钢板混凝土组合梁结构加固技术及工程应用研究进展

钢板混凝土组合梁结构加固技术及工程应用研究进展

张鑫玉 李明懋

南宁学院，广西，南宁，530200

摘要：充分调查目前混凝土梁等结构构件加固技术研究现状，分析钢板混凝土组合梁结构加固技术受力分析，从工程应用加固领域中，开发适合普通梁使用的快速成型的梁加固技术，是结构加固技术发展趋势。

关键词：钢板混凝土组合梁，加固技术，受力分析

前言

在上个世纪五六十年代中，国内进行了大量基础建设，建造了相当多的钢筋混凝土厂房、桥梁以及办公楼等公共建筑物。这些建筑物从建造到现在也有七八十多年的历史，由于使用时间较长，且在使用过程中，由于建筑维修不当或者本身建筑在建造过程中存在质量等原因，许多建筑物存在主梁部分出现裂纹，墙体开裂等相关问题，甚至出现部分结构因外在原因导致承载力下降，危及人身安全。由于建筑物原本投资费用较大或者该建筑负有重要作用，虽然一些建筑结构在使用时不可避免的存在一些已知或未知的结构缺陷，但往往不会被直接拆除或重建，而是利用其它外部力量将其结构进行加固，只要花少量的费用对原有建筑物进行维修、加固后，就可以恢复其承载力，甚至提高其耐久性，确保建筑物的安全使用。此外，有一些老式建筑物的使用者想与时俱进，对其建筑内部进行使用功能的改变，导致进行重新装修或增加夹层等，此时，直接进行非承重结构的改造难以满足结构承载力的一般要求，因此，需要在改造和装修的过程中对结构采取一定的加固措施。与此同时，也有一些老旧建筑物基本达到或超过了原本的设计使用年限，或建筑结构无法经受现有的规范的考验而无法满足直接居住的要求，但是由于拆除重建费用过大，经相关结构鉴定机构鉴定后，需要经过加固后才能够使用。在经过08年的四川地震后，中华人民共和国住房和城乡建设部颁布了新的抗震规范，在部分地震带的原有建筑需要进行抗震加固后，以保证人民的安全。

1 钢板混凝土组合梁加固技术研究现状

由于混凝土结构在使用过程中容易遭受自然环境、人为因素和机器设备振动等因素的影响，建筑物会呈现出各种不同缺陷情况，如部分结构构件的承载力不足、构件变形过大等。其中，混凝土梁属于建筑物中的主要承重构件，发挥来至关重要的作用。《混凝土结构加固设计规范》(GB50367－2013)对一些常用构件的加固方法进行了分类和介绍。许多国内研究者和专家针对建筑工程在使用过程中，结构受损后的加固方法也提出了许多不同见解，以便建筑结构继续使用。其中，钢板加固技术受到了广泛关注，例如：

为研究单层钢板加固钢筋混凝土板的计算方法，郭全全[1]在参考国内和国外相关计算方法的基础上，忽略钢板和混凝土直接的粘结滑移，进行了一些列推导、假设和验证，提出了可用于计算该加固结构的正截面和斜截面的承载力的计算式。并与吴丽丽[2]的试验（图）对
你验证了公式的准确性。

（a）钢板剥离

（b）混凝土压碎

图1钢板加固混凝土板试验[2]

而一些学者使用钢板连接件对组合墙进行加固。葛琪[3]设计并制作了4个1:4缩小版的钢板混凝土组合墙模型试件，缩小版的模型中的墙体构造不同、钢板连接件的含钢率不同等组合，为研究其墙体的抗震性能，采用静力试验并结合ABAQUS软件分析，进行相关数据及参数分析，表明钢板连接件厚度的增加，其组合墙体的承载力也相应提高。

目前有大量的研究人员逐步钢板混凝土板组合墙的加固技术领域开始向组合梁的加固领域迈进。张凯[4]在总结了钢板加固混凝土梁静力加载试验结果的基础上，从界面滑移、二次受力等因素方面进行分析其承载能力的影响因素,并介绍了该构件的加固技术试验中目前采用的研究方法，组合加固梁在相关工程技术应用情况等，提出了推广加固技术的必要性。

2 钢板混凝土组合梁加固技术受力分析

从钢板混凝土板到组合墙的加固技术逐渐涉及到组合梁的加固。目前有大量的研究人员使用最多的钢板混凝土组合梁结构进行研究分析。一些研究者从粘贴钢板的加固方法对普通混凝土梁进行抗剪能力及受弯能力分析。

2.1钢板混凝土组合梁加固抗剪能力分析

由于大多数普通钢筋混凝土梁在使用过程中，出现抗剪能力不足的状况，宋娃丽[5]对此情况进行了研究。研究过程中，首先在钢筋混凝土梁抗剪界面较弱的位置进行粘贴钢板，然后采用ANSYS软件对钢筋混凝土简支梁在采用钢板加固前以及加固后，分别进行数值模拟分析，结果表明了采用钢板加固，抗剪承载力效果满足预期期望。因此，在梁的抗剪薄弱部位处粘贴钢板的加固方法在实际工程中能够提高一定的抗剪能力。

梁侧锚固钢板加固混凝土梁的研究也不少，例如，蔡自伟[6]研究了钢板加固梁侧后的构件在荷载作用下的受剪性能状态,其使用对比试验，即选取1根普通混凝土梁和4根加固混凝土梁进行静力试验（如图2所示），观察各个试件在荷载不断的变化下，试件的破坏形态、荷载-位移关系与钢板应变力的变化质检的关系等,分析BSP梁的受力机制，揭示了混凝土梁试件受剪承载力、刚度强度得到一定的增大，而钢筋和钢板应变随之与钢板宽度、锚栓间距之间的关系存在一定的关系等受力特性。

（a）普通混凝土梁

（b）钢板加固梁

图2普通梁和钢板加固梁[6]

聂建国[7]主要从栓钉连接件角度出发，进行18根钢板加固混凝土梁的静力试验,考虑了钢板的轴向应变，栓钉的抗剪性能，以及对梁的受力性能的加固效果和影响。在此基础上，通过计算验证了钢板、栓钉与混凝土梁受力存在的相关性。

林于东[8]采用普通钢筋混凝土梁和采用U形钢板箍加固的预应力混凝土梁进行抗剪试验，并进行了数值分析,研究各试件在各种试验中，影响粘钢加固混凝土梁受剪性能与构件的受力情况与剪跨比、钢板厚度、钢板箍间距、配箍率等因素有关。

研究表明，无论是从抗剪界面粘贴钢板，梁侧锚固钢板，还是使用栓钉连接件在钢板-混凝土组合梁上，均能够提高了普通钢筋混凝土梁的承受抗剪能力。

2.2钢板混凝土组合梁加固抗弯能力分析

钢板混凝土组合梁加固技术除了满足抗剪能力外，还需要分析其受弯能力。熊学玉[9]进行了复合加固梁的力学研究，该加固梁是由碳纤维（CFRP）和钢板等方式加固的。通过对比分析了CFRP、钢板和复合加固等方式对改造梁抗弯强度的影响，为该类型加固技术的应用提供了相应的试验参考。

在城市建设中，一些人行天桥建筑采用钢板与混凝土结合进行整体受力，因此，胡红松[10]为此展开钢板-混凝土组合连梁试件的试验。首先根据6根外包钢板-混凝土组合连梁试件在试验中获取应变量测数据,然后根据其构件在不同荷载作用下的钢板应力,通过计算其应力和截面内力,得到了外包钢板和内填混凝土承担的各内力分量，从而为钢板-混凝土组合连梁试件的尺寸、强度提供相关依据。

佟阳[11]采用粘贴钢板加固混凝土梁试验，验证了粘贴钢板加固后的钢筋混凝土梁能有效提高其构件的抗剪强度、抗弯强度、刚度，而且其抗剪强度随着钢板宽度的增加而增大。在试验中,粘贴钢板的梁比未粘贴钢板梁的抗剪强度提高很多。

以上粘贴钢板加固混凝土梁或外包钢板-混凝土组合连梁均能够提高了抗弯强度和刚度，而且抗剪强度随着钢板尺寸的增加而随之增长。

3 钢板混凝土组合梁加固工程应用

近年来，许多大城市在立交桥建设过程中，由于钢板混凝土组合梁的加固技术的稳定，不仅能够提高加固结构的承载能力与刚度，同时具备了可快速施工，影响周围环境小等特点，因此加固技术得到广泛使用。

2002年，北京紫竹桥[12]由于种种使用原因导致其承载力不满足现状，为继续使用，采用钢板加固的方式对其进行加固，获得了良好的加固效果，尤其是承载力和刚度得到了提升。同时，在钢板加固后，不仅桥梁悬臂板的抗弯刚度较改造前有了30%左右的提高，引桥的抗弯刚度也有了25%的提高。

建于1990年的北京三环路洋桥[13]由于外在原因受损，同样采用钢板-混凝土组合加固技术后，提高了构件55%抗弯承载力。

除此之外，还有像柿子泡大桥[14]等类似的桥梁因外力原因导致受损，均采用钢板混凝土加固技术都提高了构件的承载能力和刚度。

4 结论

综上所述，钢板加固技术对提高混凝土结构的承载力具有良好的效益，已广泛用于建筑、桥梁、海洋平台等需要加固的结构领域，相对比传统加固方法，具有以下明显的特点。

（1）通过对混凝土梁或者结构侧面进行加固、在梁底面粘贴钢板加固或者以栓钉加固等方法，均能提高构件的承载能力和刚度。

（2）钢板-混凝土梁组合形成新型组合梁结构，能够运用于房屋梁以及桥梁建设等结构加固中，施工周期小，还能够提高构件承载力，开发适合普通梁使用的快速成型的梁加固技术，是结构加固技术发展趋势，并为土木工程加固技术的运用和推广提供新的技术措施。

参考文献

[1]郭全全,杨列昂,周耀,吴婧姝,张兴斌.单钢板混凝土组合板面外承载力计算方法[J].工业建筑,2016,46(10):33-35.

[2]吴丽丽,姜宇鹏,张栋栋,严茂超.简支钢板-混凝土组合板受弯性能及承载力分析[J].建筑结构学报,2015,36(12):125-134.

[3]葛琪,熊峰,何涛.钢板混凝土组合墙试验和有限元分析[J].东南大学学报(自然科学版),2018,48(05):885-895.

[4]张凯,邹毅松,谷志敏,王银辉.钢板-砼组合加固钢筋砼梁的研究及应用进展[J].科技创新导报,2015,12(09):5-7+9.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098x.2015.09.038.

[5]宋娃丽,杜书亮,李敏.钢板加固混凝土梁抗剪性能研究[J].建筑技术,2019,50(02):196-199.

[6]蔡自伟,陆洲导,李凌志,苏磊,林闯.梁侧锚固钢板加固混凝土梁受剪性能试验[J].浙江大学学报(工学版),2018,52(01):82-88.

[7]聂建国,赵洁.钢板-混凝土组合梁及组合抗弯加固中栓钉的性能及抗剪承载力研究[J].建筑结构,2010,40(06):39-43.

[8]林于东,宗周红,陈宏磊.粘钢加固混凝土梁受剪性能试验研究[J]. 建筑结构学报. 2011(08)

[9]熊学玉,徐海峰.负载下碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究及影响因素分析[J].建筑结构,2010,40(05):37-41+58.

[10]胡红松,聂建国.外包钢板-混凝土组合连梁试验研究(Ⅱ):应力与内力分析[J].建筑结构学报. 2014(05)

[11]佟阳.粘贴钢板补强钢筋混凝土梁抗剪性能试验研究[J]. 公路交通科技(应用技术版). 2011(05)

[12]彭兴坤,蔡晟.钢板-混凝土组合技术在桥梁加固中的应用[J].市政技术, 2003,21 (3): 141- 144.

[13]聂建国，陶慕轩,樊键生,等.钢-混凝土组合结构在桥梁加固改造中的应用研究[J].防灾减灾工程学报, 2010(30):110-122.

[14]聂建国,赵洁，唐亮.钢板-混凝土组合在钢筋混凝土梁加固中的应用[J].桥梁建设学报。2007(3).76- 79.

作者简介:张鑫玉(1988-),男,山西襄汾人，研究生，工程师，讲师，主要从事土木工程方面的科研与教学工作。

基金项目:南宁学院科研项目（2019XJ18）
基金项目：南宁学院科研团队项目（2018KYTD04）