卜良桃，鐘 千

（湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

鋼結構自重輕，強度高，在工程結構中應用廣泛。對于鋼結構構件的加固，是工程領域的一大難題，目前我國已制定相關規(guī)范標準［1-2］來指導鋼結構的改造加固，其中涉及增大截面，增設支點等方法。粘貼鋼板加固是其中一種高效的鋼結構加固方法，采用結構膠將薄鋼板與缺陷鋼結構構件粘接，形成整體受力體系，以提高原構件強度、剛度和穩(wěn)定性。相對于傳統(tǒng)焊接加固法，粘貼鋼板加固法不僅避免了焊接殘余應力、焊接裂縫對結構的不利影響，并且具有施工簡便快捷，不產(chǎn)生高溫氣體，經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，國內外對粘貼鋼板加固鋼結構的試驗研究較少，盧亦焱等［3-4］進行了粘鋼加固薄壁鋼管柱試驗研究；隋炳強等［5］對粘鋼加固鋼管柱進行全過程數(shù)值模擬，然而對于粘鋼加固型鋼柱方面的試驗研究較少，且現(xiàn)行加固規(guī)范中關于粘貼鋼板加固法的計算方法缺乏試驗依據(jù)。鑒于上述研究僅限于加固管材，對象單一，筆者設計4根足尺H型鋼柱，研究粘貼薄鋼板加固對試驗柱軸壓承載力和變形的影響。本文試驗成果能對相關加固規(guī)范理論公式進行有效驗證，并為工程鋼結構粘貼鋼板加固技術的應用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件材料

本試驗以加固鋼板厚度和錨固螺栓間距為參數(shù)，試驗設計了4根Q235B的H型鋼柱試件，各試件參數(shù)見表1。柱高均為3 000 mm，截面尺寸為250 mm×250 mm×9 mm×9 mm，加固鋼板為Q235B普通碳素鋼，長2 960 mm，寬250 mm，沿H型鋼柱兩翼緣進行加固［6］，未加固鋼柱及加固鋼柱截面示意圖如圖1所示。錨固螺栓選用M10的4.8級普通螺栓。鋼板常溫下力學性能指標見表2。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters.of specimen mm

圖1 試件截面示意圖Figure 1 Dimension of specimen section

表2 鋼板主要力學性能指標Table 2 Mechanical properties of steel plates

1.2 試件制作

采用粘貼鋼板加固法對H型鋼柱兩翼緣全長對稱加固。加固前對型鋼和鋼板的粘接面進行打磨、清洗、風干。加固使用的結構膠為雙組分A、B膠，按質量比10∶3，并摻入1%的小鋼珠，攪拌均勻后立即涂抹在型鋼及鋼板的粘接面上，膠層厚度為1.5 mm［7］。膠層涂抹均勻后將鋼板粘貼在型鋼柱上并使用4.8級的普通螺栓進行錨固，錨固方式為沿柱高方向均勻分布錨固兩列螺栓，為防止鋼板受螺栓桿擠壓發(fā)生沖剪破壞［8］，螺栓距翼緣外側邊緣30 mm?？紤]到端部剝離應力最大［9］，對端部螺栓間距進行加密處理，螺栓布置示意圖如圖2所示。

圖2 型鋼翼緣螺栓布置示意圖Figure 2 The arrangement of bolt hole

1.3 加載方案

本試驗采用500 t千斤頂加載。在試件兩端各焊接20 mm厚的端板以保證鋼柱受壓均勻，并安放在單刀鉸支座上。采用高精度激光投線儀進行幾何對中。正式加載前進行預加載，檢查各儀器儀表正常工作。正式加載采用分級加載的方式，荷載增量為100 kN，每級荷載持荷10 min后進行讀數(shù)記錄。

1.4 測試方案

在各試件的1／2柱高和端部截面布置應變片，用于分析臨界截面的應變隨荷載變化情況。對于加固構件，在型鋼翼緣和對應位置的加固層鋼板上分別布置應變片，實測兩者在軸力作用下的應變差異，可分析其共同工作性能。各試件的應變測點布置如圖3所示。

圖3 試件截面應變測點布置Figure 3 Layout of strain gauges

各試件柱布置4個百分表，編號為B1～B4。B1、B2分別測量試件1／2柱高處弱軸、強軸方向的橫向位移；B3、B4測量鋼柱的軸向壓縮變形。加載裝置示意圖如圖4所示。

圖4 加載裝置示意圖Figure 4 Schematic diagram of loading device

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

實測各試件的極限承載力Pu及對應的軸向位移 Δv，u及1／2柱高處水平位移 Δh，u如表3所示。

表3 試件極限承載力及變形Table 3 Ultimate bearing capacity and deformation

各試件的荷載P與軸向位移 Δv和1／2柱高處水平位移Δh的關系曲線分別如圖5和圖6所示。試件的軸向位移Δv包括鋼柱在軸向壓力作用下的軸向壓縮變形量Δ1和柱端由于整體彎曲變形的位移量Δ2

［3］。從圖5中可以看出，在線彈性階段軸向位移表現(xiàn)為軸向壓縮變形，而且經(jīng)過粘貼鋼板加固后，在相同的荷載作用下，鋼柱的軸向位移變小，隨著加固鋼板變厚，試件的比例極限提高［10］。這表明加固后鋼柱的軸壓剛度提高，其軸壓剛度由大到小依次為QZS2、QZS1、QZS3、QZS0。這是由于在線彈性階段加固鋼板與型鋼能很好的共同工作［1］，相當于增大原構件截面面積。但是型鋼與加固鋼板之間靠結構膠傳遞剪力來實現(xiàn)變形協(xié)調，考慮結構膠本身的剪切變形及加固柱截面受螺栓孔削弱等原因，加固鋼板的剛度會有一定折減［11］。

圖5 荷載-軸向位移曲線Figure 5 Load-axial displacement curve

由圖6可以看出柱子在線性階段處于良好的軸心受力狀態(tài)，1／2柱高處的水平位移變化不大，當荷載增大到極限荷載的80%左右時，1／2柱高處的水平位移開始進入快速發(fā)展階段，達到極限荷載后，由于膠層剝離導致應力重分布，試件的塑性變形急劇增加，1／2柱高處水平位移變化速度也達到峰值。此后荷載降低，變形持續(xù)增大。相對于未加固柱，加固鋼柱的水平位移得到限制。

圖6 荷載-水平位移 （1／2柱高處）曲線Figure 6 Load-horizontal displacement（1／2h）curve

各試件1／2柱高處腹板的荷載——型鋼應變曲線如圖7所示，在線彈性階段，相對于未加固鋼柱截面，相同荷載作用下，加固后鋼柱截面應變減小；屈服應變對應的荷載值相應增大。表明加固鋼板與型鋼能夠共同工作，提高構件的軸壓剛度。

2.2 破壞形態(tài)

試件從加載到破壞可分為3個階段：

線彈性階段：當荷載低于極限荷載約80%時，荷載-應變曲線呈現(xiàn)線性關系。荷載通過結構膠從型鋼傳遞到鋼板上使鋼板與型鋼變形協(xié)調［3］，兩者能較好的共同工作。此時鋼柱整體處于彈性工作階段。由于膠層本身的剪切變形會導致加固鋼板有一定的應變滯后［8-9］。

圖7 荷載-腹板應變曲線Figure 7 Load-strain curve

彈塑性階段：當荷載超過極限荷載的80%后，隨著荷載增大，型鋼截面應變不再隨荷載線性變化，每級荷載作用下的應變增量變大，荷載加載速度開始變慢。當翼緣邊緣達到屈服應變后，1／2柱高處橫向變形開始快速發(fā)展，構件整體彎曲變形。由于加固鋼板還未屈服，荷載仍緩慢增長。

破壞階段：隨著變形繼續(xù)增大，受壓側加固鋼板也達到屈服，荷載不再繼續(xù)增大，變形持續(xù)增長。端部膠層的剪應力最先達到容許剪應力，膠層破壞后鋼板與型鋼出現(xiàn)剝離，可以聽見清脆的剝離聲響，剝離部位鋼板應力部分釋放，應力重分布導致型鋼翼緣急速變形，構件喪失承載力，荷載開始回落。在兩排螺栓間隔區(qū)域，加固鋼板與型鋼翼緣發(fā)生剝離，剝離區(qū)域逐漸向柱中部發(fā)展，加固鋼板逐漸退出工作，型鋼塑性變形急劇增大，荷載迅速降低。卸載后殘余變形明顯。典型的破壞模式如圖8所示。

2.3 協(xié)同工作性能

本試驗對比柱QZS0（未加固柱）荷載應變曲線如圖9（a）所示；各加固柱1／2柱高處截面型鋼與加固鋼板的荷載應變關系分別如圖9（b）、（c）、（d）所示，由圖9可知，加固鋼板與型鋼翼緣能夠良好的協(xié)調變形，共同承擔截面應力，在相同荷載作用下，加固后構件應力水平明顯降低。但截面壓應變并非均勻分布。由于膠層剪切變形，在線彈性階段，每級荷載作用下加固鋼板的應變增量會略低于型鋼應變增量，型鋼會比加固鋼板先達到屈服應變此時加固鋼板應變接近屈服應變，所以在型鋼應變達到屈服應變后，荷載仍可緩慢增加。在彈塑性階段，加固鋼板應變會隨著型鋼屈服而迅速增長至屈服應變，此后由于塑性變形過大導致膠層剝離破壞、錨固螺栓剪斷，加固鋼板退出工作，應力重分布，型鋼應變大幅增加。

圖8 典型的破壞形態(tài)圖Figure 8 Typical failure mode

2.4 承載力計算

由圖5荷載與軸向位移曲線可知加固后鋼柱的軸壓剛度隨加固鋼板厚度增大而提高。但是其剛度提升并非線性變化，以未加固柱QZS0剛度當做“1”，根據(jù)線性階段1／2柱高處截面的應變值計算試件軸壓剛度試驗值；以截面面積計算出3根加固試件的軸壓剛度計算值，計算出剛度折減系數(shù)ξ如表4所示。

各加固試件的穩(wěn)定承載力參照文獻［6］的計算方法，對于實腹式軸心受壓構件，其整體穩(wěn)定性計算公式為：

其中，N為構件所受總軸心壓力；φA為軸心受壓構件穩(wěn)定系數(shù)，按文獻［1］C類截面系數(shù)表格查??；A為構件加固后的截面面積；ηn為軸心受力加固構件強度降低系數(shù)，取0.9；f*為鋼材換算強度。

圖9 試件荷載-應變曲線Figure 9 Load-strain curve

將表1、表2中試件截面參數(shù)和鋼材屈服強度代入公式計算，計算結果如表4所示。由表4可知計算值與試驗值吻合較好且均低于試驗值，表明現(xiàn)行規(guī)范公式偏于安全。對工程實踐具有指導意義。

表4 加固試件極限承載力及剛度Table 4 Ultimate bearing capacity and rigidity

3 對比分析

3.1 粘貼鋼板厚度

由表3可知，相對于未加固柱，翼緣對稱全長粘貼鋼板加固能提升軸壓鋼柱的極限承載力，粘貼鋼板厚度對柱的極限承載能力有明顯影響，其中粘貼4 mm和6 mm鋼板的鋼柱承載力提升分別為30.9%和41.1%。但由于膠層的粘結滑移影響，當加固鋼板厚度過大時容易發(fā)生剝離破壞［12］，此時加固鋼板釋放的應力過大會導致型鋼提前進入塑性階段，不利于結構繼續(xù)承載。

由表4可知隨著加固鋼板厚度的增加，加固柱軸向位移和水平位移均減小，但粘貼鋼板厚度越大，其軸壓剛度折減效應越明顯。粘貼4 mm鋼板的鋼柱QZS1和6 mm鋼板的鋼柱QZS2軸壓剛度相比較未加固柱分別提升24.8%和31.2%，軸壓剛度折減系數(shù)分別為0.957和0.902。

3.2 錨固螺栓間距

錨固螺栓主要表現(xiàn)為構造作用，膠層剝離后，荷載基本不再增加，由表3可知，減小錨固螺栓間距對承載力提升作用不明顯，同樣粘貼4 mm鋼板的試件QZS1相對于試件QZS3，承載力提升改變量只有3.1%。

根據(jù)測得的應變數(shù)據(jù)，當粘貼鋼板厚度相同時，減小錨固螺栓間距可以減小線彈性階段每級荷載作用下型鋼與加固鋼板應變差值，如圖8（b）、（d）所示。這表明減小錨固螺栓間距可以增強加固鋼板與型鋼的協(xié)同變形能力，由表4中剛度折減系數(shù)可知柱QZS1相對于柱QZS3剛度折減更少。但是螺栓布置過密，鋼柱截面也會受到削弱，螺栓孔附近應力集中問題更加嚴重［8］。

4 結論

通過對粘貼鋼板加固H型鋼柱軸壓性能試驗研究，可以得到以下結論：

a.粘貼鋼板加固法能有效提高H型鋼柱軸心受壓承載能力，文中3根足尺型鋼加固柱的軸心受壓極限承載能力提高幅度約27.8%～41.1%。

b.采用粘貼薄鋼板加固后，H型鋼柱軸心受壓時柱身軸向位移和水平位移得到有效控制，被加固柱剛度提高。

c.粘貼鋼板的加固效果與H型鋼柱翼緣粘貼的鋼板厚度和錨固螺栓間距有關。在一定范圍內，粘貼鋼板厚度越大，螺栓間距越小時，被加固H型鋼柱承載力提高幅度越大，柱軸心受力性能更好。通過計算分析，驗證了現(xiàn)行規(guī)范公式計算方法的可靠性。

d.粘貼鋼板加固法是一種有效的鋼結構加固方法，具有重要的工程應用價值。