钢板加固梁试验分析与桥梁加固应用

钢板加固梁试验分析与桥梁加固应用

摘要：本文通过对钢板加固梁的试验，从钢板的厚度，附加锚固方式来分析钢板加固的破坏形式和受力特点，并结合试验，谈谈粘贴钢板在桥梁加固中的应用和施工时的注意事项。

关键字：钢板；桥梁；加固

本文共做了六根梁的粘钢板加固试验。为便于比较,各梁设计尺寸相同,所有试件的配筋,包括箍筋均相同。梁A–2（1.03）、A–3（1.5）、A–4（2.67）、A–5（2.94，螺栓）、A–6（2.63，U型板）。括号内数字表示粘钢板的厚度和附加锚固措施。

梁A-1 作为对比梁(原梁) ,不加固(图1) 。梁A-2、A-3、A-4、A-5、A-6 均为在梁底部受拉区粘贴钢板梁,它们的不同之处在于:

图1 钢筋混凝土原梁(A - 1) 配筋

图2 粘钢补强梁(A - 2、A - 3、A - 4) 构造图

(1) 强钢板厚度分别为1.03mm ,1.5mm ,2.67mm ,2.94mm ,2.63mm；

(2) 梁A - 2、A - 3、A - 4 粘贴钢板均直接粘贴至梁底端部,不采取其它锚固措施(图2) ；梁A - 5 梁底粘贴钢板端部采用螺栓锚固措施(图3) ,所采用的锚固螺栓为直径7.7mm 的射钉枪钉；

(3) 梁A - 6 梁底粘贴钢板端部采用U 型钢板锚固措施(图4) ,锚固U 型板厚度为2.0mm , 尺寸为(60 + 35) ×150mm。

钢板粘贴施工严格按加固技术规范要求的工艺过程进行。

试验的测试内容主要是通过百分表对试验梁的跨中绕度进行测量，通过粘贴钢筋应变片来测定钢片的应变范围，通过混凝土应力计，测定混凝土的应力变化。并用刻度放大镜测量在加载过程中的裂缝宽度和开展情况。测点布置如图5 所示。试验加载采用三分点加载方式,如图6 所示。

图3 螺栓锚固粘钢梁(A - 5) 构造图

图4 U 型板锚固粘钢梁(A - 6) 构造

图5 测点布置示意图

图6 试验加载示意图

2 试验结果与分析

2.1 梁的破坏形态

(1) 钢板剥离破坏。由于胶作用于混凝土表面的剪应力和正应力的组合作用引起的破坏。如粘贴2.67mm 厚钢板的梁A- 4 ,破坏时首先钢板从一端翘起,然后再从底部开裂,并逐渐向加载点处扩展,最后混凝土剪切破坏。

(2) 钢板屈服破坏。当钢板的厚度比较薄，梁体下部受拉受弯时，钢板的刚度较小，引起钢板和混凝土的剥离，当混凝土受拉破坏时，钢板可达到屈服。梁A - 2、A - 3 的破坏就属此种类型。

(3) 混凝土破坏。当钢板厚度稍大时，混凝土先与钢筋破坏，为使钢板和混凝土同时达到工作极限，用螺栓和U 型板将钢板锚固在梁体上，使得钢板抑制或延长混凝土开裂破坏，提高梁的承载能力。梁A - 5 和梁A - 6为阻止钢板的剥离分别采用了螺栓锚固和U 型板锚固。

2.2 混凝土应变

根据实验分析,发现混凝土底部受拉区在20kN 左右开裂,开裂后通过对应力计的读数，混凝土应变减少，钢板在工作，而后混凝土应变又线性增加，说明钢板和混凝土已经同时工作，承载力已得到提高。实验分析表明:混凝土开裂后,钢板的加入工作，使得整个截面的应力重新分布,钢板能接受混凝土传递的应力，并能整体工作。钢板加固可使开裂荷载提高，且较薄的钢板比厚钢板加固梁延迟开裂,钢板的配率与整个梁截面需要匹配。

2.3 钢板应变

图7、9、11 、13 给出了应变沿钢板长度的变化情况。图8、10 、12 、14 给出了钢板应变随荷载的变化情况。从图中可以看出, 在10kN 时各梁的钢板应

变随长度的变化规律基本相同,20kN 以后混凝土开裂,钢板作用增加, 各梁才有了较明显的差别。这表明,在混凝土开裂前整个钢板上的受力基本上是一致的, 当混凝土开裂后, 跨中要比端部大一些, 且应力增长速度要快一些。图9 的曲线变化比较复杂, 但也看出有同样的现象, 只是斜率变化要平缓一些, 也就是说粘结应力集中要小一些。图11 和图13 是用螺栓锚固及U 型板锚固梁的变化曲线, 二者的变化趋势极为相似, 由钢板端部开始, 钢板受力就直线增大, 但近似成直线上升, 说明粘结应力不是很大,锚固措施大大改善了粘结段的受力性能, 粘结剂和锚固构件一起共同把混凝土上的力迅速地传给钢板。

图8 表明,在混凝土开裂前,整个钢板上的受力基本上是一致的,当混凝土开裂后,钢板应变跨中要比端部的大,应力增大速度要快一些。

图9 中,当荷载增加至40kN 时,钢板端头处的应变没有再增加而是变小了,说明钢板端部一定长度范围内的粘贴最终将对钢板不起锚固作用。随着跨中钢板屈服后变形的进一步加大,钢板的屈服范围向钢板端头延伸,有效粘结长度缩矩,经过一定的过程,最后发生破坏,显示出一定的粘结锚固延性。

图13 和图14 中显示锚固区附近的钢板应变要比跨中处的增长速率慢30 %左右,且锚固区钢板应变要比其它处应变小很多,说明由于锚固的存在,使得钢板离锚固区极小一段距离后,便迅速地和混凝土一起共同作用。

3 项目应用

目前，我国交通经济和交通规划的不断发展，有的许多修建于60年代的桥梁，由于设计不完善、施工质量不好、养护不到位等原因，加上大量超载车行驶，使得主梁承载力不足、纵向主筋出现严重的锈蚀,安全存在隐患，因此，应该进行及时的加固维修。

根据上述所做的六根梁的加固试验分析，对于粘贴钢板加固桥梁在实际应用中提出一些注意事项。

(1) 用砂轮将梁底混凝土表面打毛并大致找平,以露出骨料为宜,梁底如有错台要打磨成圆顺的弧形。并将梁底的油渍、水印、灰尘等彻底刷净。这主要是为了钢板和混凝土更好的接触成一整体，有效防止钢板与混凝土的剥离破坏。

(2) 一般情况下,随粘结的钢板厚度增加,加固梁的刚度逐渐增大,但其延性却有所降低,而采取锚固措施。如果钢板厚度合理或者采用了合适的锚固措施,可使破坏变成钢板首先屈服的弯曲延性破坏,且使极限荷载得到最大限度的提高。钢板厚度以2～6 mm 为宜, 一般取4 mm；

(3) 钢板加固时，尽量使用螺栓锚固和U 型板锚固，因为在距钢板端部50～150mm的长度范围内,钢板内的应变分布极不均匀,有粘结应力集中现象,采用锚固措施后可改善这种情况。并且，对于钢板的锚固粘结长度也要进行计算。对于钢板锚固粘结长度, 是指在原梁不需要加固截面以外的粘贴钢板的延伸长度, 其锚固长度按下式计算：

式中, 为受拉加固钢板厚度； 为被粘混凝土抗剪强度设计值； 为加固钢板抗拉强度设计值。公式中数值2 为锚固区剪应力分布不均匀系数, 近似按三角形考虑。

(4) 钻孔、打铆钉固定钢板。钢板粘贴于预定位置后, 应立即进行打铆钉孔、打入异形铆钉, 异形铆钉全部打入后, 通过铆钉对钢板拉伸作用, 保证钢板沿受力方向拉紧, 并将钢板牢固地铆接于加固构件上,结构胶通过挤压从钢板边缘挤出。

(5) 粘结剂的涂刷

钻孔、打铆钉完成以后，将钢板和梁底清刷干净,先用钢刷在钢板粘贴面和梁底刷上一层薄的粘结剂作基液,晾放30 min 后,再用刮刀在钢板粘贴面上涂抹粘结剂,钢板纵向中央稍厚一点,边上稍薄一点,涂满钢板粘贴面,这样粘贴挤压后钢板与梁底之间不留空隙,粘贴紧密。

4总结

钢板粘贴加固桥梁具有方便，操作简单的优点，加固效果也明显。加固时，应确保钢板粘贴于混凝土接触面结合处平整，干净，确保钢板的锚固长度，螺栓锚固和U 型板锚固质量，这对提高梁的承载力有显著的影响。

参考文献：

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