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鋼筋混凝土結構粘鋼加固新技術的研究與應用
發布時間:2012-5-18 閱讀:4581次  
1 引言

自建國以來,我國修建了許多混凝土及鋼筋混凝土建筑物,如按照設計基準期為50年計算,這些建筑物已分別進入了中年期或老年期,多數已有不同程度的損壞或老化,如裂縫、滲漏、剝落、缺損、鋼筋銹蝕等,急需修復。混凝土結構的修補加固是近年來國內外發展起來的一門新興學科,有關其試驗研究、理論分析及規范編制等工作目前尚處于起步階段,對于傳統的加大截面法、外包鋼法、預應力法及改變結構傳力途徑等補強加固方法,雖然多數經工程實踐證明是可行的,但就簡化施工,滿足生產要求而言,又都存在不足。諸如,施工工期長,占據使用空間;構件尺寸增大,加固總費用高等。所以,近年來有關混凝土結構補強加固的新技術,如外包或內襯玻璃法以及粘鋼加固法等已逐漸在工程中廣泛應用。

2 粘鋼加固技術的特點

所謂粘鋼補強加固技術,就是當鋼筋混凝土構件的承載力不足或由于過度的變形、裂縫而影響結構的正常使用時,通過粘結劑(建筑結構膠)將鋼板粘貼到鋼筋混凝土構件外部適當位置來滿足結構承載力要求或正常使用要求的一項技術措施。

粘鋼加固技術與傳統加固技術相比,具有以下優點:

(1) 膠粘劑硬化時間短。一般構件加固33天后即可受力使用,加固時不必停產或少停產,只需卸除構件承擔的全部或部分荷載,施工工期很短,特別適用于應急的加固工程。

(2) 工藝簡單,施工方便。只需對被加固構件的表面進行處理,用粘結劑將鋼板與之牢固地粘結成一個整體,就能使鋼板與原構件很好地共同工作,且不需特殊設備,所需勞動力少,易于操作。
(3) 膠粘劑的粘結強度高于混凝土、石材等,可以使加固體與原構件形成一個良好的整體,受力較均勻,不會在混凝土中產生應力集中現象。
(4) 粘貼鋼板所占空間小、幾乎不增加構件的斷面尺寸和重量,不影響建筑物的使用凈空間、不影響構件的外觀。
(5) 加固效果顯著,不僅相當于補充了原構件的配筋,可較大幅度地提高其承載能力,而且通過粘貼鋼板可有效地保護原構件的混凝土不再產生裂縫或使已有的裂縫得到控制而不繼續擴展,加強了結構的整體性,提高了原構件的整體剛度。

基于上述特點,該技術近年來在實際工程加固中得到廣泛地應用,發展很快,已成為諸多加固方案中優先考慮的方案。

3 粘鋼加固技術研究現狀

3.1 粘鋼加固構件的靜載試驗研究

目前國內外對粘鋼加固構件的靜載試驗研究,主要涉及到試驗過程中各種不同因素對粘鋼構件結構性能(極限強度、開裂荷載、剛度、變形、延性和破壞類型等)的影響。其中包括:鋼板厚度、膠層厚度、混凝土強度、粘結劑性能、錨固型式等。

以鋼筋混凝土梁為例,粘鋼梁與未粘鋼的同類梁相比,開裂荷載可增加35%~105%;粘鋼梁的剛度隨膠層厚度增加而增加,但膠層厚度對其極限強度影響很小;膠的稠度對其結構性能影響也較小;粘貼鋼板的截面積與鋼筋截面積的比值越大,受拉鋼筋的應力降低幅度也越大、對梁的剛度的提高也越明顯;通常隨鋼板厚度的增加,破壞由鋼板的屈服轉變為鋼板的剝離;鋼板的粘結長度應適當,如過長,梁會由彎曲破壞變為剪切或剪彎破壞。

粘鋼補強可大幅度提高構件的承載力和剛度;在較大范圍內有效地防止和抑制裂縫擴展,擴大原結構的彈性工作范圍,提高其延伸性;經粘鋼補強的彎曲構件,多數皆因斜截面強度不足而引起支座附近的剪切破壞,因此補強加固設計時,除應在底部受拉區粘貼鋼板外,還應考慮在支座處粘貼箍板適當加強;梁端采用螺栓和U型箍板錨固,既可彌補錨固長度的不足,又可抵制鋼板端部的剝離力;同時,U型箍板錨固還可改善較厚鋼板延性偏低的缺陷。

3.2 粘鋼加固技術的動載試驗研究

粘鋼加固技術在實際應用過程中,常會遇到動載作用下的情況,如公路橋梁、吊車梁、各種抗震結構等。為此需要研究鋼筋混凝土梁在動載下的力學性能,但有關動載試驗的研究成果目前報道較少。

國內有人曾對采用膠粘、膨脹螺栓錨固及膠栓共同粘錨等三種方法加固的梁進行動載對比試驗。結果表明:膨脹螺栓固梁抗疲勞性能較差;膠粘梁抗疲勞性能不穩定,粘結質量好則效果好,破壞時鋼板被拉斷,粘結不好,循環幾萬次就因梁端鋼板處膠層剪切滑移而破壞;膠栓共同粘錨梁抗疲勞性能較好,破壞發生在梁跨中彎矩****區段,鋼板全部被拉斷。膠栓結合梁在80萬次前,撓度增加甚微,80萬~150萬次間撓度增加較快,估計膠層有局部破壞,但之后由于兩端螺栓起到了較好的錨固作用,撓度變化又趨于平衡。

3.3 粘結層的應力分析

近年來,國外主要應用粘彈性理論、斷裂力學理論、斷裂力學理論、流變理論和有限元、邊界元等方法對粘接層的應力應變進行數值分析。建立了粘結和破壞理論,求出了粘結應力分布的彈性解,并提出了計算具有平行邊界膠層的端部附近應力的簡單方法,同時應用莫爾—庫侖破壞法則,導出了分析粘接層破壞及其裂紋擴展的計算方法。國內學者在大量試驗數據和資料的基礎上,也對粘結層的破壞機理、破壞形態、粘結應力分布規律等進行了探討,計算出粘結應力分布曲線,推導了錨固長度公式,并提出了“鋼板約束區”的新概念,還對結構膠進行了流變性分析,獲得了重要結果,極大地促進了粘鋼加固技術在工程上的應用。

4 工程應用實例

我國粘鋼加固技術首次應用于1978年。當時遼陽石油化纖公司從法國引進了23套生產裝置,在安裝過程中發現其中9套裝置25個構筑物因設計計算錯誤而造成梁、板和基礎強度不夠,產生了嚴重裂縫,119根梁和4座基礎必須進行加固處理。采用國內常規的加固方法,已不能適應當時生產的需要。經分析,決定采用法國Sika-Dur 31粘結劑粘貼鋼板補強加固。結構加固至今,經過安裝、試生產、大修和長生產周期的使用,所有補強部位狀態良好。

上海某商業辦公樓,樓頂層為會議室,中間有4根框架柱,給使用帶來了不便,為此要求將會議室中間2根柱子抽去。由于跨度增加了兩倍,考慮該梁受彎、剪、扭的復合作用以及梁的撓曲變形,決定采用粘鋼加固。梁正截面抗彎設計采用在梁底部粘貼2層3mm厚鋼板后加粘2根16號槽鋼的措施。此外,在梁端柱邊混凝土上粘貼鋼牛腿,以改善被加固梁的支撐條件。在被加固梁的兩端及該梁與次梁相交兩側,各設三道U型箍板,以增強老混凝土梁、下部槽鋼和鋼板之間的連接,提高結構的整體性,加固效果良好。

山東省濟南市黃河公路大橋,建于1982年,主橋為斜拉橋,南北兩個巨型索塔建于黃河河道中,塔高81m,為鋼筋混凝土結構。該橋運行多年后, 兩個索塔下橫梁均產生了多條裂縫,縫寬大于0.3mm,影響了橋梁的安全使用。采用JGN型結構膠粘鋼加固,在橫粱底面連續粘貼4組鋼板,橫梁側面及裂縫部位亦連續粘

貼鋼板,并安裝膨脹螺栓固定加壓。索塔橫粱粘鋼加固后,裂縫得到有效控制,未再產生新縫,效果較好。

5 粘鋼加固技術的施工要求

(1) 構件表面處理。對老混凝土構件,應在其粘合面位置打磨(約除去2~3mm厚表層),直至完全露出新面,并用壓縮空氣吹除粉粒或用清水沖洗干凈,待完全干燥后,再用脫脂棉蘸丙酮擦拭表面即可。對于新混凝土面,可直接用鋼絲刷刷去表面松浮物,再用有壓水沖洗干凈并晾干。
(2)鋼板粘貼前的處理。鋼板粘結面也需進行清污、除銹和打磨等前期處理。可采用噴砂、手砂輪或用砂布直接打磨,直至出現金屬光澤,然后用脫脂棉蘸丙酮擦拭干凈。
(3)構件卸荷或支撐。粘貼鋼板前,應對被加固構件進行合理卸荷或作必要的支撐,待粘結劑完全固化后才可拆卸支撐。
(4) 粘結劑的制備。粘結劑使用前需進行現場質量檢驗,合格后方可使用。使用時嚴格按產品使用說明書進行配比混合,并按同一方向攪拌至色澤均勻為止。
(5)鋼板粘貼。粘結劑配制好后,用抹刀同時涂抹在已處理好的混凝土表面和鋼板表面,厚度1~3mm(中間厚,邊緣薄)。將鋼板粘貼在已涂抹粘結劑的混凝土表面。貼好鋼板后,用木棰沿粘貼面輕輕敲擊鋼板。如無空洞聲,表明已粘貼密實;否則應立即剝下鋼板,經補膠后重新粘貼,以確保粘結施工質量。鋼板粘貼好后,即用特制U型夾具夾緊,或用木桿頂撐,其壓力保持在0.05~0.1MPa,以膠液剛從鋼板邊縫擠出為度。
(6) 鋼板防銹。粘結劑一般可在常溫下固化,24h即可拆除夾具或支撐,3天后即可受力使用。構件粘鋼加固后,為防止鋼板銹蝕,應對其涂刷防銹劑、水泥砂漿或采用其他措施加以保護。

6 結語

6.1 粘鋼加固方法安全可靠,施工方便,既可補強加固,又可加大剛度。可大幅度提高其承載力和抗彎剛度,增強其延伸性和抗疲勞性能。不僅用于混凝土和鋼筋混凝土結構裂縫的修補和病害處理,還可用于提高設計標準的一些改擴建工程,是一種切實可行的補強加固方法。

6.2 粘鋼補強施工中,應選擇可靠的粘結劑和合理的粘貼工藝,并嚴格按照工藝規范施工,切實做好表面處理、鋼板除銹和粘貼后加壓固定等工作,確保粘貼面有80%以上的可靠粘結,以保證補強加固的可靠性。

6.3 目前粘鋼加固技術主要應用于橋梁和工業與民用建筑中,在水利工程等領域也可以推廣應用。粘鋼加固技術不僅可用于墩柱、工作橋等鋼筋混凝土結構,還可用于鋼閘門等鋼結構。
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