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钢筋混凝土结构粘钢加固新技术的研究与应用
发布时间:2012-5-18 阅读:4594次  
1 引言

自建国以来,我国修建了许多混凝土及钢筋混凝土建筑物,如按照设计基准期为50年计算,这些建筑物已分别进入了中年期或老年期,多数已有不同程度的损坏或老化,如裂缝、渗漏、剥落、缺损、钢筋锈蚀等,急需修复。混凝土结构的修补加固是近年来国内外发展起来的一门新兴学科,有关其试验研究、理论分析及规范编制等工作目前尚处于起步阶段,对于传统的加大截面法、外包钢法、预应力法及改变结构传力途径等补强加固方法,虽然多数经工程实践证明是可行的,但就简化施工,满足生产要求而言,又都存在不足。诸如,施工工期长,占据使用空间;构件尺寸增大,加固总费用高等。所以,近年来有关混凝土结构补强加固的新技术,如外包或内衬玻璃法以及粘钢加固法等已逐渐在工程中广泛应用。

2 粘钢加固技术的特点

所谓粘钢补强加固技术,就是当钢筋混凝土构件的承载力不足或由于过度的变形、裂缝而影响结构的正常使用时,通过粘结剂(建筑结构胶)将钢板粘贴到钢筋混凝土构件外部适当位置来满足结构承载力要求或正常使用要求的一项技术措施。

粘钢加固技术与传统加固技术相比,具有以下优点:

(1) 胶粘剂硬化时间短。一般构件加固33天后即可受力使用,加固时不必停产或少停产,只需卸除构件承担的全部或部分荷载,施工工期很短,特别适用于应急的加固工程。

(2) 工艺简单,施工方便。只需对被加固构件的表面进行处理,用粘结剂将钢板与之牢固地粘结成一个整体,就能使钢板与原构件很好地共同工作,且不需特殊设备,所需劳动力少,易于操作。
(3) 胶粘剂的粘结强度高于混凝土、石材等,可以使加固体与原构件形成一个良好的整体,受力较均匀,不会在混凝土中产生应力集中现象。
(4) 粘贴钢板所占空间小、几乎不增加构件的断面尺寸和重量,不影响建筑物的使用净空间、不影响构件的外观。
(5) 加固效果显著,不仅相当于补充了原构件的配筋,可较大幅度地提高其承载能力,而且通过粘贴钢板可有效地保护原构件的混凝土不再产生裂缝或使已有的裂缝得到控制而不继续扩展,加强了结构的整体性,提高了原构件的整体刚度。

基于上述特点,该技术近年来在实际工程加固中得到广泛地应用,发展很快,已成为诸多加固方案中优先考虑的方案。

3 粘钢加固技术研究现状

3.1 粘钢加固构件的静载试验研究

目前国内外对粘钢加固构件的静载试验研究,主要涉及到试验过程中各种不同因素对粘钢构件结构性能(极限强度、开裂荷载、刚度、变形、延性和破坏类型等)的影响。其中包括:钢板厚度、胶层厚度、混凝土强度、粘结剂性能、锚固型式等。

以钢筋混凝土梁为例,粘钢梁与未粘钢的同类梁相比,开裂荷载可增加35%~105%;粘钢梁的刚度随胶层厚度增加而增加,但胶层厚度对其极限强度影响很小;胶的稠度对其结构性能影响也较小;粘贴钢板的截面积与钢筋截面积的比值越大,受拉钢筋的应力降低幅度也越大、对梁的刚度的提高也越明显;通常随钢板厚度的增加,破坏由钢板的屈服转变为钢板的剥离;钢板的粘结长度应适当,如过长,梁会由弯曲破坏变为剪切或剪弯破坏。

粘钢补强可大幅度提高构件的承载力和刚度;在较大范围内有效地防止和抑制裂缝扩展,扩大原结构的弹性工作范围,提高其延伸性;经粘钢补强的弯曲构件,多数皆因斜截面强度不足而引起支座附近的剪切破坏,因此补强加固设计时,除应在底部受拉区粘贴钢板外,还应考虑在支座处粘贴箍板适当加强;梁端采用螺栓和U型箍板锚固,既可弥补锚固长度的不足,又可抵制钢板端部的剥离力;同时,U型箍板锚固还可改善较厚钢板延性偏低的缺陷。

3.2 粘钢加固技术的动载试验研究

粘钢加固技术在实际应用过程中,常会遇到动载作用下的情况,如公路桥梁、吊车梁、各种抗震结构等。为此需要研究钢筋混凝土梁在动载下的力学性能,但有关动载试验的研究成果目前报道较少。

国内有人曾对采用胶粘、膨胀螺栓锚固及胶栓共同粘锚等三种方法加固的梁进行动载对比试验。结果表明:膨胀螺栓固梁抗疲劳性能较差;胶粘梁抗疲劳性能不稳定,粘结质量好则效果好,破坏时钢板被拉断,粘结不好,循环几万次就因梁端钢板处胶层剪切滑移而破坏;胶栓共同粘锚梁抗疲劳性能较好,破坏发生在梁跨中弯矩****区段,钢板全部被拉断。胶栓结合梁在80万次前,挠度增加甚微,80万~150万次间挠度增加较快,估计胶层有局部破坏,但之后由于两端螺栓起到了较好的锚固作用,挠度变化又趋于平衡。

3.3 粘结层的应力分析

近年来,国外主要应用粘弹性理论、断裂力学理论、断裂力学理论、流变理论和有限元、边界元等方法对粘接层的应力应变进行数值分析。建立了粘结和破坏理论,求出了粘结应力分布的弹性解,并提出了计算具有平行边界胶层的端部附近应力的简单方法,同时应用莫尔—库仑破坏法则,导出了分析粘接层破坏及其裂纹扩展的计算方法。国内学者在大量试验数据和资料的基础上,也对粘结层的破坏机理、破坏形态、粘结应力分布规律等进行了探讨,计算出粘结应力分布曲线,推导了锚固长度公式,并提出了“钢板约束区”的新概念,还对结构胶进行了流变性分析,获得了重要结果,极大地促进了粘钢加固技术在工程上的应用。

4 工程应用实例

我国粘钢加固技术首次应用于1978年。当时辽阳石油化纤公司从法国引进了23套生产装置,在安装过程中发现其中9套装置25个构筑物因设计计算错误而造成梁、板和基础强度不够,产生了严重裂缝,119根梁和4座基础必须进行加固处理。采用国内常规的加固方法,已不能适应当时生产的需要。经分析,决定采用法国Sika-Dur 31粘结剂粘贴钢板补强加固。结构加固至今,经过安装、试生产、大修和长生产周期的使用,所有补强部位状态良好。

上海某商业办公楼,楼顶层为会议室,中间有4根框架柱,给使用带来了不便,为此要求将会议室中间2根柱子抽去。由于跨度增加了两倍,考虑该梁受弯、剪、扭的复合作用以及梁的挠曲变形,决定采用粘钢加固。梁正截面抗弯设计采用在梁底部粘贴2层3mm厚钢板后加粘2根16号槽钢的措施。此外,在梁端柱边混凝土上粘贴钢牛腿,以改善被加固梁的支撑条件。在被加固梁的两端及该梁与次梁相交两侧,各设三道U型箍板,以增强老混凝土梁、下部槽钢和钢板之间的连接,提高结构的整体性,加固效果良好。

山东省济南市黄河公路大桥,建于1982年,主桥为斜拉桥,南北两个巨型索塔建于黄河河道中,塔高81m,为钢筋混凝土结构。该桥运行多年后, 两个索塔下横梁均产生了多条裂缝,缝宽大于0.3mm,影响了桥梁的安全使用。采用JGN型结构胶粘钢加固,在横粱底面连续粘贴4组钢板,横梁侧面及裂缝部位亦连续粘

贴钢板,并安装膨胀螺栓固定加压。索塔横粱粘钢加固后,裂缝得到有效控制,未再产生新缝,效果较好。

5 粘钢加固技术的施工要求

(1) 构件表面处理。对老混凝土构件,应在其粘合面位置打磨(约除去2~3mm厚表层),直至完全露出新面,并用压缩空气吹除粉粒或用清水冲洗干净,待完全干燥后,再用脱脂棉蘸丙酮擦拭表面即可。对于新混凝土面,可直接用钢丝刷刷去表面松浮物,再用有压水冲洗干净并晾干。
(2)钢板粘贴前的处理。钢板粘结面也需进行清污、除锈和打磨等前期处理。可采用喷砂、手砂轮或用砂布直接打磨,直至出现金属光泽,然后用脱脂棉蘸丙酮擦拭干净。
(3)构件卸荷或支撑。粘贴钢板前,应对被加固构件进行合理卸荷或作必要的支撑,待粘结剂完全固化后才可拆卸支撑。
(4) 粘结剂的制备。粘结剂使用前需进行现场质量检验,合格后方可使用。使用时严格按产品使用说明书进行配比混合,并按同一方向搅拌至色泽均匀为止。
(5)钢板粘贴。粘结剂配制好后,用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板表面,厚度1~3mm(中间厚,边缘薄)。将钢板粘贴在已涂抹粘结剂的混凝土表面。贴好钢板后,用木棰沿粘贴面轻轻敲击钢板。如无空洞声,表明已粘贴密实;否则应立即剥下钢板,经补胶后重新粘贴,以确保粘结施工质量。钢板粘贴好后,即用特制U型夹具夹紧,或用木杆顶撑,其压力保持在0.05~0.1MPa,以胶液刚从钢板边缝挤出为度。
(6) 钢板防锈。粘结剂一般可在常温下固化,24h即可拆除夹具或支撑,3天后即可受力使用。构件粘钢加固后,为防止钢板锈蚀,应对其涂刷防锈剂、水泥砂浆或采用其他措施加以保护。

6 结语

6.1 粘钢加固方法安全可靠,施工方便,既可补强加固,又可加大刚度。可大幅度提高其承载力和抗弯刚度,增强其延伸性和抗疲劳性能。不仅用于混凝土和钢筋混凝土结构裂缝的修补和病害处理,还可用于提高设计标准的一些改扩建工程,是一种切实可行的补强加固方法。

6.2 粘钢补强施工中,应选择可靠的粘结剂和合理的粘贴工艺,并严格按照工艺规范施工,切实做好表面处理、钢板除锈和粘贴后加压固定等工作,确保粘贴面有80%以上的可靠粘结,以保证补强加固的可靠性。

6.3 目前粘钢加固技术主要应用于桥梁和工业与民用建筑中,在水利工程等领域也可以推广应用。粘钢加固技术不仅可用于墩柱、工作桥等钢筋混凝土结构,还可用于钢闸门等钢结构。
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