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混凝土構件粘鋼加固
發布時間:2014-7-3 閱讀:3006次  

混凝土構件粘鋼加固中,可靠有效的粘結錨固是保證加固鋼板與混凝土共同工作的前提條件。《混凝土結構加固技術規范》(CECS 25∶90)中,垂直粘貼鋼板承載力計算時,鋼板采用并聯U形箍板,箍板上端粘貼水平橫板,但沒有說明橫板與豎板間的連接方式。采用U 形箍板能使兩側箍板連為一體,整體性好,但實際施工中應用不便:一是加工成型困難;二是底部兩端轉角為圓弧過渡,很難使兩側箍板與底部鋼板同時與梁截面結合密實;三是實際工程中,不同位置梁的截面尺寸存在一定的誤差和差異,事先加工的U 形箍板很難處處適合梁截面;四是U 形箍板從梁底部套上時,由于箍板與梁截面尺寸基本相同,箍板上的結構膠易被刮掉,膠層厚度不易保證。
  實際工程中也有采用斜向粘貼鋼板的方式,使加固鋼板與斜裂縫方向垂直,有關單位也進行過類似的試驗。斜粘鋼板時,鋼板與梁軸線有一夾角,不可能采用整體U 形箍板形式。為確定斜粘鋼板時合理的粘貼和錨固方式,保證粘鋼加固效果,分別進行了不同形式和連接方式的錨固試驗,以確定一種既可靠又易于施工的錨固方案。
  試驗梁截面b×h =120mm×200mm,跨度l =1800mm,受拉鋼筋3 18,受壓鋼筋2 16,箍筋φ6@ 150mm,混凝土強度等級C25。試驗采用兩點集中荷載,剪跨比λ=2.0。試驗分卸荷加固和不卸荷加固兩種情況。加固鋼板寬度20mm,厚度3mm。 

 

 

 


1 梁側面斜粘鋼板
 
在梁側面直接斜粘鋼板,該方法比較簡單,是一般試驗時采用的方法,所見資料中曾有兩個單位在試驗研究中均采用此方法。
  試驗中,先加荷至混凝土梁出現斜裂縫,寬度控制在0.2mm 以內,卸荷后在梁兩側面各粘兩條鋼板,所粘鋼板與斜裂縫垂直,待結構膠固化后進行加荷試驗。
當加荷至原試驗梁卸荷粘鋼板荷載級時,膠層開始拉脫,鋼板上部崩出,失去加固作用。梁兩側粘貼三條鋼板的試驗結果也基本相同,梁破壞荷載

 

 


與對比梁(未粘鋼梁)相差無幾。從實測鋼板應力來看,****值為130MPa ,其他單位的試驗實測鋼板應力為100~200MPa ,說明鋼板拉脫時應力較低,加固鋼板的作用未充分發揮,屬錨固破壞。  


梁側斜粘鋼板
  造成上述現象的原因,一是鋼板的一端與斜裂縫相距較短,錨固長度不夠,膠層與混凝土粘結面的粘結應力超過混凝土面層的抗剪強度,混凝土面層被破壞,鋼板承載力喪失;二是這種拉脫是不可避免的,因鋼板距裂縫較短的一端,錨固長度雖稍短,但相對剛度卻較大,不利于鋼板與混凝土變形的協調,此端鋼板往往先被拉脫。鋼板膠層的拉脫不是沿梁表面的滑移拉脫,而是伴隨喀嚓聲響從混凝土表面的崩脫,試驗及分析說明這種粘鋼方法不能提供足夠的有效錨固長度,須設法增加斜粘鋼板兩端的錨固。


2 上橫板與斜板連接、斜板底端螺栓連接
 
為增加斜粘鋼板的錨固長度,在梁側面上部橫貼一條鋼板,寬度與斜向鋼板相同,斜鋼板底端鉆孔,在梁底部用螺栓擰緊。  

 斜板上端與橫板連接,下端螺栓連接
2.1 上橫板與斜板間膠結,面上附粘一條鋼板
  當加荷至混凝土梁破壞荷載的85%左右,附粘鋼板與上橫板膠結處開始崩脫,其原因與斜粘鋼板時相同,特別是橫粘一條鋼板后,裂縫上端的斜板長度更短,更易崩脫,斜板與橫板間的粘結應力不足以有效阻止斜板沿交接面外法線方向向外崩脫。
2.2 上橫板與斜板間焊接
  上橫板與斜板間先焊接后再粘貼,斜板與梁軸線夾角為45°。這種連接方式使板形成整體,有效地增加了鋼板上端的錨固。
2.3 斜板下端螺栓連接
  試驗結果表明:斜板下端采用螺栓連接時,螺栓加力的大小對錨固效果產生影響,且不易控制。較松時錨固得不到保證,膠層易拉脫;較緊時,梁破壞時膠層與混凝土面層依然開裂,只是不向外崩脫。這種連接的試驗梁抗剪承載力比對比梁有所提高,但效果不很顯著。另外,采用螺栓加力錨固,實際工程中很難應用,因為斜粘鋼板需伸出梁底才能鉆孔加穿螺栓,會相應降低建筑物的凈空,影響外觀,螺栓的加工需有相應的設備,且加工費用較高,因此不宜采用。

3 斜板與上下水平橫板焊接
 
斜板與上橫板焊接后粘貼,有效地增加了上端鋼板的錨固。關于能否用斜板下端與水平橫板焊接后再粘貼來解決下端鋼板的錨固問題,試驗結果表明:斜板下端與橫板焊接后粘貼于梁側面,確能增加鋼板下端的錨固長度,提高承載能力,但斜截面的破壞形式與一般的剪切破壞不同,梁底面出現幾條水平斜向相交的裂縫,將梁底面分割為幾塊,梁破壞時,此裂縫向混凝土內發展較深,裂縫較寬,梁底兩側**外邊混凝土沿下橫板剝落。  
斜板上下與橫板連接
  梁出現的這種裂縫形式與下端粘貼水平橫板有關。
水平粘貼橫板主要起兩個作用:一是使各斜板成為一個整體,二是改變混凝土梁剪力的傳遞模式,斜板承受的剪力通過橫板轉移為橫板與混凝土表面的粘結應力來平衡,轉移了豎向剪力,間接增加了斜板的錨固長度。由于橫板與斜板有一夾角,橫板表面必然受有水平向的粘結應力。梁底部混凝土處于受拉區,混凝土表面的水平粘結應力分力使混凝土受拉,易造成開裂,且更易貫通梁底面。橫板與混凝土表面粘結應力并非均勻分布,隨著荷載的增加,應力峰值逐漸向兩端移動,底部與橫板粘結部分混凝土的裂縫也逐漸沿橫板方向延伸,并由梁底兩邊緣向梁底中部發展,與橫向的彎剪裂縫相交,將底部混凝土分割為幾塊。
  采用下端焊接水平橫板,雖能提高抗剪承載力,但因受力特性發生變化,使混凝土梁破壞更具脆性和突然性。由于加固鋼板未能形成一個“箍”,中斷了橫截面剪力的傳遞路徑,剪力不能有效流動而形成“剪力流”,因此加固鋼板下端不宜采用這種方式。


4 上橫板與斜板焊接,斜板下部加短肢鋼板,梁底用結構膠粘接
  為增強斜板下部的錨固,斜板下部須與梁底面連接,使其變形與梁的變形相協調。混凝土結構加固技術規范中垂直粘貼鋼板采用的是U 形箍,雖存在一些不足,但在底部與梁底連接在一起,使加固鋼板形成整體。借鑒此法,可在斜板底端焊接一個短肢,使加固鋼板成為L 形,兩個L 形短肢在梁底用結構膠粘接,形成斜向U 形箍板。
這種錨固和粘貼方法,易于在工程中使用,兩側鋼板與梁側面、底面粘貼緊

 

 


密,膠層厚度易于保證,且易適應梁截面尺寸的差異,因此既有箍板的優點,又克服了整體粘貼時的不足。加固梁破壞時,梁底搭接短肢鋼板的實測應力很小,說明其具有足夠的錨固保證。這種粘鋼形式的梁抗剪承載力的提高程度是各種粘鋼形式中****的一種。
 斜板上端與橫板焊接,下端焊短肢在梁底粘結

5 關于上橫板的長度問題
5.1 受力分析
  斜板上端焊接的橫板,能有效地防止斜板上端崩脫,增強斜板的錨固,使各斜板的受力更均勻,整體性更好。但橫板粘于梁兩側頂部混凝土受壓區,梁頂混凝土在壓應力作用下,會側向膨脹,同時降低了混凝土在其切線方向上的抗拉強度。在粘鋼的彎剪梁段,沿梁軸線方向各截面的壓應力并不相同,受壓區混凝土向外的膨脹程度也不相同。粘貼于此混凝土表面的橫板變形也與之相適應,橫板左右兩端向外膨脹的程度也不一樣,使橫板產生垂直梁側面向外的附加應力。斜裂縫的出現,使加荷端的梁截面上部受壓面積減小,壓應力增大,使側向的混凝土抗拉強度降低更多,所以靠近梁中部的一端橫板更容易被拉脫。   梁的撓度變化也對上橫板的受力產生影響,橫截面變形的同時,梁沿縱軸線方向有撓度產生。橫板兩端的撓度差,按彈性力學計算時相差約7倍。若臨界斜裂縫形成后,梁截面的剛度發生變化,靠近加荷端的剛度更小。同時鋼板的寬度一般為厚度的幾倍至幾十倍,側面粘貼時其剛度(EI)為水平粘貼時的寬度與厚度比值的平方倍,鋼板變“硬”許多,與混凝土梁的撓度變形不易保持一致,產生平行梁側面的附加應力,這在靠近加荷點的橫板端更為突出,使該處很易拉脫。

5.2 上橫板的建議長度
  由上橫板的受力分析及試驗結果可知:只有當橫板與梁的變形差產生的應力不致使膠層或混凝土表面發生破壞,橫板和梁混凝土才能完好地粘結在一起。一旦差異過大,就會發生錨固破壞,加固鋼板失去作用。若橫板長度過短,橫板與混凝土間的粘結力過小,所提供的承載力不能平衡由于粘鋼加固后梁提高的承載力部分,使橫板過早地崩脫;若橫板長度過長,由于兩端變形差值的增大,使靠近加荷點端部的錨固成為一個薄弱點,特別是靠近加載點的一端不能與斜裂縫上段相交、進入加載點附近混凝土剪壓破壞的范圍,否則將引起端部的錨固提前破壞。在垂直和斜向粘鋼板的試驗中均出現過上述兩種情況,也說明橫板

 

 


長度取值是加固中的一個值得注意的問題。
 
從橫板的受力分析中看出,橫板的錨固是一個很關鍵和復雜的問題。對于一般實際需要加固的混凝土梁,可根據需要加固鋼板貢獻的承載力VS、加固后梁的撓度曲線f(x)、粘結面混凝土的抗剪強度、橫板可能提供的粘結長度,計算出橫板的粘結應力q(x),由此計算出橫板能提供的粘結力 ,與VS 進行比較,觀察橫板的錨固是否滿足要求。但公式和計算比較繁復,通過試驗結果和理論分析計算,在加固梁剪壓破壞情況下,橫板長度L 取值建議按下式確定:0.7λh0≤L≤0.8λh0

6 實際工程應用中的措施
  實際工程中的混凝土梁斜截面粘鋼加固,無論是垂直粘鋼板還是斜向粘鋼板,所粘鋼板處的混凝土表面處理尤為重要,要將混凝土表面的浮層去除。對于舊結構物,混凝土表面的腐蝕層要進行處理,粘鋼面要求平整,且清洗干凈。為使上橫板具有可靠的錨固,可在橫板兩端埋置膨脹螺栓,將橫板固定壓緊,以增強橫板與混凝土的粘結和錨固。

 

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