铆粘钢板加固梁短期荷载作用下挠度试验分析

王 冬 李婧轶

铆粘钢板加固方法是将事先打磨、钻好孔的钢板涂上胶在需加固的构件表面就位,用电锤对准钢板孔并垂直构件表面在混凝土中打孔,清除孔内灰尘并向孔内注胶,随后用手锤逐个打入特制的异形铆钉或者丝杆将钢板铆粘在构件上。与粘贴钢板相比,铆粘钢板加固混凝土梁具有加固效果好,加固的安全系数更高,加固质量容易保证等优点,是一种新的有广泛应用前景的加固技术。本文通过4根采用不同方法铆粘钢板加固的钢筋混凝土梁与一根未加固对照梁在短期荷载作用下的试验对比,分析了铆粘钢板梁挠度的变化情况。在试验基础上考虑加固钢板对原梁挠度的影响,对普通钢筋混凝土梁的挠度计算公式进行修正,得出铆粘钢板加固梁的抗弯刚度及挠度的计算方法的建议。

1 试验方案和试验方法

为了便于比较,各梁设计尺寸和配筋均相同。为保证加固后的梁发生受弯破坏,试验混凝土梁均设计成强剪弱弯型。试验梁参数如表1所示(实测值)。加固钢板采用Q235级,铆钉采用特制的异形铆钉或直径为10 mm的丝杆,加固胶分别采用建筑结构胶和水泥基胶。试验采用三分点加载方案,如图1所示。

表1 试验梁参数

表 1中 fc=αc1αc2fcu,其中αc1对C50及以下混凝土取0.76,对C80混凝土取0.82,中间按线性规律变化;αc2对C40及以下混凝土取1.0,对C80混凝土取0.87,中间按线性规律变化;ft=0.395

2 试验现象和试验结果

对照梁SL在荷载作用下发生典型的适筋破坏,当弯矩增加到破坏弯矩的27%左右时梁的受拉边缘出现裂缝,弯矩—挠度曲线出现转折,受拉钢筋达到屈服强度后跨中挠度增加很快,最后受压区混凝土被压碎而破坏。这4根加固梁弯矩—挠度曲线在开始阶段基本相同,增加荷载而挠度增长缓慢。通过试验数据可以说明,铆粘钢板可以大大减小混凝土梁的挠度。

3 铆粘钢板加固梁的刚度及挠度计算

先分别引出短期荷载作用下普通钢筋混凝土梁的刚度及挠度计算公式,然后在试验基础上考虑加固钢板对原梁刚度及挠度的影响,对普通钢筋混凝土梁的刚度及挠度计算公式分别进行修正,得出铆粘钢板加固梁的抗弯刚度及挠度计算公式。

以矩形截面梁为研究对象,根据平截面假定及以往试验和理论分析公式,可得短期荷载作用下的刚度:

由于变形计算是属于校核性质的,对计算精度要求较强度计算要低,为与普通钢筋混凝土梁刚度公式相统一,参照目前普通钢筋混凝土结构有关理论,并考虑铆粘钢板的影响,建议铆粘钢板加固钢筋混凝土梁截面刚度公式:

式中:Ψsp——考虑加固钢板影响后,裂缝间受拉钢筋应力不均匀

σsp——考虑加固钢板影响后,受拉钢筋应力值,σsp=

hsp——受拉钢筋和加固钢板的合力距梁顶的距离;

ρsp——纵向受拉钢筋和钢板共同作用的配筋率,ρsp=

挠度的计算可以采用虚功原理进行,因此计算跨中挠度时可建立公式:

对于受弯构件,不考虑轴力作用。构件开裂前,剪力产生的挠度很小,可以忽略。故略去式(3)等号右端的后两项得跨中挠度计算公式:

沿梁长各截面的平均刚度是变值,不便于设计使用,为简化计算,同一符号弯矩区段内,各截面的刚度均按该区段的最小刚度(Bmin)计算。

采用虚功原理计算跨中挠度,根据公式(4)运用图乘法,得三等分段两点加载铆粘钢板加固梁的挠度计算公式:

其中,l0为梁的计算跨度;Bs为同一符号弯矩区段的最小刚度。

表2 正常使用状态下挠度值比较

运用式(5)分别对铆粘钢板加固梁SL1,SL2,SL3和SL4进行挠度计算,然后与各自的试验结果对比见图2a),图2b),图2c)和图2d),同时进行正常使用状态下挠度值比较(见表2)。由图2,表2可见,当加固梁处于正常使用极限状态下,挠度的计算结果与试验结果在受力前期吻合较好,当梁快达到破坏时由于挠度发展较快,此时计算值远远小于试验值。说明式(5)的计算结果在正常使用状态下和试验值吻合较好,有较好的适用性。

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