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混凝土加固工程中的四种加固技术
www.gdyhgg.com 作者:银河钢结构工程 日期:2019/10/8 15:19:52
一、粘贴钢板加固法

粘钢加固法是利用结构胶将钢材粘贴到构件表面,形成混凝土~胶~钢板这样一种复合体系,以达到增强构件抗剪、抗拉和抗弯方面的性能。粘钢加固法主要用于加固梁、柱子以及框架节点等。

1.粘钢法加固框架节点

采用粘钢法加固梁柱节点,即在梁柱组合体节点区域的梁端、柱端或核心区粘贴有抗弯、抗剪的钢板或角钢,以提高节点区的抗剪承载力或改善节点核心区受力性能的一种加固方法,该法已经在加固工程中得到了广泛的应用。

根据已有试验表明粘钢法加固框架节点可以大幅度地提高节点的抗裂强度和抗震性能。钢材粘贴于混凝土表面时,使得加固构件的截面抗弯刚度、抗剪刚度均有不同程度的增加,加固构件的抗裂强度提高,延缓了试件开裂,从而可以明显改善混凝土的易开裂性,即使混凝土等级较低的构件经加固后,也能大大延缓构件开裂,改善了混凝土的前期工作性能。

粘钢加固钢筋混凝土框架中节点的受力基本符合斜压杆机理,粘钢加固对节点区混凝土约束作用是有限的。粘钢加固节点核心区发生斜拉变形、剪切变形和斜压变形,可以认为斜压应变和斜拉应变相等,则节点试件的层间位移是柱端荷载引起的柱端位移与节点核心区剪切变形引起的柱端位移之和。

2.粘钢法加固钢筋混凝土柱

粘钢加固轴心受压混凝土短柱的试验研究表明,粘钢加固可以有效地提高被加固混凝土柱的极限承载力、明显改善柱子的延性。同时从试验结果可以得出:“一次受力构件的极限承载力提高程度略高于二次受力构件,而混凝土极限应变对一次受力构件要比二次受力构件高许多”的结论,因此在加固设计过程中应充分考虑柱上原荷载产生的初始应力影响,以确保加固构件的安全。从试验结果还可以看出,混凝土上的应变远远大于钢材上的应变,钢材的应变存在明显的应力滞后效应,胶层过厚是造成钢材应力滞后的主要原因,因此在实际工程中应注意控制胶层的厚度并加强钢构件端部的锚固。

3.粘钢法加固钢筋混凝土梁

为研究混凝土梁在不同卸荷情况下采用粘钢加固时裂缝宽度的开展情况,根据粘钢加固混凝土梁裂缝宽度验算的试验研究可以看出:

(1)粘钢加固时混凝土梁承受的最大荷载应小于标准荷载;

(2)混凝土梁粘钢加固后,由于钢板对梁拉区混凝土的约束作用以及对混凝土保护层的影响作用,可推迟裂缝的开展,加固梁的抗裂性能有所提高;

(3)由于钢板对粘钢加固梁的加强作用,裂缝的产生和发展与普通混凝土梁不同,特别是部分卸荷粘钢加固混凝土梁,由于混凝土加固前已经存在一定的初始损伤,其裂缝宽度的计算还需要进行进一步的研究和探讨。

通过对在混凝土受拉区粘贴钢板的加固梁进行抗弯承载力试验和理论分析,以研究不同受荷状态以及粘贴钢板的层数对加固梁抗弯性能的影响。试验结果表明:

(1)粘钢加固可明显提高加固梁的正截面承载力,当设计计算结果中加固所需钢板截面积较大时可采用梁底部粘贴二层钢板,所粘钢板同样能起到受弯钢筋的作用,粘钢的计算面积应为二层叠合钢板的总面积;

(2)对初始裂缝宽度达0.2mm左右的受弯构件,不卸荷粘钢也可提高构件的正截面承载力;

(3)对初始裂缝宽度达0.2mm左右的受弯构件,完全卸荷粘钢时在试验中将会发生粘钢破坏,因此在这种情况下不能采用完全卸荷或大量卸荷的粘钢加固方法来提高加固梁的正截面承载力;

(4)粘钢加固钢筋混凝土简支梁时,应采取可靠的措施来保证钢板的端部与加固梁之间的锚固;

影响粘钢法加固混凝土梁加固效果的因素很多,通过已有的试验研究可以看出:

(1)应采用合适的锚固长度来避免粘钢加固梁在钢板端部存在的应力集中现象,锚固长度越长,应力集中越小;

(2)只要锚固长度合适,对有轻微初始损伤的钢筋混凝土梁用粘钢加固并不影响加固构件的极限承载力,但是其初始刚度会降低,而且在荷载作用下加固构件的挠度较大;

(3)当钢板的锚固长度不足时,配筋率高的比配筋率低的加固梁更易发生破坏;

(4)当锚固长度不足时,钢板端部采用螺栓加强并不能提高太多承载力,但是可以在一定程度上降低钢板与混凝土之间的滑移,提高结构的整体工作性能;

(5)粘钢加固梁有弯剪破坏与剪切破坏两种破坏形态;

二、外包钢加固方法(分为湿式和干式)

外包钢加固法是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法在梁柱四周包型钢进行加固,分干式外包钢和湿式外包钢两种形式,外包钢法可以显著增加构件的承载力,提高加固构件的刚度和延性。

对混凝土框架柱的加固,选用外包钢加固法比较适宜,它对加固构件的截面尺寸和外观影响很小,承载能力提高较大,对静力加固的结构必须考虑结构二次受力问题。外包钢加固法中一般选用低强钢材,这样可以减少加固构件的应力和应变滞后现象而充分发挥后加部分的潜力;为提高二次组合结构结合面的粘结性能,保证新旧两部分能整体工作共同受力,加固结构所用水泥及混凝土,要求收缩性小,最好微膨胀,与原构件的粘结性好,早期强度高。对加固结构新用的粘结剂,要求粘结强度高,可灌性好,收缩性小,耐老化等。

通过已有的大量试验和计算分析结果表明,外包角钢加固柱可以明显提高原构件的极限承载力,加固后的极限承载力随着应力历史的增大而减小,在加固结构设计中须考虑应力历史的影响。外包钢加固柱具有良好的塑性,延迟裂缝的出现和发展,加固柱两端的施工工艺质量对加固效果的影响较大,注意处理好刚材在端部与原构件间的锚固处理。

三、外包钢与粘贴碳纤维复合加固

粘贴碳纤维布(CFRP)加固和外包角钢加固混凝土构件在工程中已经得到了广泛的应用。CFRP加固混凝土结构能明显提高混凝土结构的承载力和延性,尤其对构件的延性提高较明显,但由于CFRP材料对构件的承载力提高有限,按照现行规范的要求最多不能超过40%。外包角钢可以显著提高构件的承载力,但对混凝土构件的延性提高有限。若采用粘贴CFRP和外包角钢骨架来复合加固混凝土构件,充分利用这两种材料的优势,弥补单一加固方式的不足则可以明显提高构件的承载力和延性。

面前对该种复合加固技术的研究还处于起步阶段,武汉大学卢亦焱教授尝试着做了一系列的研究工作。从由他们完成的外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土偏压柱试验研究结果可知,采用CFRP和角钢复合加固混凝土偏心受压柱对提高柱子的承载力和延性效果明显。从试验结果中可以看出:

(1)单独采用外包CFRP可以提高混凝土偏心受压柱的极限承载力和延性,但碳纤维布的强度得不到充分发挥。在一定范围内,CFRP满包与间断包裹对承载力影响不大,但满包时延性较好。

(2)单独采用外包角钢可以提高混凝土偏心受压柱的极限承载力,但是外包角钢的横向约束发挥作用的持续时间短,对混凝土的约束效果不如CFRP好,对改善混凝土柱的延性作用不如CFRP。

(3)采用角钢与CFRP复合加固可以充分发挥两种材料的优势,极大地提高了混凝土偏心受压柱的极限承载力,并很好地改善了混凝土柱的延性和变形能力,各种力学性能均优于单一形式加固时。

(4)复合加固混凝土偏心受压柱的极限承载力与构件长细比、含CFRP率、含角钢率以及偏心矩有关。构件长细比与偏心矩越小、含CFRP率和含角钢率越高,柱承载力越高,延性提高效果越好。

通过外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究的结果可以看出:

(1)碳纤维布与角钢复合加固法对混凝土弯压构件的抗震加固效果较好,加固柱具有良好的延性和耗能性能。

(2)复合加固构件与单一材料加固构件相比,约束区混凝土具有更大的极限应变,构件有更好的延性,能吸收更多的能量。

(3)轴压比、角钢加固量、碳纤维布用量、混凝土强度是影响复合加固混凝土压弯构件的滞回性能的重要参数。

这种复合加固方法充分利用了粘钢加固和碳纤维加固的优点,可以突破碳纤维加固承载力提高不得超过40%的限制,最大可以提高到65%,是一种很有发展前景的加固技术,但是由于其加固费用高,在目前的加固工程中还是受到一定的限制。

四、高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层加固

高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层加固技术是近几年来在国外发展起来的新型技术。高强钢绞线具有强度高、不锈蚀、柔软性好、运输及施工方便等优点;聚合物砂浆为水性材料,无有害挥发性气体,对环境和人无影响,与混凝土材料粘结性能良好,耐久、耐火性能好。因此,高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层加固技术解决了加固后的耐久性、抗火、耐高温性能等问题,具有技术先进、性能可靠、耐久抗火、无毒环保等优点。目前关于该加固技术的主要研究文献有:清华大学聂建国等采用高强钢绞线网-聚合物砂浆对钢筋混凝土梁分别进行了抗弯加固和抗剪加固的试验研究,结果表明,加固后梁的承载力可以得到显著提高,而且可以较好地约束裂缝的发展;

然而这种加固改造技术在我国的研究还刚起步,目前大多数研究所用的加固材料需从国外进口,因此有必要在我国进行该加固技术的进一步研究。东南大学用我国研发的加固材料进行高强钢绞线网-聚合物砂浆复合面层抗震加固钢筋混凝土梁柱板节点的试验研究,试验结果表明:在钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土框架节点中,节点核心区的水平钢绞线网的作用可以类似于箍筋,即可以直接分担核心区所承受的剪力,也可以增强对核心区混凝土的约束作用,从而达到提高节点抗剪承载力和耗能能力的加固效果,梁柱端的钢绞线网的作用是约束受压混凝土,并约束纵向受压钢筋防止过早压屈,满足梁柱端箍筋加密的抗震构造要求。
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