粘贴钢板加固界面受力特性分析

蒋超越，岳小媚

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

粘贴钢板加固界面受力特性分析

蒋超越，岳小媚

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

近年来，随着交通量的迅猛增长，粘贴钢板加固法被越来越广泛地应用于各种桥梁结构。应用某大型有限元通用软件建立分离式有限元仿真模型，对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的界面受力特性进行详细研究，得到典型界面应力分布曲线，同时还对钢板厚度、胶层厚度、钢板截面形状、钢板局部脱空等多种因素对界面应力的影响进行分析，并提出合理的胶层厚度以及采用楔形钢板截面等多条可行性建议以减小钢板端部界面的应力集中，更好地保证混凝土梁与钢板之间的协同受力与变形。

粘贴钢板加固法；界面应力；有限元分析

近年来，随着经济的持续发展，交通量迅猛增长，汽车超载现象日益严重，许多公路桥梁都大大超出了当年的设计承载力，产生了程度不一的病害，但仍在超负荷使用[1]。粘贴钢板加固法作为一种重要的加固方法，被越来越广泛地应用于各种桥梁结构加固。

粘贴钢板加固法是采用粘钢胶将钢板粘贴在钢筋混凝土构件表面，使钢板与构件形成整体共同受力，改善构件的受力状态，限制既有裂缝的进一步发展，从而提高构件的承载能力与耐久性。该方法因具有施工简便、不破坏原结构、粘钢所占空间小、加固部位灵活布置、不改变原结构的受力形式和结构体系等特点而被广泛采用[2]。

从上述粘贴钢板加固法的定义可以看出，粘钢胶在整个加固体系中起传递梁变形和应力的重要作用。但由于钢板的弹性模量比混凝土大6～7倍，而混凝土的弹性模量又比粘钢胶的弹性模量大9倍左右，故加固体系中3种材料彼此之间力学性能的差距很大，它们之间的变形差异都将通过粘钢胶来协调。粘钢胶作为一种“承上启下”的界面单元，其应力分布十分复杂，所以有必要对粘钢胶界面的力学特性进行深入的分析研究，得到其应力分布特征及影响因素，这对于认识加固结构的破坏模式、改善其加固效果及研究加固体系耐久性等都具有重要意义。

本文利用某大型有限元通用软件建立分离式有限元仿真模型，对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的界面受力特性进行详细研究。

1 基本假设

本文主要对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁进行有限元模型仿真分析，旨在研究粘钢胶单元的界面应力分布情况，不进行极限承载能力的计算，故在建模研究分析过程中不考虑粘贴钢板加固梁的破坏，且为了简化计算，提出以下假设[3]：

1) 钢板、粘钢胶层、钢筋、混凝土等所有材料的受力情况均在线弹性范围内，即所有材料都是线弹性材料；

2) 混凝土与钢筋之间固结良好，混凝土与钢板之间粘结良好，不考虑各种材料之间的相对滑移；

3) 混凝土梁在粘贴钢板加固前，已按相关规范要求将混凝土裂缝封闭，混凝土结构整体受力均匀。

2 结构尺寸和材料参数

本文采用如图1所示的钢筋混凝土简支梁进行数值分析。混凝土梁长2 000 mm，截面尺寸为b(截面宽度)×h(截面高度)=120mm×200mm；在受压区布置纵筋2Φ8 mm，在受拉区布置纵筋2Φ12 mm；沿梁在支座附近布置箍筋Φ8@100 mm，在跨中附近布置箍筋Φ8@200 mm；在梁底距支座150 mm处用粘钢胶粘贴钢板，钢板和粘钢胶均与梁宽同宽，钢板长1 500 mm，厚5 mm。

加固梁的各种材料参数如表1所示。由于不同厂家生产的粘钢胶其成分也有所不同，故粘钢胶的弹性模量通常会在一定范围内变化，本文采用的粘钢胶弹性模量为JTG/T J22—2008《公路桥梁加固设计规范》中第4.6.5条粘钢A级胶的下限值[4]。经笔者计算分析和查阅相关文献，发现随着胶层弹性模量的增大，界面应力也有所增大，但整体趋势不变[5]。

表1 材料参数

粘钢胶为高分子聚合物，其固化后形成致密的三维交联网络结构[6]。由于粘钢胶固化交联反应时在空间上通常表现为随机取向，故其宏观上具有物理机械性能好、受力均匀、材料各向同性等特点[7]。

图1 钢筋混凝土梁

3 单元选取和约束设置

有限元实体分析能够很好地揭示粘结界面法向应力和剪切应力的分布形式，为此，本文分别建立了混凝土部件、钢筋骨架部件、粘钢胶部件和钢板部件模型[8]，并把它们按照实际情况进行装配，如图2所示。然后对模型进行网格划分。划分时，对混凝土梁底30 cm范围内的网格进行细化，使混凝土单元与粘钢胶单元的大小一致，达到接触面节点协调的目的，如图3所示。各个部件所采用的单元类型如表2所示，有限元模型的约束条件如表3所示。

如图1所示，为了使加固梁既不开裂破坏，又能较好地反映界面单元的应力分布规律，模型在加载时采用三分点加载，荷载P=50kN。同时，为避免加载处产生应力集中现象，本文采用一个等大同向的50 mm×120 mm面荷载进行加载。

图2 装配完成的有限元模型

图3 网格划分后的有限元模型

部件单元类型网格属性混凝土梁实体单元20结点2次6面体减缩积分单元粘钢胶层实体单元20结点2次6面体减缩积分单元钢筋骨架桁架单元2结点线性3维桁架单元钢板实体单元20结点2次6面体减缩积分单元

表3 有限元模型约束条件

4 界面应力的分布特征

钢筋混凝土加固梁粘钢胶界面剪切应力沿钢板长度方向的应力云图和分布曲线如图4所示，界面法向应力沿钢板长度方向的应力云图和分布曲线如图5所示。

图4 界面剪切应力云图和应力曲线

图5 界面法向应力云图和应力曲线

从图4、图5可以看出，粘钢胶的最大界面剪切应力为3.1 MPa，小于规范限值(15 MPa)；粘钢胶的最大界面法向拉应力为2.2 MPa，小于规范限值(2.5 MPa)。同时，无论是界面剪切应力还是界面法向应力，在钢板端部的分布情况都十分复杂，粘结应力都存在应力集中现象。界面剪切应力在钢板端部向跨中方向逐渐减小，并在距钢板端部500～1 000 mm范围内(加载点附近)趋近于0，整个界面剪切应力的分布具有明显反对称性；界面法向应力在钢板端部存在很大的正应力，表明在钢板端部位置钢筋混凝土梁与钢板之间存在很大的拉应力，随后沿钢板向跨中方向界面法向应力迅速减小至0左右，仅在加载点附近界面法向应力反方向稍微增大，整个界面法向应力的分布具有明显的对称性。由此可知，在粘结良好的情况下，钢板端部位置最容易发生剥离破坏。

5 钢板厚度的影响

分别对3、4、5、6 mm厚钢板进行有限元分析，结果如图6所示。从图6可以看出，在分析的钢板厚度范围中，随着钢板厚度增加，端部应力集中明显增大，且界面的剪切应力也有所增加，说明钢板厚度对于端部界面应力集中有很大影响。这是由于随着钢板厚度的增加，钢板与混凝土梁的刚度差进一步增大，其变形更难协调，故界面应力增大。当钢板厚度过大时，有可能在加固梁还未充分发挥其承载能力之前，界面的粘结应力就已经达到极限状态，从而使加固梁发生剥离破坏。因此，在进行粘贴钢板加固设计时，在满足承载能力要求的前提下，应优先选用薄钢板，以减小板端界面的集中应力，避免钢板过早产生剥离破坏。

6 胶层厚度的影响

粘胶层厚度在实际工程中是个非常重要的变量，本文将重点分析不同粘钢胶胶层厚度对界面应力的影响。下面分别对1、2、3、4 mm的胶层厚度加固梁进行分析计算，结果如图7所示。

从图7可以看出，胶层厚度的增加可有效降低粘胶层端部的界面剪切应力集中，但会稍微增加界面法向应力的端部应力集中；虽然4 mm 和1 mm 胶层厚度相比，其界面端部剪切应力降低了很多，但3 mm 和4 mm 胶层厚度的界面端部剪切应力却相差很小，几乎相等。由此可以推断，继续增加粘胶层厚度来减小胶层界面剪切应力的作用不仅会越来越小，而且还会增大胶层界面法向应力，得不偿失。所以，建议粘胶层的合理厚度值为3 mm，以有效减小板端界面应力集中，避免钢板端部产生剥离破坏。

7 钢板截面形状的影响

为了减小钢板端部应力集中，考虑将钢板端部进行倒角处理。本文将钢板端部的截面形状倒角为楔形，楔形截面的斜率分别为0.75、0.4、0.1，分别对这3种界面形式的钢板加固梁进行分析计算，得到的结果如图8所示。

图6 不同钢板厚度界面剪切应力曲线和法向应力曲线

图7 不同胶层厚度界面剪切应力曲线和法向应力曲线

图8 不同端部截面形状界面剪切应力曲线和法向应力曲线

从图8可以看出，钢板截面改为楔形截面后，有效降低了粘钢胶界面的端部应力集中现象，且楔形界面的斜率越小，减小应力集中现象的效果就越显著。由此可知，钢板端部截面形状对减小界面应力的影响很大，适当的截面形状能有效防止钢板端部产生剥离破坏。

8 钢板局部脱空的影响

现实环境中，采用粘贴钢板加固钢筋混凝土梁，受施工时涂胶不均匀、固结加压不均匀、界面存在杂质、钢板受温度或其他应力影响发生局部屈曲翘鼓、粘钢胶局部老化脆断等多种原因的影响，钢板局部可能产生脱空现象。下面将分别模拟脱空部位在跨中和端部2种情况，并对界面应力产生的影响进行计算分析。

8.1 跨中钢板脱空

本文分别就跨中钢板无脱空、脱空30 mm和脱空50 mm三种情况对粘钢胶界面应力的影响进行计算，得到的结果如图9所示。从图9可以看出，跨中钢板脱空仅对脱空区域附近的界面应力有影响，对远离这个区域的界面应力则影响非常小。这是由于在跨中区域，加固梁下挠变形是最大的，钢筋混凝土梁和钢板在下挠变形的作用下密实挤压在一起，二者变形相对协调，导致胶界面在此区域范围内本身应力较小，所以在梁跨中区域发生有限长度的钢板脱空，并不会对界面应力的大小及其分布产生重大影响。

图9 跨中脱空界面剪切应力曲线和法向应力曲线

8.2 钢板端部脱空

本文分别就钢板端部无脱空、左端脱空30 mm和左端脱空50 mm三种情况对粘钢胶界面应力的影响进行计算，得到的结果如图10所示。从图10可以看出，钢板端部脱空对钢板端部界面剪切应力和法向应力都有影响，且随着脱空长度增加，端部界面剪切应力和法向应力也会增大。由此可以作如下分析推断：若钢板端部在粘钢胶老化、外荷载引起的界面端部应力集中过大等多种因素影响下发生剥离脱空，则与其相邻的部位将产生更大的界面端部应力集中，致使相邻部位也随之剥离，周而复始，粘贴钢板加固梁将被迅速破坏。综上所述，钢板端部脱空将对整个桥梁加固体系产生重大影响，危及粘贴钢板加固结构的安全，应极力避免这种现象发生。

图10 端部脱空界面剪切应力曲线和法向应力曲线

9 结论

本文采用某大型有限元通用软件对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁进行了数值模拟计算，对钢板和梁之间的粘钢胶界面法向应力和剪切应力进行了分析，研究了不同钢板厚度、不同粘胶层厚度、不同钢板截面形状、不同脱空位置和脱空长度等多种因素对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁界面应力分布的影响，得到以下结论：

1) 采用分离式有限元模型进行了仿真分析，得出了粘钢胶的典型界面应力分布形式为：界面剪切应力在钢板端部存在应力集中现象，板端至跨中方向剪切应力逐渐减小；界面法向应力在钢板端部存在应力集中现象，板端至跨中方向法向应力迅速减小。

2) 随着钢板厚度的增加，端部的应力集中明显增大，且界面的剪切应力也有所增加，说明钢板的厚度对于端部界面应力的集中有很大影响。因此，在进行粘贴钢板加固设计时，在满足承载能力要求的前提下，应优先选用薄钢板，以减小板端界面的应力集中，避免钢板过早剥离破坏。

3) 胶层厚度的增加可有效降低粘胶层端部界面的剪切应力集中，但也会稍微增加端部界面的法向应力集中。建议粘胶层的合理厚度取为3 mm，以有效减小板端界面的应力集中，避免钢板端部产生剥离破坏。

4) 钢板端部截面的形状对减小界面应力的影响很大，因此适当的截面形状能有效防止钢板端部产生剥离破坏。在本文分离式有限元数值模型中，将钢板截面由矩形改为楔形截面后，有效降低了粘钢胶界面的端部应力集中现象，且楔形界面的斜率越小，减少应力集中现象的效果就越显著。

5) 加固梁跨中钢板脱空仅对脱空区域附近的界面应力有影响，对远离这个区域的界面应力影响则非常小；但钢板端部脱空对钢板端部界面剪切应力和界面法向应力都有影响，且随着脱空长度的增加，端部界面剪切应力和界面法向应力也会增大。由此可以分析推断：若钢板端部在外部原因(如荷载较大)或内部原因(如粘钢胶老化引起的粘结能力不足)作用下发生剥离脱空，则与其相邻的部位将产生更大的界面端部应力集中，使得相邻部位也随之剥离，周而复始，粘贴钢板加固梁将被迅速破坏。因此，在钢板端部增设锚栓或钢板压条等构造措施，在一定程度上可避免钢板剥离的脆性破坏。

[1]刘 杰．钢筋混凝土T梁斜截面粘钢加固后可靠度[D]．西安：长安大学，2011.

[2]吕淑娟．钢筋混凝土梁锚粘钢板加固方法研究[D]．大连：大连海事大学，2010.

[3]李岩岩．钢板加固钢筋混凝土梁受力与破坏模式研究[D]．秦皇岛：燕山大学，2011.

[4]中交第一公路勘察设计研究．公路桥梁加固设计规范：JTG/T J22—2008[S]．北京：人民交通出版社，2008.

[5]王伟宏．局部粘贴钢板加固梁中界面应力的有限元分析[J]．工程结构，2006，26(6)：111-113.

[6]余益斌．环氧树脂建筑结构胶的耐热性研究[D]．长沙：湖南大学，2012.

[7]张 文．用各向同性材料测试胶层剪切模量[J]．西安矿业学院学报，1995(15)：38-40.

[8]杜 青，蔡美峰，李晓会．粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的分离式有限元模型[J]．工程力学，2007，24(3)：154-158.

Analysis of Mechanical Behavior of Steel Plate Interface Strengthened by Adhesion

JIANG Chaoyue,YUE Xiaomei

In recent years,with the rapid growth of traffic volume,the application of the steel plate adhesion reinforcement method is more and more widely applied to various bridge structures. In this paper,a large-scale finite element general software is used to establish a separate finite element simulation model for detailed research of interface force characteristics of steel plate adhesion reinforced concrete beams,so to acquire typical interface stress distribution curve. In the same time,the influence to interface stresses from plate thickness,adhesion layer thickness,steel plate cross-sectional shape and local void of steel plate are analyzed,and make feasible suggestions for rational paste layer thickness and wedge steel plate cross sectional shape,etc. to reduce the stress concentration at the interface of the steel plate,and to better ensure the coordinated force and deformation between the concrete beam and the steel plate.

steel plate adhesion reinforcement; interface stress; finite element analysis

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.019

湖北省交通厅科研项目(鄂交科教〔2011〕275号)

2016-09-02

蒋超越(1990-)，男，重庆市人，研究生，助工。

1009-6477(2016)06-0083-06

U441+.5

A