試件正截面抗彎承載能力具有比較明顯的提高作用。表1為正截面承載力試驗(yàn)結(jié)果

表1 正截面承載力試驗(yàn)結(jié)果

1)相對(duì)于未加固的對(duì)比梁，2個(gè)加固梁的荷載力分別提高了30.4%和46.7%，正截面承載力提高效果明顯。

2)增加鋼板厚度在一定程度上可以持續(xù)提高正面承載力，但提高效果與鋼板厚度并不成正比例關(guān)系，本次試驗(yàn)中鋼板從3 mm提高到6 mm，承載力僅提高了12.5%。眾多研究結(jié)果表明，粘貼用鋼量過(guò)大時(shí)構(gòu)件易出現(xiàn)超筋破壞，破壞時(shí)鋼板通常尚未進(jìn)入屈服階段。

3)在試驗(yàn)過(guò)程中，加固鋼板兩側(cè)的錨固螺栓均出現(xiàn)變形、甚至被拔出，表明在加載過(guò)程中，鋼板端部存在著較大的應(yīng)力，為防止從端部出現(xiàn)早起剝離破壞，在施工時(shí)要注意錨固方式選擇及施工質(zhì)量問(wèn)題。

4)由于在加固前結(jié)構(gòu)內(nèi)已經(jīng)具有一定的應(yīng)力水平，通常會(huì)在彎剪區(qū)段內(nèi)存在著受拉裂縫。在第二次受力過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)膠的作用，加固鋼板和結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生較大的剝離拉應(yīng)力，會(huì)促使原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致粘結(jié)失效，鋼板剝離脫落，此時(shí)加固鋼板尚未進(jìn)入屈服狀態(tài)，最終因壓區(qū)混凝土破碎而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，破壞時(shí)的極限承載力遠(yuǎn)低于預(yù)期值，且具有極強(qiáng)的突然性，這其實(shí)就是在加固工程中極易出現(xiàn)的早期剝離破壞。在本次試驗(yàn)中，L3發(fā)生的其實(shí)就是早期剝離破壞，其破壞時(shí)的承載力只有理論值的61.3%，雖然在兩端使用了膨脹螺栓作為錨固，但效果并不理想，未能有效阻止鋼板的滑移和脫落，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突然破壞。

4 施工建議

從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，施工質(zhì)量對(duì)二次受力作用下粘鋼加固效果具有十分明顯的影響。為確保能夠達(dá)到預(yù)期的加固效果，在施工中尤其要注意以下問(wèn)題。

1)作為增大截面加固法的一種，粘鋼加固屬于被動(dòng)加固施工，其加固效果與原結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平有直接關(guān)系，一般都存在新加部分應(yīng)力滯后的問(wèn)題，為此就要考慮二次受力的影響，而其根本就是要在施工施工前想辦法降低原結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力水平。目前在實(shí)踐中對(duì)結(jié)構(gòu)卸載的方法很多，最簡(jiǎn)單的做法就是移除掉全部或部分活荷載，操作簡(jiǎn)便、成本低，但效果一般，僅適用于對(duì)加固效果要求不高的項(xiàng)目；反之，若對(duì)加固效果具有較高要求，則可采用千斤頂反向加載的方式進(jìn)行精確卸載，并精心組織，嚴(yán)格控制施工荷載。

2)為確保工程質(zhì)量，加固所使用的結(jié)構(gòu)膠、錨固螺栓、環(huán)氧樹脂、植筋膠等主要材料，首先應(yīng)對(duì)其規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量等常規(guī)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，查驗(yàn)質(zhì)量保證書、合格證、產(chǎn)品使用說(shuō)明書、材料性能及成分檢測(cè)報(bào)告等是否齊全，確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及要求均符合設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于鋼板、鋼板焊接接頭等后加工材料，要在現(xiàn)場(chǎng)按規(guī)范要求進(jìn)行抽檢復(fù)核，確保其抗拉、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)值滿足設(shè)計(jì)要求后方可投入使用。對(duì)于結(jié)構(gòu)膠等粘結(jié)劑除要求廠家提供產(chǎn)品合格證等質(zhì)量證明外，還要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抗拉、抗剪等力學(xué)試驗(yàn)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽樣送檢，待各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后方可使用。

3)為了提高鋼板和結(jié)構(gòu)之間貼合程度，保證二者之間能夠協(xié)同受力，在正式粘貼施工前一定要對(duì)結(jié)合面做細(xì)致處理。一是針對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)將表面的抹灰及裝飾層剔除掉，暴露出結(jié)構(gòu)層，并其將表面的油污、污物等清理干凈；然后使用砂紙、砂輪機(jī)等工具對(duì)結(jié)構(gòu)表層進(jìn)行打磨，深度一般控制在1～2 mm，之后使用壓縮空氣將浮沉清理干凈，而對(duì)于尺寸或深度較大的凹坑處，應(yīng)使用與粘貼鋼板同類的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行修補(bǔ)，最后再使用丙酮溶液將整個(gè)粘貼面擦拭干凈，并保持干燥；二是針對(duì)加固用的鋼板，首先要根據(jù)原有結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀及撓度進(jìn)行“塑形”，確保能夠無(wú)縫貼合；其次是要通過(guò)噴砂、砂紙或砂輪機(jī)等工具或工藝對(duì)粘結(jié)面進(jìn)行處理，一是可以去除鋼板表面的浮銹；二是可以在表面形成與鋼板受力方向垂直的粗糙紋路，以此來(lái)增加鋼板和結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)能力，打磨時(shí)一定要確保鋼板露出明亮的金屬光澤，紋路越粗糙越好；最后再用丙酮溶液擦拭干凈，保持干燥備用。

4)粘結(jié)劑自身及配制質(zhì)量會(huì)直接決定結(jié)構(gòu)膠的性能，也會(huì)直接決定后期的加固效果，為此在入場(chǎng)時(shí)一定要按照相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格查驗(yàn)其質(zhì)量檢驗(yàn)合格證明。在配制和使用時(shí)也一定要嚴(yán)格按照其提供的比例、方法進(jìn)行，比如容器內(nèi)要干燥清潔，攪拌時(shí)要按照同一個(gè)方向進(jìn)行，不得中途混入雨水等。另外，根據(jù)實(shí)際情況，一次的攪拌量不宜過(guò)多，一般控制在40～50 min用完較為合適。

5)施工時(shí)，首先用抹刀等工具將配制好的結(jié)構(gòu)膠涂抹在已經(jīng)處理好的粘貼面上，厚度一般控制在2 mm左右，形狀宜為中間厚、邊緣薄的條餅狀，然后將鋼板粘貼到結(jié)構(gòu)表面，并確保結(jié)合面均已粘貼到位后，隨后立即用夾具或支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，并通過(guò)傳力系統(tǒng)逐步加壓，使多余的膠從邊緣擠出，若發(fā)現(xiàn)有缺膠、鏤空等部位時(shí)，要及時(shí)補(bǔ)充填滿。粘貼完成后宜采用千斤頂、墊板、頂桿(或螺栓、角鋼、墊板等有效組合)所組成的加壓系統(tǒng)對(duì)加固部位進(jìn)行加壓固定。在常溫下，加壓固定時(shí)間一般不小于24 h，正常養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于72 h方可投入使用。

6)試驗(yàn)表明，兩端的錨固措施對(duì)后期正截面承載力的提高具有明顯作用，是防止加固鋼板發(fā)生早期剝離破壞的有效途徑，為此在制定加固方案時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選用合適的錨固措施，并加強(qiáng)施工監(jiān)管。

7)養(yǎng)護(hù)結(jié)束，拆除下部支撐后，應(yīng)采用小錘輕輕敲擊鋼板表面，通過(guò)聲音進(jìn)行判斷鋼板和結(jié)構(gòu)之間是否嚴(yán)密貼合，是否存在明顯的空貼、氣泡等問(wèn)題，一般應(yīng)達(dá)到錨固區(qū)有效粘結(jié)面積不少于90%，非錨固區(qū)有效粘結(jié)面積不少于70%，否則應(yīng)剝離鋼板，重新粘貼。對(duì)于重要或要求較高的構(gòu)件可采用分級(jí)加載至正常載荷的方式進(jìn)行精確檢驗(yàn)，結(jié)果直觀、可靠，精度較高，但需要千斤頂、傳感器、配重(常用沙袋、混凝土塊)、百分表等儀器設(shè)備，工藝繁雜，費(fèi)用較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

在既有荷載作用下采用在構(gòu)件底部粘貼鋼板進(jìn)行加固，對(duì)正截面承載力具有明顯的提高作用。具體加固效果不僅與所選鋼板、結(jié)構(gòu)膠等材料有關(guān)之外，更主要的是會(huì)受到原結(jié)構(gòu)卸載程度、粘貼面處理、錨固措施、臨時(shí)支撐及養(yǎng)護(hù)等施工質(zhì)量影響。基于上述因素，在實(shí)際工程施工中，首先應(yīng)盡可能對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，盡量降低應(yīng)力水平；其次是要合理選用加固材料，比如鋼板，可以采用薄而多層的粘貼放式，不能一味追求鋼板厚度；再次就是提高施工質(zhì)量，在基層處理、粘貼施工、錨固、支撐養(yǎng)護(hù)等方面要提高施工的規(guī)范性。

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