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混凝土构件粘钢加固
发布时间:2014-7-3 阅读:3016次  

混凝土构件粘钢加固中,可靠有效的粘结锚固是保证加固钢板与混凝土共同工作的前提条件。《混凝土结构加固技术规范》(CECS 25∶90)中,垂直粘贴钢板承载力计算时,钢板采用并联U形箍板,箍板上端粘贴水平横板,但没有说明横板与竖板间的连接方式。采用U 形箍板能使两侧箍板连为一体,整体性好,但实际施工中应用不便:一是加工成型困难;二是底部两端转角为圆弧过渡,很难使两侧箍板与底部钢板同时与梁截面结合密实;三是实际工程中,不同位置梁的截面尺寸存在一定的误差和差异,事先加工的U 形箍板很难处处适合梁截面;四是U 形箍板从梁底部套上时,由于箍板与梁截面尺寸基本相同,箍板上的结构胶易被刮掉,胶层厚度不易保证。
  实际工程中也有采用斜向粘贴钢板的方式,使加固钢板与斜裂缝方向垂直,有关单位也进行过类似的试验。斜粘钢板时,钢板与梁轴线有一夹角,不可能采用整体U 形箍板形式。为确定斜粘钢板时合理的粘贴和锚固方式,保证粘钢加固效果,分别进行了不同形式和连接方式的锚固试验,以确定一种既可靠又易于施工的锚固方案。
  试验梁截面b×h =120mm×200mm,跨度l =1800mm,受拉钢筋3 18,受压钢筋2 16,箍筋φ6@ 150mm,混凝土强度等级C25。试验采用两点集中荷载,剪跨比λ=2.0。试验分卸荷加固和不卸荷加固两种情况。加固钢板宽度20mm,厚度3mm。 

 

 

 


1 梁侧面斜粘钢板
 
在梁侧面直接斜粘钢板,该方法比较简单,是一般试验时采用的方法,所见资料中曾有两个单位在试验研究中均采用此方法。
  试验中,先加荷至混凝土梁出现斜裂缝,宽度控制在0.2mm 以内,卸荷后在梁两侧面各粘两条钢板,所粘钢板与斜裂缝垂直,待结构胶固化后进行加荷试验。
当加荷至原试验梁卸荷粘钢板荷载级时,胶层开始拉脱,钢板上部崩出,失去加固作用。梁两侧粘贴三条钢板的试验结果也基本相同,梁破坏荷载

 

 


与对比梁(未粘钢梁)相差无几。从实测钢板应力来看,****值为130MPa ,其他单位的试验实测钢板应力为100~200MPa ,说明钢板拉脱时应力较低,加固钢板的作用未充分发挥,属锚固破坏。  


梁侧斜粘钢板
  造成上述现象的原因,一是钢板的一端与斜裂缝相距较短,锚固长度不够,胶层与混凝土粘结面的粘结应力超过混凝土面层的抗剪强度,混凝土面层被破坏,钢板承载力丧失;二是这种拉脱是不可避免的,因钢板距裂缝较短的一端,锚固长度虽稍短,但相对刚度却较大,不利于钢板与混凝土变形的协调,此端钢板往往先被拉脱。钢板胶层的拉脱不是沿梁表面的滑移拉脱,而是伴随喀嚓声响从混凝土表面的崩脱,试验及分析说明这种粘钢方法不能提供足够的有效锚固长度,须设法增加斜粘钢板两端的锚固。


2 上横板与斜板连接、斜板底端螺栓连接
 
为增加斜粘钢板的锚固长度,在梁侧面上部横贴一条钢板,宽度与斜向钢板相同,斜钢板底端钻孔,在梁底部用螺栓拧紧。  

 斜板上端与横板连接,下端螺栓连接
2.1 上横板与斜板间胶结,面上附粘一条钢板
  当加荷至混凝土梁破坏荷载的85%左右,附粘钢板与上横板胶结处开始崩脱,其原因与斜粘钢板时相同,特别是横粘一条钢板后,裂缝上端的斜板长度更短,更易崩脱,斜板与横板间的粘结应力不足以有效阻止斜板沿交接面外法线方向向外崩脱。
2.2 上横板与斜板间焊接
  上横板与斜板间先焊接后再粘贴,斜板与梁轴线夹角为45°。这种连接方式使板形成整体,有效地增加了钢板上端的锚固。
2.3 斜板下端螺栓连接
  试验结果表明:斜板下端采用螺栓连接时,螺栓加力的大小对锚固效果产生影响,且不易控制。较松时锚固得不到保证,胶层易拉脱;较紧时,梁破坏时胶层与混凝土面层依然开裂,只是不向外崩脱。这种连接的试验梁抗剪承载力比对比梁有所提高,但效果不很显著。另外,采用螺栓加力锚固,实际工程中很难应用,因为斜粘钢板需伸出梁底才能钻孔加穿螺栓,会相应降低建筑物的净空,影响外观,螺栓的加工需有相应的设备,且加工费用较高,因此不宜采用。

3 斜板与上下水平横板焊接
 
斜板与上横板焊接后粘贴,有效地增加了上端钢板的锚固。关于能否用斜板下端与水平横板焊接后再粘贴来解决下端钢板的锚固问题,试验结果表明:斜板下端与横板焊接后粘贴于梁侧面,确能增加钢板下端的锚固长度,提高承载能力,但斜截面的破坏形式与一般的剪切破坏不同,梁底面出现几条水平斜向相交的裂缝,将梁底面分割为几块,梁破坏时,此裂缝向混凝土内发展较深,裂缝较宽,梁底两侧**外边混凝土沿下横板剥落。  
斜板上下与横板连接
  梁出现的这种裂缝形式与下端粘贴水平横板有关。
水平粘贴横板主要起两个作用:一是使各斜板成为一个整体,二是改变混凝土梁剪力的传递模式,斜板承受的剪力通过横板转移为横板与混凝土表面的粘结应力来平衡,转移了竖向剪力,间接增加了斜板的锚固长度。由于横板与斜板有一夹角,横板表面必然受有水平向的粘结应力。梁底部混凝土处于受拉区,混凝土表面的水平粘结应力分力使混凝土受拉,易造成开裂,且更易贯通梁底面。横板与混凝土表面粘结应力并非均匀分布,随着荷载的增加,应力峰值逐渐向两端移动,底部与横板粘结部分混凝土的裂缝也逐渐沿横板方向延伸,并由梁底两边缘向梁底中部发展,与横向的弯剪裂缝相交,将底部混凝土分割为几块。
  采用下端焊接水平横板,虽能提高抗剪承载力,但因受力特性发生变化,使混凝土梁破坏更具脆性和突然性。由于加固钢板未能形成一个“箍”,中断了横截面剪力的传递路径,剪力不能有效流动而形成“剪力流”,因此加固钢板下端不宜采用这种方式。


4 上横板与斜板焊接,斜板下部加短肢钢板,梁底用结构胶粘接
  为增强斜板下部的锚固,斜板下部须与梁底面连接,使其变形与梁的变形相协调。混凝土结构加固技术规范中垂直粘贴钢板采用的是U 形箍,虽存在一些不足,但在底部与梁底连接在一起,使加固钢板形成整体。借鉴此法,可在斜板底端焊接一个短肢,使加固钢板成为L 形,两个L 形短肢在梁底用结构胶粘接,形成斜向U 形箍板。
这种锚固和粘贴方法,易于在工程中使用,两侧钢板与梁侧面、底面粘贴紧

 

 


密,胶层厚度易于保证,且易适应梁截面尺寸的差异,因此既有箍板的优点,又克服了整体粘贴时的不足。加固梁破坏时,梁底搭接短肢钢板的实测应力很小,说明其具有足够的锚固保证。这种粘钢形式的梁抗剪承载力的提高程度是各种粘钢形式中****的一种。
 斜板上端与横板焊接,下端焊短肢在梁底粘结

5 关于上横板的长度问题
5.1 受力分析
  斜板上端焊接的横板,能有效地防止斜板上端崩脱,增强斜板的锚固,使各斜板的受力更均匀,整体性更好。但横板粘于梁两侧顶部混凝土受压区,梁顶混凝土在压应力作用下,会侧向膨胀,同时降低了混凝土在其切线方向上的抗拉强度。在粘钢的弯剪梁段,沿梁轴线方向各截面的压应力并不相同,受压区混凝土向外的膨胀程度也不相同。粘贴于此混凝土表面的横板变形也与之相适应,横板左右两端向外膨胀的程度也不一样,使横板产生垂直梁侧面向外的附加应力。斜裂缝的出现,使加荷端的梁截面上部受压面积减小,压应力增大,使侧向的混凝土抗拉强度降低更多,所以靠近梁中部的一端横板更容易被拉脱。   梁的挠度变化也对上横板的受力产生影响,横截面变形的同时,梁沿纵轴线方向有挠度产生。横板两端的挠度差,按弹性力学计算时相差约7倍。若临界斜裂缝形成后,梁截面的刚度发生变化,靠近加荷端的刚度更小。同时钢板的宽度一般为厚度的几倍至几十倍,侧面粘贴时其刚度(EI)为水平粘贴时的宽度与厚度比值的平方倍,钢板变“硬”许多,与混凝土梁的挠度变形不易保持一致,产生平行梁侧面的附加应力,这在靠近加荷点的横板端更为突出,使该处很易拉脱。

5.2 上横板的建议长度
  由上横板的受力分析及试验结果可知:只有当横板与梁的变形差产生的应力不致使胶层或混凝土表面发生破坏,横板和梁混凝土才能完好地粘结在一起。一旦差异过大,就会发生锚固破坏,加固钢板失去作用。若横板长度过短,横板与混凝土间的粘结力过小,所提供的承载力不能平衡由于粘钢加固后梁提高的承载力部分,使横板过早地崩脱;若横板长度过长,由于两端变形差值的增大,使靠近加荷点端部的锚固成为一个薄弱点,特别是靠近加载点的一端不能与斜裂缝上段相交、进入加载点附近混凝土剪压破坏的范围,否则将引起端部的锚固提前破坏。在垂直和斜向粘钢板的试验中均出现过上述两种情况,也说明横板

 

 


长度取值是加固中的一个值得注意的问题。
 
从横板的受力分析中看出,横板的锚固是一个很关键和复杂的问题。对于一般实际需要加固的混凝土梁,可根据需要加固钢板贡献的承载力VS、加固后梁的挠度曲线f(x)、粘结面混凝土的抗剪强度、横板可能提供的粘结长度,计算出横板的粘结应力q(x),由此计算出横板能提供的粘结力 ,与VS 进行比较,观察横板的锚固是否满足要求。但公式和计算比较繁复,通过试验结果和理论分析计算,在加固梁剪压破坏情况下,横板长度L 取值建议按下式确定:0.7λh0≤L≤0.8λh0

6 实际工程应用中的措施
  实际工程中的混凝土梁斜截面粘钢加固,无论是垂直粘钢板还是斜向粘钢板,所粘钢板处的混凝土表面处理尤为重要,要将混凝土表面的浮层去除。对于旧结构物,混凝土表面的腐蚀层要进行处理,粘钢面要求平整,且清洗干净。为使上横板具有可靠的锚固,可在横板两端埋置膨胀螺栓,将横板固定压紧,以增强横板与混凝土的粘结和锚固。

 

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