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梁側錨貼鋼板加固鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究

發布時間：2014-07-15

高劍平1 ，吳章勇1 ，任樂1 ，鄧燕華2
( 1．華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013; 2．江西建設職業技術學院，江西南昌330013)
［提要］針對結構加固實踐中，當梁底面有障礙物而無法進行加固時，本文提出了在梁側面設錨栓固定鋼板加固。通過對
比試驗研究，分析了鋼板高度、錨栓間距、卸荷/非卸荷等因素對加固效果的影響規律。研究結果表明: 錨貼鋼板加固可顯著
提高梁的極限承載力，有效地減小構件的撓度，鋼板能至始至終與梁協同工作，未發生剝離破壞; 卸荷與非卸荷加固對加固效
果基本無影響; 建議加固鋼板取梁高的1 /2，錨栓間距以取200mm 為宜。
［關鍵詞］鋼筋混凝土梁; 錨貼鋼板; 加固; 抗彎性能; 錨栓
［中圖分類號］ TU375; TU317 ［文獻標識碼］ A
Experimental Study on Bending Behavior of Reinforced Concrete Beam Strengthened with
Bolted Side Steel Plate
Gao Jian-ping1 ，Wu Zhang-yong1 ，Ren Le1 ，Deng Yan-hua2
( 1． East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China; 2． Jiangxi Architectural College，Nanchang 330013，China)
Abstract: In view of the reinforce engineering structure in the practice，when the beam underside has obstructions leading to it cannot
be reinforced，setting anchors fixed sheet steel in the beam side to strengthening the beam underside is proposed． By comparing the
experimental studies，the regular patterns which the steel plate height，anchor spacing，loading / unloading and other factors influence
the reinforcement effect are analyzed． The results of the study indicate that strengthening with steel plate anchored can significantly
improve the ultimate bearing capacity of beams，effectively reduce the deflection of the component，and the plate can work together with
beam from beginning to end and not stripping from it; loading or unloading has no influence on reinforcement effect; so it is suggested
that strengthening steel plate would take 1 /2 high of the beam，anchor spacing would take 200mm ．
Keywords: reinforced concrete beam; steel plate anchored; strengthening; bending performance; anchor bolt
E-mail: tmxgao@ 126． com
［收稿日期］ 2011-06-14
1 引言
工程實踐中，粘鋼法加固鋼筋混凝土梁是一種常見的加固方法。但是，結構膠在不同環境條件的長期作用下，老化是必然現象，這導致結構與鋼板界面粘結強度下降，使粘鋼加固補強效果衰減或失效［1］。試驗研究［2 ～ 3］表明，外貼鋼板從附著的混凝土表面早期剝離已經成為加固梁的普遍破壞模式，這種脆性破壞使鋼板的抗拉強度得不到充分發揮。錨貼鋼板法是用錨栓將鋼板固定于鋼筋混凝土構件表面。與粘貼鋼板加固相比，錨貼鋼板加固具有施工工藝簡單、加固效果好，施工質量容易保證等優點。錨栓可帶動其自身長度范圍內的混凝土與整個鋼板參與受力，其受力和傳力體系較為合理。試
驗研究表明［4 ～ 6］，錨貼鋼板加固可有效提高受彎構件的承載力，能明顯減小裂縫寬度，有效克服粘貼鋼板加固易發生鋼板剝離破壞的缺點。本文通過5 根錨貼鋼板抗彎加固RC 梁的對比試驗研究，分析了錨栓間距、鋼板高度、卸荷/ 非卸荷
等對加固效果( 裂縫開展、剛度、極限承載力、破壞模式等) 的影響規律，為建立梁側錨貼鋼板抗彎加固RC 梁設計方法奠定試驗基礎。
2 試驗概況
( 1) 試件設計所有試驗梁的尺寸及配筋均相同，尺寸為2000mm × 150mm × 350mm，凈跨為1． 8m，縱向受拉鋼筋2?12，架力筋2?12，純彎段箍筋間距150mm，彎剪段箍筋間距100mm。錨栓型號為M12 × 160mm，錨固深度為100mm。L0 為未加固的對比梁，L1 ～ L5采用梁兩側錨貼鋼板加固，所有加固鋼板對稱布置在梁的兩側。試驗梁加固情況見表1 所示。
表1 試驗梁加固情況匯總表
Table 1 Summary of test beam reinforcement conditions
梁號加固情況
鋼板長× 寬× 厚( mm)錨栓間距( mm)錨栓排數錨栓排距
( mm)
L1 卸荷加固1700 × 350 × 4 265 3 100
L2 卸荷加固1700 × 100 × 4 200 1 0
L3 卸荷加固1700 × 200 × 4 265 2 100
L4 卸荷加固1700 × 200 × 4 200 2 100
L5 帶載加固1700 × 200 × 4 265 2 100
備注: 加固時鋼板底邊與梁底邊齊平，錨栓距鋼板上下邊緣距離均為50mm
( 2) 材料力學性能混凝土設計強度為C25，實測fcu為25． 86MPa
3 試驗結果
L0 為典型的適筋破壞。L1 梁端錨栓處誘發斜裂縫，由梁底經梁腹斜向加載點貫穿梁頂，成為主裂縫，錨栓有明顯剪曲現象。L2 錨栓處裂縫開展較為嚴重，裂縫大部分集中在梁端錨栓處，加載至200kN時，板端處一錨栓被剪斷。L3 加載至110 ～ 140kN時，梁底部裂縫逐漸貫穿，梁側面錨栓處裂縫數量增多; 至190kN 時，因梁端主斜裂縫開展過大而被破壞。L4 加載至160kN 時，撓度出現較明顯增長，純加固鋼板采用馬鞍山鋼鐵廠生產Q345 鋼板，屈服強度590． 4MPa。縱向鋼筋和箍筋分別采用南昌鋼鐵廠HRB335 級直徑12mm 螺旋肋變形鋼筋和HPB235 級直徑8mm 光面鋼筋，實測屈服強度分別為470． 3MPa 和279． 9MPa，實測彈性模量分別為2. 0 × 105N /mm2 和2． 1 × 105N /mm2。錨固膠采用天地金草田JCP 植筋膠。錨栓采用邯鄲市精工建筑錨固制造有限公司生產的高強錨栓，錨栓力學性能
如表2 所示。
表2 錨栓力學性能
Table 2 Mechanical properties of anchor bolt
型號錨栓直徑( mm)錨栓長度( mm)抗拉強度( MPa)抗剪極限值( MPa)抗剪設計值( MPa)M12 × 160 12 160 700 350 266
( 3) 加載方案
試驗采用三分點加載方案，使用500t 長柱壓力試驗機和反力鋼梁施加荷載。在試驗梁支座、跨中及三等分點處設置百分表。加載裝置及儀表布置如
圖1 所示。
加載裝置及儀表布置圖

圖1 加載裝置及儀表布置圖
Fig． 1 Loading setup and instrumentation layout
注: 1、百分表2、型鋼分配梁3、千斤頂4、傳感器5、反力架6、錨栓7、鋼板8、鉸支座
彎段錨栓處未發現裂縫，裂縫基本集中在支座附近，最后裂縫從梁底貫穿梁頂面。L5 彎剪區段上排螺栓附近發現數條寬而長的斜裂縫，由螺栓處斜向梁頂發展，加載至220kN 時，因梁端斜裂縫開展過大而破壞。表3 給出了極限荷載和破壞形式的試驗結果。圖2、圖3 為加固梁典型的破壞形態。
4 試驗結果分析
從表3 中可知，L1 ～ L5 較L0 的極限承載力提高幅度在190% ～ 240% 之間，說明錨貼鋼板加固可以大幅度地提高梁的抗彎承載力。與粘鋼加固梁相比，加固鋼板始終沒有發生剝離破壞。表3 加固梁試驗結果
Table 3 The test results of strengthened concrete beams
梁號初裂荷載( kN)極限荷載( kN)承載力增長率( % )底筋屈服撓度( mm)構件破壞撓度( mm)破壞形式
L0 50 100 3． 71 4． 30 鋼筋屈服，適筋破壞
L1 60 240 240 5． 65 6． 52 鋼筋屈服、鋼板未屈服，剪壓破壞
L2 55 190 190 6． 42 10． 49 鋼筋、鋼板均未屈服，剪壓破壞
L3 40 190 190 4． 42 6． 42 鋼筋、鋼板均未屈服，剪壓破壞
L4 55 220 220 4． 19 6． 50 鋼筋屈服、鋼板未屈服，剪壓破壞
L5 40 210 210 5． 03 7． 56 鋼筋屈服、鋼板未屈服，剪壓破壞
剪壓破壞形態

圖2 L1 剪壓破壞形態
Fig． 2 Shear compression failure mode of L1
剪壓破壞形態3

圖3 L5 剪壓破壞形態
Fig． 3 Shear compression failure mode of L5
( 1) 破壞形式分析
試驗表明，錨貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，斜裂縫一般貫通錨栓孔并迅速貫通梁頂，裂縫不斷增大，剪壓區混凝土在剪應力和壓應力共同作用下達到復合應力狀態的極限強度而破壞。在構件受力后期，可以觀察到錨固處局部損傷，但由于錨栓的錨固作用，鋼板不會發生剝離破壞。由于受裂縫位置和數量變化以及剪跨比的影響，鋼板應變的發展具有一定的
隨機性。隨著荷載的增大，鋼板的應力逐漸增大，由于混凝土梁的剪壓破壞，鋼板的應力出現下降，構件
破壞時，鋼板沒有達到屈服強度。
( 2) 加固效果影響參數分析
① 鋼板高度對加固效果的影響從圖4 中L2、L4 的荷載撓度曲線可以看出，在同一荷載作用下L4 的撓度明顯小于L2，說明增加加固鋼板的高度能有效提高梁的剛度。從表3 中可知，L4 的極限荷載較L2 的極限荷載提高了16% ，然而L4 的鋼板高度L2 的2 倍，增加鋼板的高度可以提高梁的承載力，但是增加的幅度不明顯，說明鋼板高度越高，鋼板的利用率越低。綜合考慮，加固鋼板高度取被加固梁高的一半時，既能提高梁的剛度、承載力，又能提高鋼板利用率，節約成本。

圖4 荷載－撓度曲線
圖4 荷載－撓度曲線
Fig． 4 Load-deflection curves
② 錨栓間距對加固效果的影響從圖4 中可以看出，在相同荷載作用下L4 的撓度略小于L3，L3、L4 荷載撓度曲線斜率基本一致，二者的曲線走勢都比較平緩，說明錨栓間距的減小對于提高梁的剛度無明顯影響。L3 的撓度比( 破壞時撓度除以屈服時撓度) 為1． 49，L4 的撓度比為1. 55，說明錨栓間距的減小對于梁的延性無明顯影響。從表3 中還可知，L4 的極限荷載較L3 的極限荷載提高了16% ，L4 的錨栓間距比L2 減小了32% ，說明錨栓間距對加固梁承載力產生了較為明顯的影響。因此，可以認為錨貼鋼板加固的效果主要取決于錨栓間距即錨栓抗剪能力［4］。綜上所述，從施工方便、經濟性等方面考慮，為保證加固效果，錨栓間距以取200mm 為宜。③ 卸荷/ 非卸荷對加固效果的影響在實際加固工程中往往是在結構加固時，結構
上已作用荷載，這種加固情況稱為非卸荷加固。從圖4 中可以看出，從開始加載到加載至150kN 時，相同荷載作用下L3 的撓度略小于L5，150kN 以后，二者的荷載撓度曲線趨于一致。這是因為非卸荷加固梁加固初期受壓區混凝土已有一定的壓應變，故加固鋼板不可能完全地發揮作用，導致L5 前期剛度略小于L3。從表3 中可知，L3 的極限荷載比L5 提高了10% ，即二者的差別不大。總體而言，從剛度和承載力方面考慮，卸荷與非卸荷加固對于提高梁的加固效果基本無影響。
5 結論
根據試驗結果和相關數據分析，可以得出以下結論:
( 1) 錨貼鋼板加固能顯著的提高構件承載力，提高幅度可達190% ～ 240% ; 在同等荷載作用下，錨貼鋼板加固能明顯的減小構件的撓度，減小幅度可達24% ～ 65%。
( 2) 錨貼鋼板加固梁至始至終沒有發生剝離破壞。
( 3) 建議加固鋼板取被加固梁梁高的1 /2，錨栓間距以取200mm 為宜。
( 4) 卸荷加固與非卸荷加固對加固效果基本無影響。
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作者:姜忻良

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