粘钢加固混凝土梁承载性能分析

2015-02-25付春梅任永明

黄河水利职业技术学院学报 2015年2期

关键词：粘贴承载力钢板

付春梅，任永明

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

粘钢加固混凝土梁承载性能分析

付春梅，任永明

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

针对粘钢加固混凝土梁的研究现状，探讨了粘钢加固混凝土梁承载力提高的方法，规范公式、图表的制作方法,可以简化桥梁粘钢加固过程、节约资金和缩短工期。

桥梁工程；粘钢加固；混凝土梁；二次受力；承载性能

0 引言

国内外经验表明，通常桥梁在建成投入使用20～30年后，将愈来愈多地面临耐久性降低和安全性不足等问题，且越是经济发达的国家所面临的问题越突出。采用适当的加固设计方法和施工技术，对现有桥梁进行维修加固，提高其承载力，改善其行车性能，延长其使用年限，使其继续为现代交通运输服务，是交通工程中的重要课题。

目前，工程界针对混凝土结构或构件的加固方法主要有以下几种：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、外部粘钢加固法、改变结构体系加固法等［1］。其中，粘钢加固是指用结构胶将薄钢板粘贴于混凝土构件表面（一般在受拉区），使薄钢板与混凝土构件共同工作的一种加固方法。与其他加固方法相比，粘钢加固技术具有不增加构件及结构的荷载，施工方便，周期短，节约成本（粘钢加固一般可节约10～30%的费用）等特殊的优点［2］。近年来，粘钢加固方法被广泛应用于桥梁加固工程，并取得了较好的经济效益。

从1978年辽阳石油化纤厂首先采用粘钢技术对钢筋混凝土梁进行了加固补强至今［3］，我国进行了大量粘钢技术研究。例如，鲍安红研究了粘钢钢筋混凝土的承载力［4］；罗臻分析了粘钢钢筋混凝土梁的延性性能，并提出了延性的计算方法［3］；雷开贵、邓子辰等定义了“剥离应力”与“剥离载荷”，提出了加固钢板厚度优化设计的数值计算方法［5］；黄加坡、李大庆等提出了预应力粘钢加固梁产生适筋破坏时受压区高度和所需加固钢板截面积的计算式［6］；陈志龙对静力条件下钢筋混凝土梁进行了力学性能的数值模拟分析研究［2］。李玉提出了在受压区采用粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的短期刚度的计算方法［7］；李剑清列举了粘钢加固钢筋混凝土梁式桥梁的成功应用案例［8］。

通过对国内粘钢加固技术研究现状分析发现，有关粘钢加固技术研究不少，但是研究结果不具有通用性，而且研究内容不够全面。国内在役梁桥中，大部分是钢筋混凝土梁桥，以后梁桥加固工作将接踵而至，为了简化桥梁粘钢加固工作设计过程、节约资金和缩短工期，研究出一套具有通用性、方便好用的粘钢加固钢筋混凝土梁承载力提高幅度公式或图表是很有必要的。

1 粘钢加固梁结构受力特征

在桥梁加固时，为了达到最好的加固效果，在粘贴钢板前，应对被加固桥梁结构进行完全卸载。但在实际工程中，因受结构形式、荷载类型及使用要求等条件的限制，不可能对被加固结构进行完全卸载。因此，粘贴钢板加固施工前，加固构件承受着原构件自重及其他荷载；粘贴钢板加固后，加固构件承受着原构件自重、二期恒载及汽车、人群等可变作用。故钢筋混凝土梁桥加固结构属于二次受力结构［9］。即加固前，原结构已经承受荷载（即第一阶段受力）；加固后，新加部分并不立即承担荷载，而是在新增荷载（二期恒载和可变作用），即第二次加载情况下，才开始受力（即第二阶段受力）。可见，粘钢加固的桥梁在第二阶段受力过程中，新加部分钢板的应力、应变总是滞后于加固结构原材料的应力、应变。因此，桥梁结构采用粘钢加固时，如果钢板粘贴的数量较多，就有可能出现，加固结构的原材料破坏时，新粘贴的钢板还没有达到屈服。

2 粘钢加固梁正截面承载力计算公式

2.1 基本假定

采用粘贴钢板对钢筋混凝土受弯构件进行抗弯加固，按承载能力极限状态计算时，应符合下列假定［10］：（1）应变符合平截面假定；（2）受压区混凝土应力计算图为矩形；（3）不考虑受拉区混凝土的抗拉强度；（4）钢板应力σsp=εspEsp，且小于钢板抗拉强度设计值；（5）必须采取可靠的锚固措施，避免发生钢板与混凝土之间的剥离破坏。

2.2 矩形截面梁粘钢加固正截面承载力计算公式

由文献［10］可知，粘钢矩形截面梁的正截面抗弯承载力计算公式为

其适用条件为：2a′s≤x≤ξbh0。（3）

加固后的桥梁结构在正常使用的情况下，原材料和新加钢板一般都不会达到材料强度。正常使用时的承载力可利用公式（1）和公式（2）求得。在构件破坏时，构件的原材料达到材料强度，或新加的钢板达到材料强度，或者原材料和新加的钢板均达到材料强度。以上3种破坏模式中，构件的原材料和新加钢板均达到材料强度的破坏模式既能充分利用材料，又可以降低造价，是相对比较理想的一种破坏模式。故在后面的极限承载力计算中，认为构件原材料和新加的钢板均达到材料强度。对这种破坏模式，公式（1）和公式（2）可简写成下面形式。

式中：γ0为桥梁结构的重要性系数；Md为第二阶段弯矩组合设计值；fcd1为原构件混凝土抗压强度设计值；x为混凝土受压区高度；b、h分别为原构件截面宽度和高度；fsd、f′sd分别为原构件纵向普通钢筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；Esp为加固钢板的弹性模量；εsp为加固钢板的拉应变；fsp为加固钢板的抗拉强度设计值；Asp为加固钢板的截面面积；As、A′s分别为原构件受拉区、受压区纵向普通钢筋的截面面积；as、a′s分别为受拉区、受压区普通的钢筋合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离；h0为原构件截面有效高度，h0=h-as；εcu为混凝土极限压应变，当混凝土强度等级为C50及以下时，取εcu＝0.0033；ξb为相对界限受压区高度。

3 粘钢加固梁承载力计算

在实际工程中，由于不同的桥梁结构所用材料不同、尺寸不同、作用效应也不同，故采用的加固钢板数量也就不同。为了说明钢筋混凝土梁承载力提高幅度与加固钢板厚度、数量之间的关系，本文给定一个算例，按照算例给出的条件，进行钢筋混凝土梁加固前、后正截面极限承载力提高幅度和破坏模式分析。通过算例分析，简单说明粘钢加固钢筋混凝土梁承载力提高幅度公式或图表的制作过程。

3.1 计算条件

某钢筋混凝土单筋矩形截面简支梁截面尺寸为250mm×500mm（b×h），采用 C25混凝土（fcd＝11.5 M P a），主筋为HRB335，设置了配筋率为ρ＝1.0%主筋（as＝40mm，fsd＝280MΡa），未发现锈蚀，跨中弯矩组合设计值γ0Md＝180 kN·m，结构重要性系数γ0＝1。

3.2 原梁极限承载力计算

根据文献［11～12］，计算该钢筋混凝土单筋矩形截面简支梁跨中截面受压区高度x。得出，x＝112 mm，其值小于ξbh0=0.56×（500-40）=257.6mm。所以，满足要求。然后，求该梁的最大抗弯承载力Mu＝130.1 kN·m。通过比较Mu与γ0Md可知，该梁不满足承载力要求。

3.3 加固后梁承载力

若用粘贴Q235钢板（fsp＝215MPa）对该梁进行加固，选择的钢板宽度为200mm，厚度为4mm至12mm，满足构造要求［10］，具体如表1所示。加固后，该梁的抗弯极限承载力可根据公式（4）和公式（5）进行计算。钢筋混凝土梁在粘贴不同厚度的钢板后，钢筋混凝土梁的破坏模式及其承载力提高幅度的分析结果如表1和图1所示。

由表1和图1可以看出，钢筋混凝土梁粘贴钢板后，承载力有较大幅度的提高。在粘钢宽度相同的情况下，粘贴钢板厚度或面积较小时，承载提高幅度较大，随着粘贴钢板厚度或面积的增大，逐渐承载力提高幅度增幅减小。针对算例，当钢板厚度大于10 mm时，粘钢加固对梁承载力提高的影响很小。这是由于钢板厚度小于10mm时，混凝土梁的破坏模式是适筋梁破坏，而大于等于10mm时，梁的破坏模式是超筋梁破坏。在承载力计算中，适筋梁破坏，受压区高度取实际高度，而超筋梁破坏，受压区高度取界限受压区高度ξbh0。所以，采用粘钢加固技术时，粘钢量不宜过大。

表1 粘钢加固梁的破坏模式与抗弯极限承载力提高幅度Table 1 Failure mode of reinforcing beam and improvementrange of ultimate flexural resistance

图1 加固钢板厚度与承载力提高幅度之间的关系Fig.1 Relation curves of reinforcing steel plate thickness and bearing capacity im provement range

通过以上分析，建议桥梁加固的粘贴钢板不宜太厚。原因有两点：（1）在宽度相同时，钢板太厚可能造成超筋破坏，浪费钢材；（2）当钢板太厚时，施工不方便，不容易粘贴，可能造成钢板在自重下剥落。另外，根据理论计算结果分析，得出了算例中给定的钢筋混凝土梁粘贴钢板厚度与梁跨中正截面抗弯承载力提高幅度的回归关系式（相关系数为0.9955）：y=-0.6621x2+17.534x-24.216 （1）式中：y为钢筋混凝土梁跨中抗弯承载力提高幅度，%；x为加固钢板厚度，mm。