不同钢板加固方式对锈蚀钢筋混凝土梁承载性能的影响

唐皇 彭建新 王晗

摘 要：为了研究不同钢板加固方式对锈蚀钢筋混凝土梁承载性能的影响，探索不同钢板加固方式的加固效果，通过静力荷载试验对比研究了钢板抗弯加固、抗剪加固和抗弯抗剪组合加固锈蚀RC梁在承载力、变形、破坏模式和延性等方面的特点，分析了不同加固方式的优缺点。研究结果表明：组合加固效果最明显，其极限承载力比锈蚀梁提高了107.7%;对于抗弯加固锈蚀梁，钢板厚度分别为3、4、5 mm时，厚度每增加1 mm，其极限承载力增加7～18 kN;组合加固锈蚀梁的抗变形能力最强，其次是抗弯加固锈蚀梁，且钢板厚度增加对抗弯加固锈蚀梁的抗变形能力有积极作用;组合加固较其他两种加固方式能更有效地提高锈蚀梁的延性，其延性相比锈蚀梁提高了320.4%，其次是抗剪加固锈蚀梁;抗弯加固锈蚀梁的延性比其他两种加固梁小，且随着钢板厚度增加，其延性先增加后减小。评价抗弯和抗剪加固锈蚀梁的加固效果时，需综合考虑抗变形能力和延性。

关键词：钢筋混凝土梁;锈蚀;承载力;钢板;加固

中图分类号：TU375.1 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2020）06-0103-09

Abstract： In order to explore the influence of different steel plate strengthening methods on the bearing capacity of corroded RC beams， the strengthening effect of different strengthening schemes is explored. The characteristics in the bearing capacity， deformation， failure mode and ductility of corroded RC beams strengthening by steel plate with flexural strengthening schemes， shear strengthening scheme， and flexure-shear combination strengthening scheme are compared， respectively， and the advantages and disadvantages of different strengthening schemes are analyzed. The results show that for the flexure-strengthened corroded beam which steel plate thickness are 3 mm， 4 mm and 5 mm， respectively， the ultimate bearing capacity increased by 7～18 kN with 1 mm increases of steel plate thickness. The effect of combined strengthening is most significant， and the ultimate bearing capacity increased by 107.7% compared with corroded beams. Combined strengthened corroded beams have the strongest deformation resistance， the following is flexure-strengthened corroded beams， and the increases of steel plate thickness has a positive effect on the deformation resistance of flexure-strengthened corroded beam. The combined strengthening scheme is more effective in improving the ductility of corroded beam than the other two strengthening schemes， the ductility of which is improved by 320.4% compared with corroded beam， followed by shear strengthened corroded beams. The ductility of flexure-strengthened corroded beam is smaller than other two kinds of strengthened beams， and it increases in the begining and then decreases with the increases of steel plate thickness. The deformation resistance and ductility should be considered comprehensively when evaluating the strengthening effect of flexural and shear-strengthened corroded beams.

Keywords：reinforced concrete beam; corrosion; load-carrying capacity; steel plate; strengthening

唐皇，等：不同鋼板加固方式对锈蚀钢筋混凝土梁承载性能的影响钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土（RC）结构承载性能退化的主要原因之一。中国现有公路桥梁中，超过15%的RC桥梁由于钢筋锈蚀导致了保护层剥落、混凝土开裂和钢筋断裂等病害[1]。因此，需要合理的维修加固方式对桥梁进行加固处理，以保持其服役性能。

作为一种施工方便、经济和效果明显的加固方法，钢板加固已经在RC结构加固工程中广泛应用，其中，主要加固方式分为抗弯加固、抗剪加固和抗弯抗剪组合加固。学者们对于抗弯加固、抗剪加固和抗弯抗剪组合加固不锈蚀RC梁的承载力、破坏模式和变形性能等力学指标进行了一系列研究[2-8]，获得了许多有意义的成果。Aykac等[2]通过试验研究了外贴钢板组合加固RC梁的抗弯性能，分析了钢板厚度、锚钉锚固和侧贴钢板锚固对试验梁性能的影响。Chang等[3]提出了基于应变局部化机理的新加固体系来解决钢板抗弯加固后脱落的问题。吴振丽等[4]以4根侧面锚固钢板加固RC梁（BSP梁）受剪性能试验研究为基础，基于有限元软件Opensees建立了BSP梁的非线性有限元模型，模拟了构件加载全过程和受剪破坏时的受力性能。刘阳等[5]采用U形预应力钢板箍对T形截面RC梁进行受剪加固，研究U形钢板箍间距和预应力水平对加固RC梁受剪性能的影响。上述研究都未考虑钢筋锈蚀对加固效应的影响，然而钢板加固往往是在钢筋锈蚀引起承载性能退化后进行，对RC结构锈蚀后加固的力学性能研究是有意义的[9]。Peng等[9]通过试验研究了锚贴钢板抗弯加固锈蚀RC梁承载性能，分析了保护层厚度、钢板厚度和锈蚀率对极限承载力和挠度的影响。张建仁等[10-11]利用桁架原理和微元法建立了钢板抗弯加固锈蚀RC梁的极限承载力和荷载挠度曲线的理论计算方法。Tang等[12]和张建仁等[13]研究了二次锈蚀对于抗剪加固锈蚀RC梁承载性能的影响。上述研究主要针对单一加固方式对锈蚀RC梁加固后承载性能的影响，没有对比分析不同加固方式之间的加固效果。对比不同加固方式的锈蚀RC梁的力学性能，揭示不同加固方式的优缺点，可为实际工程中桥梁加固方案选择和设计提供依据。

笔者通过静力荷载试验研究锈蚀RC梁在不同钢板加固方式作用下的承载性能，对比分析了抗弯、抗剪和抗弯抗剪组合加固锈蚀RC梁的破坏模式、裂缝分布、挠度、承载力和延性等力学指标，比较了不同加固方式的优缺点。

1 试验研究

1.1 试件设计

共设计8片RC梁，其设计参数如表1所示。表中梁P1为不锈蚀梁，P2为锈蚀梁，梁PSC-1、PSC-2和PSC-3为抗弯加固锈蚀梁，梁PUC为抗剪加固锈蚀梁，梁PSU为抗弯抗剪组合加固锈蚀梁。所有梁的混凝土设计抗压强度均为30 MPa，通过混凝土抗压强度标准实验获得实际抗压强度为30.2 MPa。梁保护层厚度均为25 mm。加固钢板采用Q235级钢板。试验梁制作时，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）[14]，梁内钢筋采用HRB335级钢筋，试验梁极限承载力和变形满足规范要求。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[15]，建议钢筋混凝土桥梁不再使用HRB335级钢筋，而使用HRB400级钢筋，不会影响试验梁的加固效果。通过材料性能试验，试验梁中的箍筋、架立筋和受拉钢筋的屈服强度分别为335、334.8、334 MPa。试验梁配筋图如图1所示。试验采用实验室电化学快速腐蚀方法使所有试验梁的受拉纵向钢筋锈蚀，腐蚀装置如图2所示。3种加固方式如图3所示。

1.2 试验梁加载程序

试验梁制作完毕后，在标准养护条件下养护7 d，然后利用500 kN千斤顶进行加载。试验中，分别在梁支座、1/4点处和跨中处安装百分表测量试验梁挠度。混凝土应变由沿梁高粘贴的6个电阻应变片测得，应变片间距为50 mm。钢板的应变由两锚钉之间的应变片测得。试验梁加载如图4所示。加载开始后，加载荷载每级2 kN，直到试验梁出现裂缝。当试验梁开裂后，荷载调至10 kN一级，每一级测量裂缝宽度，用签字笔描绘裂缝发展情况，并记录应变和挠度数据。

2 试验结果分析

所有试验梁的试验结果见表2。表中Pcf、Pcd和Pu分别表示出现弯曲裂缝时的荷载、出现斜裂缝时的荷载和极限荷载，Pul为试验梁理论极限荷载，Du为极限荷载对应的跨中极限挠度。依据文献[1]中钢板抗剪和组合加固锈蚀RC梁承载力计算方法，以及文献[11]中钢板抗弯加固锈蚀RC梁承载力计算模型，获得了各加固梁的承载力理论值，对比梁的承载力理论值采用《混凝土结构设计规范》[16]中的计算方法。文献[1，11]中的计算模型根据试验梁的破坏模式进行受力分析，由于篇幅有限，仅列出抗弯加固锈蚀RC梁的计算方法，见式（1）。另外，根据《混凝土结构加固设计规范》[17]中钢板加固RC梁抗弯和抗剪承载力计算公式，反推了极限荷载值。在规范中并没有考虑钢筋的锈蚀，锈蚀钢筋截面积和屈服强度采用文献[11]中的理论模型。

对于梁PUC和梁PSU，文献[1]中极限荷载计算模型是根据《混凝土加固设计规范》[17]抗弯承载力计算方法改进而来，并考虑U型箍对抗弯承载力的作用。梁PUC抗弯极限荷载规范值比Pul小，这是因为规范值没有考虑U型箍对抗弯性能的影响。梁PSU极限荷载计算模型还考虑了支座处由于钢筋锈蚀导致混凝土提前破坏时的钢板受力情况，但规范中并没有考虑，因此，表2中的规范计算值比Pul大。

从表2中可以看出，文献[1，11]中的理论模型能够更精确地预测加固梁的极限荷载。加固梁的极限荷载试验值和理论值之间比值在0.94～1.01之间，说明3种加固方式的加固效果达到了理论预期。

2.1 破坏模式

图5展示了部分试验梁的破坏模式。从图5可以看出，梁P1和梁P2的破坏模式是由受拉钢筋屈服和顶部混凝土压碎所引起的受弯破壞，属于正常的普通简支梁破坏模式。抗弯加固梁PSC-0、PSC-1、PSC-2和PSC-3的破坏模式为斜拉破坏，而且抗弯加固锈蚀梁钢板边缘处受拉区混凝土与钢板一起脱落。此破坏模式由以下原因造成：在钢板边缘与支座之间存在未加固区域，底面钢板加固显著增强了梁的抗弯性能，这可以从表2中的抗弯和抗剪极限荷载看出，抗弯和抗剪承载力差值较大导致加固钢板与未加固区域边缘容易出现斜裂缝，在未加固区抗剪能力没有增强的情况下，钢板抑制了弯曲裂缝的发展。对于未锈蚀梁PSC-0，斜裂缝出现后，斜裂缝迅速向斜上方约45°发展，最终导致了斜拉破坏。对于锈蚀加固梁PSC-1、PSC-2和PSC-3而言，钢筋锈蚀导致钢筋与受拉区混凝土之间的粘结作用降低，斜裂缝沿着纵向钢筋与混凝土接触面发展，最终导致混凝土随钢板脱落。

结合荷载挠度分析结果可以看出，虽然同一荷载下，梁PUC的抗变形能力低于梁PSU和梁PSC-3，但其整体延性比梁PSC-3要大。另外，钢板厚度的增加对抗弯加固锈蚀梁的抗变形能力有积极作用，但整体延性却是随钢板厚度增加先增后减。因此可以表明，对于抗变形能力弱的抗剪加固锈蚀梁，其整体延性并不一定比其他加固梁弱，钢板厚度增加并不能始终有利于抗弯加固锈蚀梁的承载性能，评价其加固效果时需综合考虑抗变形能力和延性。

3 结论

通过静力荷载试验对比分析了钢板抗弯加固、抗剪加固和抗弯抗剪组合加固锈蚀RC梁在承载力、变形、破坏模式和延性等方面的特点，分析了不同加固方式的优缺点，根据试验和分析结果，得到如下结论：

1）与锈蚀梁和不锈蚀梁相比，钢板加固能有效提高梁的极限承载力。

组合加固效果最明显，其极限承载力比锈蚀梁提高了107.7%。抗弯加固锈蚀梁钢板厚度分别为3、4、5 mm时，厚度每增加1 mm，其极承载力增加7～18 kN。

2）每种加固方式都能提高锈蚀梁的抗变形性能，组合加固锈蚀梁的抗变形能力最强，其次是抗弯加固锈蚀梁，同时，钢板厚度的增加对抗弯加固锈蚀梁的抗变形能力有积极作用。

3）组合加固比其他两种加固方式能更有效地提高锈蚀梁的延性，相比锈蚀梁延性提高达320.4%，其次是抗剪加固锈蚀梁。抗弯加固锈蚀梁的延性相比前两种梁都要小，并且随着钢板厚度的增加先增加后减小。评价抗弯和抗剪加固锈蚀梁的加固效果时需综合考虑抗变形能力和延性。参考文献：

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（编辑 胡英奎）