彭建新，李 炬，唐 皇，張建仁

(長沙理工大學(xué) 橋梁安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114)

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錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

彭建新，李 炬，唐 皇，張建仁

(長沙理工大學(xué) 橋梁安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114)

為了研究銹蝕鋼筋混凝土梁采用鋼板錨貼加固后的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了12根鋼筋混凝土梁，以設(shè)計(jì)銹蝕率為10%進(jìn)行電化學(xué)快速銹蝕。在錨貼鋼板加固前進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，裂縫寬度控制為0.2 mm。按保護(hù)層厚度分為3組，每組1根對比梁，其余3根分別按鋼板厚度3、4、5 mm進(jìn)行錨貼鋼板加固。加載對比試驗(yàn)研究表明：錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁的跨中截面應(yīng)變基本符合平截面假定，正常使用性能得到明顯改善，且極限承載力亦有明顯提高。錨貼鋼板有效地減小了銹蝕鋼筋混凝土梁的裂縫寬度和裂縫延伸高度，在相同保護(hù)層和銹蝕率相近時(shí)，鋼板厚度增加3～5 mm導(dǎo)致其撓度減小，且減小幅度為13%～51%。保護(hù)層厚度對加固梁的極限承載力影響不明顯。

鋼筋混凝土梁；鋼板；加固；裂縫；撓度；承載力

在橋梁長期運(yùn)行過程中，車輛軸重的增加、雨水的侵蝕都會導(dǎo)致鋼筋的銹蝕、混凝土的開裂，使得橋梁承載力降低、耐久性不足。學(xué)者們在鋼筋混凝土梁的銹蝕和加固方面做了大量研究。牛荻濤等[1]認(rèn)為鋼筋銹蝕程度對梁的承載力有明顯影響，鋼筋銹蝕率越大，承載力越小。金偉良等[2]給出了銹蝕鋼筋混凝土梁(以下簡稱銹蝕RC梁)受彎承載力計(jì)算模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。張建仁等[3]結(jié)合48片鋼筋混凝土梁的抗彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討了不同銹蝕率的鋼筋混凝土矩形梁極限抗彎承載力的變化規(guī)律，推導(dǎo)出了銹蝕鋼筋混凝土正截面抗彎承載力的計(jì)算公式。Goitseone等[4]通過試驗(yàn)研究了銹蝕RC梁在不同持續(xù)荷載下的結(jié)構(gòu)行為。

目前鋼筋混凝土梁加固方法主要有加大截面法、外粘型鋼法、粘貼纖維復(fù)合材法、粘貼鋼板法和錨貼鋼板法，研究較多的主要是后兩種加固方法。已有試驗(yàn)研究[5-11]通過對加固梁的裂縫、應(yīng)變、破壞模式和鋼板寬厚比等因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)梁底粘貼鋼板不僅能明顯提高梁的極限抗彎承載力，而且可以明顯減小構(gòu)件的撓度和裂縫寬度。而梁底錨貼鋼板是通過錨栓固定鋼板使得梁除了具有粘剛加固的特點(diǎn)外，還能有效地防止鋼板脫落[12-14]。Sabahattin等[15]對13根梁進(jìn)行了錨貼鋼板加固的試驗(yàn)研究，研究表明加固梁的極限承載力有顯著提高，其延性隨著鋼板厚度的減小而增加。宋一凡等[16]的研究表明錨貼鋼板加固法可明顯提高RC梁的承載力、改善抗變形能力，通過理論分析，提出了錨貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的計(jì)算方法。

由于目前關(guān)于錨貼鋼板加固的研究大部分都是在梁未銹蝕的情況下進(jìn)行的，銹蝕RC梁加固后的力學(xué)行為以及加固效果的報(bào)道相對較少。因此，筆者在考慮銹蝕的條件下進(jìn)行錨貼鋼板加固的對比試驗(yàn)研究，通過對裂縫、破壞模式、鋼板厚度等來驗(yàn)證錨貼鋼板法對銹蝕RC梁的加固效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用的12根試驗(yàn)梁按保護(hù)層厚度不同分為3組，混凝土強(qiáng)度為C25，每組中1根梁只銹蝕不加固。12根梁的尺寸以及配筋均相同，其中截面尺寸為300 mm×150 mm，長度為1.8 m。梁底主筋配2根直徑22 mm的螺紋鋼筋，架立筋直徑為14 mm，箍筋直徑為8 mm，箍筋間距100 mm，如圖1所示。實(shí)測梁底所配受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度(fy)為335 MPa，極限屈服強(qiáng)度441 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。銹蝕后的鋼筋強(qiáng)度也可由此換算得到。由標(biāo)準(zhǔn)試塊試驗(yàn)測得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度(fc)為18～25.8 MPa。試驗(yàn)中縱向受拉鋼筋的銹蝕采用電化學(xué)腐蝕方法，先將鋼筋混凝土梁浸泡在濃度5%的NaCl溶液中，以不銹鋼板作為陰極，鋼筋作為陽極，用恒定的直流電源通電腐蝕到設(shè)計(jì)的銹蝕率10%，電流密度為0.2 mA/cm2，通電時(shí)間按法拉第定律計(jì)算。待試驗(yàn)全部完成后，從試驗(yàn)梁中取出銹蝕鋼筋，用稀鹽酸除去鋼筋表面的鐵銹，測定鋼筋的實(shí)際銹蝕率。為了模擬實(shí)際工程中銹蝕RC梁受荷載作用存在裂縫的受力狀態(tài)，在鋼筋銹蝕后對梁進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。采用單點(diǎn)加載方式，以最大裂縫寬度不超過0.2 mm來加以控制。卸載后對梁進(jìn)行加固，加固鋼板為Q235，長1 400 mm，寬100 mm，厚度分別為3、4、5 mm，加固所用鋼板的屈服強(qiáng)度為235 MPa。錨栓采用固特邦公司的JN-S錨栓，參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)膠采用固特邦公司的JN建筑結(jié)構(gòu)膠。加固情況如表2所示。試驗(yàn)所測參數(shù)及試驗(yàn)梁的其他參數(shù)列入表3。

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及配筋圖(單位：mm)Fig.1 The dimension and reinforcing bars of test beams

螺桿尺寸螺桿應(yīng)截面積/mm2設(shè)計(jì)抗拉力/kN設(shè)計(jì)抗剪力/kN破壞錨固力/kN孔徑直徑D/mm鉆孔深度h/mm最大安裝厚度t/mmM12×16084.317.417.8≥43.81411025

表2 試驗(yàn)梁的加固參數(shù)

表3 試驗(yàn)梁參數(shù)

1.2 銹蝕梁的加固及加載方案

使用的錨貼鋼板加固方法是將事先鉆孔的鋼板在梁底就位，用電鉆對準(zhǔn)鋼板孔并垂直梁底面往混凝土中打孔，接著清除孔內(nèi)灰塵，將玻璃管錨固包推入孔底，為了防止鋼板脫落以及鋼板與混凝土產(chǎn)生滑移，用建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘結(jié)在RC銹蝕梁上，最后用錨栓將鋼板固定，使得RC銹蝕梁、鋼板和錨栓三者成為一個(gè)整體。其施工快捷、方便，施工質(zhì)量容易得到保證。

實(shí)驗(yàn)梁采用單點(diǎn)分級加載，先進(jìn)行的是對比梁的加載。首先以規(guī)范[17]計(jì)算出的未銹蝕梁的開裂荷載和極限荷載為依據(jù)對對比梁的兩值進(jìn)行預(yù)估，然后將對比梁加載至預(yù)壓開裂值，隨即以5 kN一級加載至極限荷載預(yù)測值的80%，再以2.5 kN一級加載至梁體破壞。加固梁的加載以加固前梁的預(yù)壓試驗(yàn)的開裂荷載為控制點(diǎn)，加固后每5 kN為一級加載到加固前的開裂荷載值，然后采用2 kN一級加載直到開裂，裂縫出現(xiàn)后每級增量為5 kN加載到對比梁的極限荷載的80%，隨即以每級增量不超過2.5 kN加載，直至梁最終破壞。在梁跨中的側(cè)面布置6個(gè)應(yīng)變片測量混凝土應(yīng)變，在鋼板上布置12個(gè)應(yīng)變片測量鋼板應(yīng)變，在梁的兩端支座、跨中加載點(diǎn)以及梁的1/4和3/4位置各布置1個(gè)百分表測量梁的撓度。

試驗(yàn)重點(diǎn)測量以下內(nèi)容：跨中混凝土的應(yīng)變、鋼板的應(yīng)變、各級荷載下?lián)隙?、裂縫的發(fā)展情況，采用裂縫觀測儀測定裂縫的寬度等。加載裝置及儀表布置如圖2所示。

圖2 加載裝置及儀表布置Fig.2 Loading fixture and instruments collocation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加固前后荷載的對比

從表4中可以看出，加固后梁的開裂荷載比加固前的要大，達(dá)到控制裂縫寬度的荷載提高了43%～98%。由此可知，該加固方法可以有效地改善銹蝕RC梁的正常使用性能，并且能很好地抑制裂縫的擴(kuò)展。

表4 加固前后的荷載

2.2 試驗(yàn)梁破壞特征分析

2.2.1 保護(hù)層影響 破壞時(shí)未加固梁BX是支座附近的斜裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致的斜拉破壞，主要是由于其保護(hù)層厚度較小，對梁的保護(hù)作用小，而銹蝕會造成混凝土脫落，導(dǎo)致梁的截面積和抗剪能力減小，而梁截面減小對抗剪能力的影響大于銹蝕對梁抗彎能力的影響。如圖3(a)所示，BY和BZ頂部混凝土被壓碎，是典型的適筋受彎破壞，加固后的梁均為斜裂縫迅速變寬導(dǎo)致的斜拉破壞。如圖3(b)，B5和B6的斜拉破壞都是支座處的斜裂縫導(dǎo)致的破壞。如圖3(c)，其余的加固梁與B8一樣都是位于鋼板端部對應(yīng)位置的斜裂縫導(dǎo)致的破壞。鋼板厚度相同時(shí)，保護(hù)層越厚的梁的臨界斜裂縫的寬度越寬，破壞時(shí)的承載力卻無很大差別。

圖3 部分試件梁的破壞特征Fig.3 The failure features of part of test beams

2.2.2 鋼板影響 保護(hù)層厚度相同時(shí)，加固鋼板越厚的梁自臨界斜裂縫出現(xiàn)后到梁破壞，能承受加載的時(shí)間更久，撓度越小，即抗變形能力更大，破壞斜裂縫沿水平方向的延伸越長。鋼板加固改變了銹蝕RC梁的破壞模式是因?yàn)殡S著荷載的增加，臨界斜裂縫迅速往荷載墊板方向伸展，左右兩端對稱的臨界斜裂縫寬度急劇增大，使梁體混凝土裂通，將梁與鋼板整體撕裂成兩部分，喪失承載力。梁破壞時(shí)，鋼板與錨栓均未脫落與移動，說明此種加固方法通過結(jié)構(gòu)膠和錨栓將鋼板與混凝土梁有效地凝結(jié)為了一個(gè)整體。同時(shí)為了防止斜拉破壞以及使鋼板更有效地與混凝土的協(xié)同工作，建議以后的研究中在彎剪區(qū)進(jìn)行U型箍加固。

2.3 裂縫分析

與對比梁相比，加固梁側(cè)面的裂縫出現(xiàn)得較晚且發(fā)展緩慢，錨貼鋼板加固梁的開裂荷載比未加固梁提高了50%～150%。由圖4可知，構(gòu)件開裂后在同一荷載作用下，加固梁的裂縫寬度和裂縫延伸高度比對比梁的小，說明鋼板加固能很好地抑制裂縫的擴(kuò)展。加固后梁的垂直裂縫基本在預(yù)裂裂縫基礎(chǔ)上發(fā)展，裂縫沿梁長分布較均勻。在加載后期，斜裂縫出現(xiàn)且發(fā)展迅速，使得少許垂直裂縫的寬度變窄甚至消失不見。由于是采用單點(diǎn)加載方式，梁的所有裂縫都有向加載點(diǎn)傾斜延伸的趨勢。保護(hù)層厚度相同且銹蝕率相近時(shí)，加固所用鋼板厚度越小的銹蝕RC梁，裂縫越細(xì)密，表明鋼板對梁的箍緊作用越明顯。錨貼鋼板加固銹蝕RC梁不僅可以提高構(gòu)件的開裂荷載，還可以有效地減緩裂縫的擴(kuò)展，彌補(bǔ)了銹蝕對裂縫的不利影響。因此，加固所用的鋼板不宜太厚，寬厚比要適中。

圖4 試驗(yàn)梁裂縫分布圖Fig.4 Cracking distributions of test beams

2.4 加固效果影響參數(shù)分析

2.4.1 鋼板厚度對加固效果的影響 由于梁的實(shí)際銹蝕率與設(shè)計(jì)值有偏差，對梁的極限承載力與撓度均有影響，因此在分析中著重對比銹蝕率最相近的梁。由圖5可以看出，與相應(yīng)的對比梁相比可知，同一荷載作用下，加固梁的平均撓度明顯小于對比梁，即加固梁具有更好的抵抗變形的能力。

1)保護(hù)層厚度為25 mm的加固梁的極限撓度有明顯減小，平均減小幅度為22%。保護(hù)層厚度為30 mm的加固梁，極限撓度減小幅度為26%～35%,平均減小29%。保護(hù)層厚度為35 mm的加固梁極限撓度減小幅度為13%～51%,平均減小32%。

2)由圖5分析可知，在加載初期，鋼板與混凝土協(xié)調(diào)變形，撓度曲線呈線彈性增長；在正常使用階段，加固梁的撓度基本呈線性增長，發(fā)展平緩；加固梁的鋼板及鋼筋屈服時(shí)，曲線有明顯的拐點(diǎn)。保護(hù)層厚度相同且銹蝕率相近時(shí)，同一荷載作用下，加固梁的撓度明顯小于對比梁，有效地提高了梁的剛度，但加固梁的延性卻降低了，加固鋼板越厚的梁降低幅度越大。隨著鋼板厚度的增加，加固梁的跨中撓度越小，剛度增大，極限承載力增大。由此表明，錨貼鋼板加固可以有效提高銹蝕RC梁的抗彎性能，亦要選擇厚度適宜的鋼板以便保證其得到充分利用。

圖5 荷載-撓度曲線Fig.5 Load versus mid-span deflection curves of specimens

2.4.2 保護(hù)層對加固效果的影響 由圖6可知，鋼板厚度為3 mm的梁的極限承載力相差很?。讳摪搴穸葹? mm的梁，從初始到加載至100 kN時(shí)，梁的撓度曲線基本一致，100 kN以后，保護(hù)層厚度越大的梁撓度略小一些；鋼板厚度為5 mm的梁加載到90 kN時(shí)，撓度曲線基本一致，隨著荷載的增加，保護(hù)層厚度越大，撓度越小，抗彎剛度更大，但極限承載力亦相差不大。由此可見，鋼板厚度相同且銹蝕率相近的情況下，保護(hù)層厚度越大，加固梁的開裂荷載越高，極限承載力相差較小。表明保護(hù)層厚度對梁的正常使用性能影響較大，但對極限承載力影響較小，主要是因?yàn)榧庸塘旱匿P蝕率對承載力的影響大于保護(hù)層對承載力的影響。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load versus mid-span deflection curves of specimens

2.5 應(yīng)變分析

由圖7可知，加固梁與對比梁的跨中截面應(yīng)變隨著荷載的增加，沿梁截面高度基本呈線性分布，符合平截面假定。隨著荷載的增加，對比梁的中性軸上升較快；加固梁由于先進(jìn)行了預(yù)壓試驗(yàn)，因此加固后梁帶裂縫工作，初始加載階段，荷載主要由鋼筋承擔(dān)，中性軸上升較快；荷載增大，鋼板開始與混凝土協(xié)同工作，一起承擔(dān)荷載，使得中性軸有所下移。隨后裂縫寬度增大與延伸，鋼板得到更多的利用，梁有了更大的變形能力，造成中性軸的上移，受壓區(qū)減小。在加載后期，由于斜裂縫的擴(kuò)展以及鋼板的局部屈服，曲線逐漸變得不規(guī)則，鋼板與梁的協(xié)調(diào)性也慢慢變差。

圖7 試驗(yàn)梁跨中沿截面高度應(yīng)變的變化Fig.7 Strain profile at mid-span cross-section of specimens

2.6 承載力分析

已有研究表明，鋼筋銹蝕使鋼筋截面面積減小，削弱鋼筋與混凝土間的粘結(jié)，從而對結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生顯著影響。由表4可知，較對比梁而言，銹蝕RC梁加固后的承載力有了明顯的提高。保護(hù)層為25 mm的梁極限承載力明顯提高，B1、B2和B3提高幅度分別為94%、82%和88%，B1的承載力比B2和B3的大是因?yàn)锽1的實(shí)際銹蝕率相對小一些；保護(hù)層30 mm的梁極限承載力提高13%～23%，保護(hù)層35 mm的梁極限承載力的提高幅度為6%～28%。鋼板越厚的加固梁，極限承載力提升越多，而不同保護(hù)層的梁的極限承載力大致相同。

由于錨栓的橫截面積滿足要求且受壓區(qū)高度未超過界限受壓高度，鋼板和受拉縱筋能達(dá)到屈服強(qiáng)度，因此錨貼鋼板加固銹蝕RC梁受彎承載力可以采用類似文獻(xiàn)[17]的計(jì)算方法，其中，由于架立筋主要是用來定位受拉主筋的位置以及混凝土強(qiáng)度滿足要求，不考慮其受力。而試驗(yàn)加入了銹蝕因素，銹蝕鋼筋與混凝土的協(xié)同作用減弱，需要對銹蝕鋼筋強(qiáng)度的利用率進(jìn)行折減，因此引入文獻(xiàn)[18-19]的銹蝕鋼筋強(qiáng)度利用參數(shù)來模擬鋼筋因銹蝕導(dǎo)致作用的減弱。由試驗(yàn)結(jié)果可知，混凝土梁的變形符合平截面假定。此外，為了公式的推導(dǎo)，作如下假定：1)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；2)鋼板和鋼筋均為理想彈塑性材料；3)鋼板、結(jié)構(gòu)膠和混凝土變形協(xié)調(diào)，未發(fā)生相對滑移。按文獻(xiàn)[17]計(jì)算簡圖可以表示圖8。

圖8 承載力計(jì)算簡圖Fig.8 Calculation of bearing capacity

由平衡條件可得

αscfycAsc+fypAyp=α1fcbx

(1)

(2)

式中：αsc為銹蝕鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù)；tp為鋼板厚度；as為鋼筋截面重心到受拉邊緣的距離；fyc和fyp分別為銹蝕鋼筋和加固鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asc和Ayp分別為銹蝕鋼筋和鋼板的截面面積。

由文獻(xiàn)[18]可得，銹蝕鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù)αsc

可分3種方式確定。由于試驗(yàn)結(jié)果所測得的鋼筋銹蝕深度大于0.3 mm，故取第2種方式。

(3)

式中：當(dāng)αsc計(jì)算大于1.0時(shí)，取1.0。

銹蝕鋼筋混凝土梁的截面配筋指標(biāo)由文獻(xiàn)[19]得到為

(4)

(5)

(6)

式中δ為鋼筋銹蝕率。

計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)值以及兩者的比值在表5列出。由表5可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值符合良好。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

1)錨貼鋼板加固銹蝕RC梁可以有效地提高極限承載力，提高幅度可達(dá)6%～94%，幅度跨度大的原因是對比梁BX的銹蝕率超出設(shè)計(jì)銹蝕率2.1%，導(dǎo)致其極限承載力明顯比BY和BZ的小。極限撓度明顯減小，減小幅度為13%～51%。

2)加固梁至始至終沒有發(fā)生鋼板剝離破壞，而是發(fā)生的斜拉破壞，說明錨栓與結(jié)構(gòu)膠共同錨貼鋼板能夠很好地保證鋼板與梁的協(xié)同作用。梁破壞時(shí)沒有明顯的預(yù)兆，加固梁的延性較差。

3)錨貼鋼板加固銹蝕RC梁的跨中截面應(yīng)變隨荷載的增加仍基本符合平截面假定。

4)保護(hù)層厚度相同且銹蝕率相近時(shí)，鋼板厚度越大，加固梁的承載力越高，但提高幅度不大，故需選擇合適厚度的鋼板以保證其有效利用；同一荷載下，鋼板厚度越大，梁撓度越小。銹蝕率較大且鋼板厚度相同時(shí)，保護(hù)層厚度對加固后的銹蝕RC梁影響不大。

5)給出了錨貼鋼板加固銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力計(jì)算方法。另外，為了保證鋼板能更有效地與混凝土協(xié)同工作，建議以后研究中在梁彎剪區(qū)用U型鋼板箍加固。

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(編輯 胡英奎)

Experimental analysis of strengthening effect of corroded reinforced concrete beams strengthened with bolted steel plates

PengJianxin，LiJu，TangHuang，ZhangJianren

(Key Lab for Safety Control of Bridge Engineering by Hunan Province and Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, P R China)

corroded reinforced concrete beam；steel plate；strengthening；crack；deflection；bearing capacity

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.015

2014-07-29

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973項(xiàng)目)(2015CB057706)；國家自然科學(xué)基金(51178060、51378081)；交通運(yùn)輸部主干學(xué)科應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014319825160)；中國博士后科學(xué)基金(2014M552127)；長沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(13K04)

彭建新(1978-)，男，副教授，博士(后)，主要從事混凝土橋梁結(jié)構(gòu)劣化、維修加固及可靠度研究，(E-mail)719698432@qq.com。

Foundation item：Key Basic Research Development Program of China(973 Program)(No.2015CB057706)；National Natural Science Foundation of China(No.51178060、51378081)；Application Basic Research of Major Subject of Ministry of Transportation(No.2014319825160)；China Postdoctoral Science Foundation(No.2014M552127)；Open Fund of Key Laboratory of Bridge Engineering at Changsha University of Science & Technology of Hunan Province(No.13K04)

TU375.1

A

1674-4764(2015)01-0088-08

Received：2014-07-29

Author brief：Peng Jianxin(1978-),PhD,associate professor,main research intrest:concrete bridge structural deterioration,repair and reliability,(E-mail)719698432@qq.com.