密封膠粘接加固受損鋼筋混凝土梁的影響分析

陳雙 莫憂 張琴

摘 要：建筑安全性為發(fā)展的重點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)工程鋼筋混凝土梁加固設(shè)計(jì)和建筑穩(wěn)定程度具有密切關(guān)系，并且和建筑安全性相關(guān)。鋼筋混凝土梁在受損后的加固工作對(duì)建筑修復(fù)至關(guān)重要，關(guān)系著建筑經(jīng)濟(jì)效益和安全性。在損傷后進(jìn)行修復(fù)和加固的使用質(zhì)量、壽命等具有密切關(guān)系。所以，國內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土梁損傷進(jìn)行了大量研究。研究分析了密封膠粘加固損傷鋼筋混凝土梁的性能，對(duì)損傷鋼筋混凝土梁密封膠粘加固的性能進(jìn)行分析。從而能夠?yàn)殇摻罨炷亮旱膿p傷加固提供針對(duì)性建議。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；密封膠；粘結(jié)性能

中圖分類號(hào)：TQ436+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0004-05

Effect analysis of damaged reinforced concrete beams strengthened with sealed adhesive

CHEN Shuang1，MO You2，ZHANG Qin1

（ 1.Guangan Vacational & Technical College，Guangan 638000，Sichuan China;2.Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China

）

Abstract：Aiming at the safety problem in the construction process，the test of reinforced concrete beam sealing adhesive reinforcement performance was proposed.ANSYS software was used to create the bond reinforcement model，simulate the process of the reinforced concrete beam from the beginning to the structural damage， and select raw materials for testing.We discussed the influence of the size on the bearing capacity of the beam tilt surface. The test results show that the plasticity of reinforced concrete is good，and the deformation ability of the concrete beam will be affected by the strength of the concrete，and it is easy to use，and can be applied in various construction projects.

Key words：reinforced concrete beam; sealant; adhesion property

加固鋼筋混凝土損傷能夠使建筑安全性得到增強(qiáng)，使建筑使用壽命延長，并且節(jié)約資源，使經(jīng)濟(jì)效益得到提高［1］。密封膠材料裝修中的粘合力比較強(qiáng)，并且使用方便，不會(huì)損傷到墻面，備受建筑領(lǐng)域青睞?；炷翢崤蛎浵禂?shù)比較高，所以建筑留有接縫，接縫處密封材料的選擇為混凝土工程主要問題［2］。大部分混凝土工程將聚氨酯、瀝青、聚硫膠等作為接縫密封材料，但是此種材料容易流淌、脆裂，導(dǎo)致出現(xiàn)開裂、脫粘等情況。密封膠的耐老化性能和抗位移能力良好，在鋼筋混凝土梁加固工作中使用比較廣泛。在加固鋼筋混凝土過程中，混凝土材料為密封膠的受用對(duì)象，屬于多微孔和堿性的材料，對(duì)比石材、金屬和玻璃幕墻存在差別，所以對(duì)密封膠材料具有較高的要求。鋼筋混凝土梁具有較大的尺寸，所以對(duì)于密封膠變形適應(yīng)能力與粘結(jié)力的要求比較高。另外，鋼筋混凝土和密封膠的粘接性能能夠保證加固作用。因此，本文對(duì)損傷鋼筋混凝土梁密封膠粘加固性能進(jìn)行分析，針對(duì)此方面的研究具有重要作用［3］。

1 鋼筋混凝土梁加固對(duì)密封膠的要求

1.1 水密和氣密性能

在鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠的時(shí)候，氣密性和水密性的性能尤為重要。在鋼筋混凝土損傷加固過程中，如果具有較差氣密性與水密性，就會(huì)導(dǎo)致滲漏情況的出現(xiàn)，外界因素也會(huì)對(duì)鋼筋混凝土梁質(zhì)量造成影響。只有使用良好氣密性和水密性的密封膠，才能夠在鋼筋混凝土梁損傷加固中實(shí)現(xiàn)連續(xù)不滲透層的創(chuàng)建，對(duì)損傷鋼筋混凝土梁進(jìn)行修復(fù)與保護(hù)，使建筑安全性得到提高［4］。

1.2 蠕變性和力學(xué)性能

鋼筋混凝土梁在受到溫度、荷載和收縮等因素影響的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)位移。另外，粘接面因?yàn)槔焓芰τ绊懀芊饽z在鋼筋混凝土梁損傷加固過程中具有一定蠕變性和彈性，受到外界因素影響會(huì)出現(xiàn)位移，密封膠也不會(huì)直接開裂導(dǎo)致粘接破壞，滿足位移變化需求，自由伸縮。還能夠恢復(fù)，在外界影響消失或者減弱的時(shí)候恢復(fù)原狀［5］。

1.3 耐候性

部分建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常見在外部環(huán)境中暴漏，會(huì)受到溫度、空氣和水分等影響。所以，在鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠的時(shí)候，就會(huì)長時(shí)間暴漏在陽光下，受到風(fēng)雨雷電、紫外線等影響。另外，具有熱脹冷縮原理，會(huì)對(duì)密封膠造成傷害。在損傷鋼筋混凝土梁加固中使用密封膠，此因素會(huì)傷害到密封膠。所以，密封膠在實(shí)現(xiàn)損傷鋼筋混凝土梁加固過程中要具備耐久性和耐候性，使其壽命得到延長［6］。

1.4 粘接性

密封膠在鋼筋混凝土梁損傷加固的過程中，粘接性能尤為重要，能夠?qū)γ芊饽z好壞進(jìn)行評(píng)價(jià)。在加固鋼筋混凝土梁損傷過程中，使用密封膠的性能良好，實(shí)現(xiàn)修復(fù)、防水等作用。其粘接性能如果不好，就無法實(shí)現(xiàn)密封防水作用，還會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土梁損傷效果降低。另外，多種因素都會(huì)對(duì)密封膠粘結(jié)性造成影響，鋼筋混凝土具有較大的孔洞，對(duì)于密封膠粘接性能會(huì)有所影響［7］。

2 粘接加固有限元模型創(chuàng)建

2.1 加固試驗(yàn)梁的有限元模型

鋼筋混凝土有限元模型包括整體式與分離式，本文使用分離式模型模擬。將鋼筋和混凝土使用不同單元處理，鋼筋和混凝土在小單元中劃分，通過二者剛度矩陣求解。因?yàn)槭菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，將一半的梁作為研究體?；炷潦褂肧lid65單元，外粘鋼板使用Solid45單元，梁內(nèi)鋼筋使用Link8單元，將輔助網(wǎng)絡(luò)定義為Mesh200單元。使用結(jié)構(gòu)膠實(shí)現(xiàn)混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的粘接，粘接良好［8］。

2.2 有限元基本假設(shè)

（1）在梁受彎之后，梁內(nèi)混凝土、鋼筋、鋼板要滿足平截面假設(shè)；

（2）將雙線性等向強(qiáng)化模型應(yīng)用到鋼筋中，鋼板具備理想化彈塑性本構(gòu)關(guān)系?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系具備多線性的特點(diǎn)，為了充分展現(xiàn)出混凝土的行為，要關(guān)閉混凝土壓碎選項(xiàng)，裂縫的張開和閉合剪力傳遞系數(shù)分別設(shè)置為0.4和1；

（3）鋼筋和混凝土充分粘接，并沒有滑移，能夠滿足變形協(xié)調(diào)方程需求［9］。

2.3 網(wǎng)格劃分

混凝土使用Soid65單元，此單元為8點(diǎn)6面體，在劃分單元過程中使用混凝土剖面網(wǎng)格劃分之后，根據(jù)梁的跨度方向拉伸構(gòu)成混凝土體單元。鋼筋使用Link8單元，在混凝土模型中應(yīng)用，在合并節(jié)點(diǎn)和壓縮之后，使混凝土、鋼板與鋼筋的單元節(jié)點(diǎn)重合。鋼板使用實(shí)體建設(shè)，為了更好收斂使用自由化分網(wǎng)格。鋼板與混凝土利用接觸向?qū)?shí)現(xiàn)接觸單元常數(shù)的設(shè)置，使接觸單元和目標(biāo)單元區(qū)分［10］。

2.4 有限元加固梁模型參數(shù)

鋼筋混凝土梁跨度為2 000 mm，凈跨度為1 800 mm，設(shè)置斷面尺寸為（120×200）mm，支座范圍為100 mm，使用HPB235級(jí)鋼筋?；炷翉?qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)C35，混凝土保護(hù)層厚度設(shè)置為20 mm，表1為各材料的特性。

3 原材料和試驗(yàn)方法

3.1 原材料

堿激發(fā)劑：使用水玻璃，工業(yè)生產(chǎn)模數(shù)設(shè)置2.79，波美度為46.5，含固量為36.8%。

偏高嶺土：在770 ℃將高品位天然高嶺土煅燒10 h，冷卻之后使用球磨機(jī)磨45 min。

石膏：化學(xué)試劑，分析純；粉煤灰：I級(jí)底蓋粉煤灰；

硅灰：Elken凝聚態(tài)硅灰；

玻璃纖維布：彈性模量設(shè)置為100 GPa，拉伸模量設(shè)置2 800 MPa。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 確定凝結(jié)時(shí)間

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測定，固定固相比例為10∶1，使石膏產(chǎn)量改變，根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整用水量，從而制作凝結(jié)時(shí)間測定試樣。每隔5 min測定初凝時(shí)間，每隔15 min測定終凝時(shí)間，最終得出凝結(jié)時(shí)間的改變曲線［11］。

3.2.2 面內(nèi)剪切強(qiáng)度

以試驗(yàn)和相應(yīng)的理論，在承受荷載的時(shí)候，混凝土界面和FRP受力為剪切狀態(tài)，最終破壞形式為剪力破壞。所以，對(duì)混凝土界面和FRP中面內(nèi)剪切性能為研究基礎(chǔ)。

設(shè)置玻璃纖維布與混凝土的粘接面積為70×80 mm，利用混凝土試件開展試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)混凝土28 d，實(shí)現(xiàn)面內(nèi)剪切制作，在設(shè)置溫濕度中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度測試。

3.2.3 鋼筋混凝土梁加固試驗(yàn)

鋼筋混凝土梁在設(shè)置加固試件尺寸中為（100×150×1 100）mm，加載跨長度為900 mm。設(shè)置混凝土梁底2條鋼筋，玻璃纖維尺寸設(shè)置（80×800）mm，設(shè)置兩層加固層數(shù)，在常壓、常溫下養(yǎng)護(hù)7 d開展加載試驗(yàn)［12］。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和分析

在疲勞荷載作用下，4根試驗(yàn)梁存在相似破壞過程：（1）初始加載到最大疲勞載荷的時(shí)候，試驗(yàn)梁加載點(diǎn)存在多條裂縫，裂縫指的是試驗(yàn)梁原本的損傷裂縫，并且裂縫形態(tài)為兩邊窄，中間寬，表示使用的材料對(duì)試驗(yàn)梁底部的混凝土存在約束作用；（2）加載到試驗(yàn)梁疲勞壽命的時(shí)候，加載現(xiàn)場就會(huì)出現(xiàn)劇烈噼啪聲；（3）在疲勞試驗(yàn)的過程中，裂縫狀態(tài)為一張一合，還會(huì)產(chǎn)生新的裂縫。主要裂縫在加載點(diǎn)附近出現(xiàn)，并且裂縫寬度隨著加載次數(shù)增加不斷的增大，在到達(dá)一定數(shù)值的時(shí)候，主裂縫根部兩側(cè)材料存在可視剝離，在加載次數(shù)不斷增加的過程中，朝著兩端發(fā)展［13］。

各個(gè)試驗(yàn)梁的破壞模式為：其（1）JGL-1梁的加載次數(shù)為100萬次的時(shí)候，2個(gè)加載點(diǎn)底部存在交叉狀斜裂縫，最大的裂縫寬度為1 mm，CFRP布存在局部可視剝離，剝離的長度為382 mm。加載次數(shù)為142萬次的時(shí)候，能夠完全剝離；其（2），JGL-2梁在加載119.3萬次的時(shí)候，2個(gè)加載點(diǎn)存在裂縫，最大裂縫的寬度為1.2 mm，存在局部可視剝離。玻璃快速的朝著兩端發(fā)展，并且存在噼啪聲；其（3），JGL-3梁在加載50萬次的時(shí)候，試驗(yàn)梁底部具備交叉狀斜裂縫，最大為1.02 mm；其（4），JGL-4梁在加載到3.98萬次的時(shí)候，距離試驗(yàn)梁跨中40 cm處的裂縫增加到0.8 mm，存在局部可視剝離［14］。

4.2 材料屬性和本構(gòu)關(guān)系

4.2.1 混凝土單元

ANSYS中默認(rèn)混凝土本構(gòu)關(guān)系為線彈性，也就是在壓碎之前的應(yīng)力為線性應(yīng)變關(guān)系，無法使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從受到荷載作用到破壞的分析需求得到滿足。所以，將能夠反應(yīng)本構(gòu)關(guān)系的特性添加到材料中。本文使用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型對(duì)混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行定義，結(jié)果如圖1。混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則使用SOLID65進(jìn)行定義，張開裂縫剪切傳遞系數(shù)設(shè)置0.4，閉合裂縫剪切傳遞系數(shù)設(shè)置1。因?yàn)锳NSYS軟件實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土梁非線性有限元計(jì)算，假如對(duì)混凝土壓碎破壞進(jìn)行考慮，即便是達(dá)不到壓碎應(yīng)力，也無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算收斂。所以，在正常使用過程中計(jì)算，并不會(huì)對(duì)混凝土壓碎破壞進(jìn)行考慮，也就是將單軸抗壓強(qiáng)度選項(xiàng)關(guān)閉［15］。

4.2.2 鋼筋單元

利用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型定義鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，圖2為主筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

4.2.3 墊塊單元

在對(duì)鋼筋混凝土梁開展有限元分析的過程中，由于加載點(diǎn)與支點(diǎn)混凝土出現(xiàn)壓碎、開裂等情況，導(dǎo)致分析提前終止，模擬不爭功。在創(chuàng)建有限元模型時(shí)，將彈性墊塊設(shè)置到加載點(diǎn)或者支點(diǎn)中，以此避免出現(xiàn)集中的應(yīng)力。彈性墊塊通過3D實(shí)體單元設(shè)置，利用SOLID45單元實(shí)現(xiàn)分析，避免出現(xiàn)集中應(yīng)力。利用3D單元設(shè)置彈性墊塊，根據(jù)SOLID45單元實(shí)現(xiàn)分析，設(shè)置泊松比0.3，彈性模量為3.3×104? MPa。

通過分析表示，加固梁加載在鋼筋屈服中，曲線不同于普通鋼筋混凝土梁，并且沒有混凝土開裂第一拐點(diǎn)。在承載力設(shè)置為150～160 kN的時(shí)候，荷載-擾度和荷載-碳纖維布的應(yīng)變曲線存在拐點(diǎn)［16］。在有限元分析過程中使用混凝土、鋼筋單元的共用節(jié)點(diǎn)，對(duì)兩者進(jìn)行建模，利用碳纖維布的作用將其轉(zhuǎn)變成為鋼筋作用。結(jié)果表示，鋼筋屈服后使用碳纖維加固后梁承載力通過碳纖維布和鋼筋承擔(dān)。使用碳纖維布能夠?qū)︿摻钍芰顟B(tài)進(jìn)行改善，并且因?yàn)殇摻钔ㄟ^加載屈服之后卸載，能夠強(qiáng)化鋼筋，提高屈服強(qiáng)度［17］。

4.3 承載力分析

表3為試驗(yàn)梁試驗(yàn)結(jié)果。

由表3可知，試驗(yàn)梁抗彎與抗剪加固之后，能夠提高極限荷載與開裂荷載?？箯澕庸塘篖2與L3在加固之后的開裂荷載比與對(duì)照梁L1對(duì)比，有所提高。極限荷載也有所提高，以此表示CFRP加固層數(shù)越多，抗彎加固之后混凝土梁的極限荷載與開裂荷載的提高幅度也在不斷的增加，但是提高程度和加固層數(shù)并不是正比關(guān)系。此和研究結(jié)果中CFRP抗彎加固混凝土梁試驗(yàn)結(jié)果是一樣的，所以在加固過程中要多經(jīng)濟(jì)、加固率等要求結(jié)合，對(duì)加固層數(shù)合理選擇。預(yù)裂梁L4在抗彎加固之后，極限荷載與開裂荷載也有所提高，以此表示，在加固之后能夠?qū)︻A(yù)裂梁初始裂縫擴(kuò)展進(jìn)行約束，使承載力得到提高。但是和相同參數(shù)梁對(duì)比，極限荷載與開裂荷載有所降低。以此表示，預(yù)裂梁抗彎加固之后的極限承載力也有所降低［18］。

4.4 疲勞加載次數(shù)變化

在試驗(yàn)加載疲勞幅度小于0.5的時(shí)候，加載點(diǎn)CFRP布的應(yīng)變隨著加載次數(shù)變化劃分成為3個(gè)階段：其（1），CFRP布-混凝土界面粘接性能退化與初始剝離裂縫構(gòu)成階段，在CFRP布應(yīng)變隨著加載次數(shù)不斷增加的過程中，也在不斷的增長；其（2），此階段屬于剝離裂縫穩(wěn)定發(fā)展的階段，CFRP布應(yīng)變在加載次數(shù)增加速度中逐漸變換；其（3），剝離破壞階段。在此過程中，CFRP布在加載次數(shù)不斷增加過程中逐漸增大，在達(dá)到剝離破壞的時(shí)候，CFRP布的最大應(yīng)變?yōu)?.007。

在試驗(yàn)加載疲勞幅值比0.5要大的時(shí)候，第1個(gè)階段并不明顯，只是展現(xiàn)出后兩個(gè)階段的剝離破壞，在玻璃破壞時(shí)候的CFRP最大應(yīng)變?yōu)?.011 1。另外，在加載次數(shù)相同的時(shí)候，JGL-1梁的CFRP布要比JGL-2梁小。比如，在加載到10萬次的時(shí)候，JGL-1梁的CFRP布應(yīng)變?yōu)?.001 7，JGL-2為0.007 0。以此表示，在相同疲勞幅值作用下，試驗(yàn)梁損傷的程度越小，說明加固之后的CFRP布應(yīng)變就會(huì)越小。JGL-4梁的CFRP布比JGL-3梁要大，比如加載次數(shù)為1萬次的時(shí)候，應(yīng)變?yōu)?.038。以此可以看出來，假如試驗(yàn)梁的損傷程度相同，在加載次數(shù)相同的時(shí)候，所施加疲勞幅值越大，表示CFRP布的應(yīng)變就會(huì)越大。也就是說，疲勞幅值大小會(huì)對(duì)CFRP布加固試驗(yàn)梁疲勞壽命具有一定的影響［19］。

4.5 載荷-應(yīng)變分析

對(duì)每級(jí)加載荷載的混凝土與碳纖維布應(yīng)變進(jìn)行記錄，抗彎加固梁梁底黏貼CFRP加固之后在相同荷載水平，混凝土最大壓變出現(xiàn)降低。以此表示，抗彎加固能夠?qū)炷磷冃魏图庸塘簲_度進(jìn)行降低。主要是因?yàn)榭箯澕庸讨蟮腃FRP和試驗(yàn)梁變形分擔(dān)部分應(yīng)力，增加剛度?？箯澚涸趯?duì)CFRP加固之后，具有明顯的約束效果。預(yù)裂抗彎加固梁的梁底黏貼CFRP，降低了混凝土最大應(yīng)變，但是和剛開始加載時(shí)候的相同參數(shù)梁并沒有明顯的差別。在架在你后期，因?yàn)槌跏剂芽p影響，變形發(fā)展速度比較快。針對(duì)抗剪加固梁，對(duì)照梁混凝土最大壓應(yīng)變改變不大。但是在逐漸破壞的時(shí)候，混凝土的強(qiáng)度越大，就會(huì)使擾度變化和壓縮應(yīng)變縮小。在試驗(yàn)梁進(jìn)行抗剪加固后，在最開始加載的時(shí)候并不會(huì)影響到混凝土壓應(yīng)變。但是，在鋼筋屈服后能夠使抗剪加固混凝土應(yīng)變得到降低，梁側(cè)使用CFRP加固之后并不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度梁最大混凝土應(yīng)變造成影響。

在抗彎加固梁加載初期，能夠?qū)炷磷冃芜M(jìn)行抑制，促進(jìn)應(yīng)變增長，但是應(yīng)變增長趨勢并沒有太大的差別。在加載后期，抗彎加固梁的CFRP應(yīng)變比其他梁要小，說明加固層數(shù)越多，就會(huì)使碳纖維使用率得到降低。在預(yù)裂抗彎加固梁過程中，由于原始損傷會(huì)導(dǎo)致CFR應(yīng)變增長比較快，說明加固梁原始狀態(tài)對(duì)于纖維布和加固效果的利用率具有較高的影響［20］。

5 結(jié)語

鋼筋混凝土的可塑性良好，并且使用方便，在各建筑工程中使用。由于受到建筑設(shè)計(jì)、施工與使用等因素影響，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題越來越重視。另外，在損傷后進(jìn)行修復(fù)和建筑的使用質(zhì)量、壽命等具有密切關(guān)系。所以，國內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土梁損傷進(jìn)行了大量研究。本文分析了密封膠粘加固損傷鋼筋混凝土梁的性能，從而能夠?yàn)殇摻罨炷亮旱膿p傷加固提供針對(duì)性建議。

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